涡轮叶栅前缘区域叶片与端壁交互气膜冷却作用数值研究

张垲垣; 张超才; 栗智宇; 李志刚; 李军

西安交通大学学报 ›› 2025, Vol. 59 ›› Issue (8) : 100 -111.

张垲垣, 张超才, 栗智宇, 李志刚, 李军

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摘要

针对燃气涡轮叶栅前缘角区不同部件的多源冷气射流与二次流掺混机理不明晰和极高热负荷的问题，数值研究了叶片喷淋头射流、端壁前缘气膜孔射流和端壁上游槽缝射流在前缘区域的流动掺混和交互冷却特性。结果表明，叶片喷淋头冷气能够通过在端壁的再附着对热环区域起到二次冷却作用，并通过改变二次流生成强度影响端壁冷气分布。当端壁吹风比较小时，叶片与端壁冷气在马蹄涡的阻隔下掺混较弱，端壁冷气在热环外侧马蹄涡边沿的直接附着形成条形冷却保护，叶片冷气通过再附着对端壁吸力侧角区形成二次冷却，随叶片吹风比M_s的增大，吸力侧马蹄涡及其卷吸的端壁冷气更加靠近叶片，其与喷淋头射流掺混增强，前缘区域平均冷却效率提升0.04,M_s=1.0时叶片喷淋头冷气在角区的覆盖沿轴向分布最为均匀。当端壁吹风比较大时，端壁冷气与叶片冷气掺混强烈并对角区形成较好的气膜冷却保护，主要发生于角区的冷气掺混现象导致上游槽缝与端壁气膜孔之间存在较大无冷却区，随M_s增大吸力侧角区的冷气掺混显著增强，端壁0ax（轴向坐标与轴向弦长之比）<0.1区域的平均冷却效率提升了0.08。研究结果表明，在叶栅端壁前缘冷却布局设计时应考虑叶片冷气的二次冷却作用，同时关注其对二次流生成及在下游发展强度的影响。