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随着涡轮进口温度的不断提升,对于涡轮叶片冷却技术也提出了更高的要求。然而传统的空气冷却技术需要从燃气轮机的压气机中抽取高压空气用于其热端部件的冷却。随着燃气轮机技术的不断发展,需要的冷却空气会进一步增加,这极大降低了压气机的效率也同时限制了燃气轮机功率的提升。在此背景下,蒸汽冷却技术应运而生,并日益得到重视。本文针对若干种涡轮叶片中常用的冷却结构(包括平行肋、V形肋、倒V形肋扰流冷却结构)分别开展了蒸汽和空气冷却的传热实验研究,并对研究对象建立了三维数值模型,利用数值结果对比了两种冷却介质冷却下的流动特征及压力损失特性。在所有换热结构下蒸汽和空气冷却具有相近的努赛尔数分布特征,但蒸汽冷却的传热性能明显高于空气冷却。在相同雷诺数下,平行肋扰流结构中蒸汽冷却平均努赛尔数比空气冷却高约13%-24%;在V形肋和倒V形肋扰流结构中,蒸汽冷却比空气冷却平均努赛尔数高19%-28%;在消耗相同质量流量时,蒸汽冷却的优势进一步提升。蒸汽和空气两种冷却介质在同一冷却通道中的流动特征较为相近,造成强化换热的流动机理也基本一致。在相近雷诺数工况下,两种冷却介质的压力损失系数较为相近,而在消耗相同质量流量冷却介质时,蒸汽冷却的压力损失低于空气冷却。这是由于蒸汽的动力粘度较低,蒸汽流所产生的内摩擦损失相对较小造成的。利用燃气轮机动叶叶片搭建了高温风洞环形叶栅实验台,分别测量了蒸汽和空气冷却下叶片外表面的温度场分布,并就两种冷却介质在实际涡轮叶片上的冷却性能开展了对比研究。利用气热耦合数值模拟方法对该叶片建立了数值模型,对比了两种冷却介质冷却的气动及压损特性。此外还研究了涂层对于叶片热防护的效果。结果表明:两种冷却介质冷却下,叶片涂层表面的冷却效率分布特征十分相近,叶片金属表面的冷效分布规律有所差异。在蒸汽冷却时,涂层吸力面、涂层压力面、叶片吸力面和叶片压力面平均冷效分别比空气冷却提高了17.3%、23.9%、21.7%和25.5%。涂层可以起到十分明显的热防护效果,在蒸汽冷却下,涂层起到的热防护效果相比于空气冷却更为显著。相对于空气来说,冷却后的蒸汽进入主流流道,会带来叶栅通道更大的焓降,从而会对整机热效率的提升带来不利影响。