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垂直带肋通道中槽型截面孔气膜冷却特性的多维度探究

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代能源动力领域，燃气轮机凭借其高效、清洁的特性，成为了发电、航空航天以及船舶动力等关键行业的核心装备。燃气轮机的性能提升与透平进口温度密切相关，透平进口温度每提高100℃，燃气轮机的输出功率可增加20%-25%，燃料消耗节省6%-7%。然而，随着透平进口温度的不断攀升，目前已远超叶片合金材料的耐温极限，这对燃气轮机的热端部件，尤其是透平叶片的冷却技术提出了严峻挑战。若不能有效解决冷却问题，提高透平进口温度以提升燃气轮机性能将难以实现。

透平动叶作为燃气轮机的关键部件，始终工作在高温、高压、高转速的恶劣环境中，其冷却性能直接关系到整个燃气轮机的使用寿命和可靠性。当前，透平动叶冷却主要依赖内部蛇形通道冷却与外部气膜冷却相结合的方式。冷却空气从压气机引入叶片内腔后，先通过内部扰流肋强化换热，随后经肋通道上的离散气膜孔流出，在叶片表面形成气膜，从而实现内外部冷却协同作用，降低叶片表面温度。在这一冷却过程中，垂直带肋通道的结构设计以及气膜孔的形状和布置方式对冷却效果有着至关重要的影响。

垂直带肋通道能够有效增强冷却空气与通道壁面之间的换热，提高冷却效率。带肋通道内的扰流肋可以改变冷却空气的流动状态，增加湍流强度，从而强化对流换热。不同的肋片形状、高度、间距以及倾斜角度等参数都会对通道内的流场和温度场产生显著影响。而气膜冷却作为一种重要的外部冷却方式，通过在叶片表面形成一层低温气膜，隔离高温燃气与叶片表面，减少热量传递。气膜孔的形状和结构直接决定了冷却空气的流出方式和覆盖效果，进而影响气膜冷却的效率。

槽型截面孔作为一种新型的气膜孔结构，近年来受到了广泛关注。相较于传统的圆柱孔，槽型截面孔具有独特的流动特性和冷却优势。其扁平状的截面形状使得冷却空气在流出时能够更好地贴附于叶片表面，形成更均匀、稳定的气膜覆盖，有效抑制了气膜的脱离和破裂，从而提高气膜冷却效率。在带肋通道中，槽型截面孔的布置和结构参数的优化对于削弱内部冷气横流对气膜孔进口流动的影响具有重要意义，能够进一步提升气膜冷却效果。

深入研究垂直带肋通道中槽型截面孔的气膜冷却特性，对于揭示其冷却机理、优化冷却结构设计、提高燃气轮机透平叶片的冷却性能具有重要的理论意义和实际应用价值。通过对这一领域的研究，可以为燃气轮机的设计和制造提供更坚实的理论基础和技术支持，推动燃气轮机向更高效率、更低排放的方向发展，满足日益增长的能源需求和环保要求。

1.2研究现状

目前，关于垂直带肋通道的研究主要集中在通道内的流动与换热特性方面。学者们通过实验研究和数值模拟等方法，深入分析了肋片的形状、高度、间距以及倾斜角度等参数对通道内流场和温度场的影响。Ayli等研究了带肋通道，拟合得到了强迫对流传热的传热关联式，为后续研究提供了重要的理论基础。Liu等对带肋通道内的截断肋进行了研究，发现相同换热效率下采用截断肋可降低压力损失，为肋片结构的优化提供了新的思路。Han拟合得到了不同结构参数下带肋通道的传热关联式，进一步丰富了该领域的研究成果。Wang等采用数值模拟方法研究不同结构内冷通道，结果表明相对于45°V型肋，波纹肋的换热效果更好，为肋片结构的选择提供了参考。这些研究为理解垂直带肋通道内的流动与换热机制提供了丰富的成果，但对于带肋通道与气膜冷却的耦合作用研究还相对较少。

在气膜冷却方面，研究主要围绕气膜孔的形状、布置方式以及吹风比、主流湍流度等因素对气膜冷却效率的影响展开。对于传统的圆柱孔气膜冷却，已经积累了大量的研究数据和经验。近年来，随着对冷却效率要求的不断提高，新型异型气膜孔的研究成为热点。众多研究表明，扇形孔、菱形孔等异型孔在气膜冷却效果上明显优于圆柱孔。中国科学院工程热物理研究所提出的垂直槽截面扩张孔结构，通过数值研究和实验验证，发现该结构抑制了孔进口的喷射效应，削弱了孔出口下游壁附近的低动量区的范围，使气膜孔出口处的横向速度分布更加均匀，气膜冷却效果显著提升。然而，这些研究大多是在简单流场条件下进行的，对于带肋通道内复杂流场对气膜冷却特性的影响研究还不够深入。

关于槽型截面孔在垂直带肋通道中的研究相对较少。虽然已有一些研究关注到了槽型截面孔在带肋通道中的气膜冷却效果，但对于其冷却机理的理解还不够深入，尤其是槽型截面孔的结构参数与带肋通道内流场参数之间的耦合作用机制尚不明确。目前，有关异型孔在带肋通道中的高效布置方法也不多见，这限制了槽型截面孔在实际工程中的应用。

1.3研究目的与创新点

本研究旨在深入探究垂直带肋通道中槽型截面孔的气膜冷却特性，揭示其冷却机理，为燃气轮机透平叶片的冷却结构优化提供理论依据和技术支持。具体而言，通过实验研究和数值模拟相结合的方法，系统分析槽