脉动来流下燃氢涡轮叶栅端壁气膜冷却特性

张昊; 白波; 李志刚; 李军

西安交通大学学报 ›› 2025, Vol. 59 ›› Issue (10) : 75 -86.

脉动来流下燃氢涡轮叶栅端壁气膜冷却特性

张昊, 白波, 李志刚, 李军

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摘要

为厘清掺氢/全氢燃烧诱发的燃气脉动对下游涡轮叶栅流动传热和冷却特性的影响，基于某研究所真实掺氢/全氢燃烧脉动测量数据和跨声速风洞试验数据，采用非定常数值方法，系统研究了设计运行工况下，燃气脉动频率(1、3、5 kHz)对涡轮叶栅端区流动和端壁气膜冷却的影响。研究结果表明：脉动来流显著降低了端壁气膜冷却效率，其影响呈非单调频率依赖性，当频率为3 kHz时气膜冷却效率降幅最小，约为4.02%,当5 kHz时降幅最大，约为11.28%;端壁气膜冷却效率波动幅度随频率增加呈现先减小后增加趋势，气膜孔下游及叶栅喉部区域波动幅值最大；气膜冷却效率波动频率与进口脉动频率严格同步，即叶栅通道中脉动频率不发生衰减；随着脉动频率的增加，台阶下游空腔涡逐渐向端壁下游扩张，高频(5 kHz)脉动下空腔涡和马蹄涡强度显著增强，诱发端区二次流结构失稳，导致端壁气膜冷却性能下降和波动幅值增加。研究揭示了脉动来流下涡轮叶栅端区流动冷却耦合机制和脉动特性，为燃氢涡轮叶栅端区高效冷却布局设计提供了参考。