CN100485166C - 一种开槽气膜冷却孔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开槽气膜冷却孔，包括基底，第一横槽，第二横槽，离散气膜孔，尖角舌片。第一横槽有助于冷却气体的横向扩散和贴附壁面，第二横槽有助于冷却气体的流入和减少流动损失，离散气膜孔能够保证整个叶片的结构强度，尖角舌片有助于保护冷却气体在第一横槽内的横向扩散。本发明所采用的新型气膜冷却孔结构，可以在不影响叶片结构强度的前提下，减少冷却气体的流动损失，在相同的冷却气体用量下达到更好的冷却效果，或是在达到同样冷却效果的前提下，减少冷却气体的用量。

Description

一种开槽气膜冷却孔

技术领域

本发明涉及到涡轮动力装置中的冷却，特别涉及到为降低燃烧室壁温和涡轮叶片温度而采用的一种开槽气膜冷却孔。

背景技术

提高热循环的最高温度是改善各种热能动力机械性能最基本的技术途径。以航空发动机为例，飞机发动机推力的提高很大程度上依赖于涡轮前总温的提高，根据计算，这一温度每提高55℃，在发动机尺寸不变的条件下，发动机推力约可提高10％。涡轮入口温度以平均每年提高20℃的速度增加，而金属耐温程度仅以每年约8℃的速度增加，因此，即使发动机涡轮部件采用像碳-碳复合材料这样的耐高温材料，也不能完全取消冷却，先进的冷却可使高温部件承受更高的工作温度，使发动机寿命更长、可靠性更高。目前先进发动机的涡轮前进口温度已达到了2000K左右，比高压涡轮叶片金属材料的熔点高400K，可见冷却设计的重要性和迫切性。

目前用于燃气轮机中的燃烧室和涡轮叶片的基本冷却技术主要有气膜冷却、冲击冷却、肋壁强化冷却、扰流柱强化冷却等。这些部件大都采用内部对流换热冷却和外部气膜冷却相结合的方法，使其壁面温度保持或低于设计值。以燃气轮机中的叶片为例，冷气从叶片根部进入叶片内部，通过带肋壁的内流冷却通道，对叶片的内表面实施有效的冷却，一部分冷气从气膜孔流出，在涡轮叶片表面形成一层冷气薄层，对叶片外表面进行有效的保护，剩余的一部分气体经过叶片尾部的扰流柱，被扰动强化换热以后从尾缘排出。

现有燃气轮机中的气膜冷却，大都采用离散孔冷却方式，但是此种冷却方式中，冷却气体不能沿横向形成较均匀的冷却气膜，孔与孔之间的区域是被冷却的薄弱区域。而二维缝槽气膜冷却虽然可以沿横向形成均匀一致的冷却气膜，但由于其结构上的不连续而使强度大为降低，使得其在实际的应用中有一定的限制。因此，在20世纪60年代，已有学者提出将缝槽和离散孔相结合的思想(JP patent No.55-114806)，使冷却效果得到了较大程度的改善，但他们均是在气膜孔的出口开一个横槽，并没有实现缝槽与离散气膜孔的有效组合。

发明内容

为了克服上述不足之处，本发明的目的是提供一种开槽气膜冷却孔，它能降低冷却气体阻塞冷却孔的可能性，减少冷却气体流动的阻力，使冷却气流沿横向铺展的更开，从而得到更好的冷却效果。本发明可以适用于暴露在高温环境中且需要被冷却的部件。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明包括基底，第一横槽，第二横槽，离散气膜孔，尖角舌片，在基底的热侧表面开有与流动方向垂直的第一横槽，在第一横槽的上缘有顺着流动方向的突出的尖角舌片，在基底的冷侧表面开有与流动方向垂直的从气膜冷却孔的中截面看为渐缩形状的第二横槽，在基底的中部和第一横槽和第二横槽之间开有一排离散的气膜孔。

在第二横槽入口处下缘的基底上采用圆角过渡。

第一横槽是顺着流动方向向前倾斜α角度的斜横槽，α的取值范围为30°—35°。

第一横槽的流通截面积顺着流动方向是等截面的或是渐缩的。

第一横槽的上缘的表面高度可以和下缘的表面高度一致，也可以高于下缘的表面。

尖角舌片顺着流动方向伸出的长度覆盖住部分或全部气膜孔。

气膜孔是倾斜的圆柱孔、垂直的圆柱孔、变径孔、带有复合角的圆柱孔、扩散孔或方形孔异型孔结构。

气膜孔的倾斜角度β的取值范围为30°—90°。

本发明由于基底的两侧表面均开有横槽，因此缩短了气膜孔的长度，所以就降低了冷却气体阻塞冷却孔的可能性。冷侧表面第二横槽呈渐缩形状或入口处下缘基底采用圆角过渡有利于更多冷却气体流入并减少冷却气体流动的阻力损失，热侧表面第一横槽呈倾斜状有利于冷却气体贴附壁面，第一横槽上缘的尖角舌片有利于保护冷却气体在横槽内的扩散，从而可以使冷却气体沿横向铺展的更开，得到更好的冷却效果。

附图说明

图1为包含本发明的某型燃气轮机一个动叶片部分的轴侧图。

图2为图1中的8—8的截面视图。

图3(a)为本发明的气膜冷却孔三维结构示意图。

图3(b)为本发明的气膜冷却孔二维侧视图。

图3(c)为本发明的气膜冷却孔二维俯视图。

图4为本发明的一个实施例的二维侧视图。

具体实施方式

附图为本发明的具体实施例。

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

参照图1、图2所示，是燃气轮机一个动叶片部分的轴侧图，该动叶片部分包括一个叶片25和基座5，叶片25包括压力面3和吸力面4，且位于基座5上，叶片25内部为中空的，包括两个气冷空腔13、14和一个尾缘腔15。在叶片前缘7处开有多排气膜孔11，叶片顶部26开有一些离散的气膜孔10，叶片尾缘部分开有本发明设计的开槽气膜冷却孔12，叶片尾缘端部也开有离散的气膜孔9。

高温燃气1从叶片前缘7冲刷叶片25，使叶片25带动基座5随着轴6一起旋转，冷却气体2从叶片基座5的底部流入，在叶片内部的气冷空腔13和14中形成折返流，部分冷却气体从位于叶片前缘7的气膜孔11流出，部分冷却气体从位于叶片顶部26的气膜孔10流出，剩余的冷却气体流入叶片内部的尾缘腔15，然后分别从叶片尾缘端部的气膜孔9和叶片尾缘部分的开槽气膜冷却孔12流出。其中开槽气膜冷却孔12采用本发明设计的气膜冷却孔结构。

参照图3(a)、(b)、(c)所示，为本发明开槽气膜孔叶片基体部分的详细结构示意图。包括基底16，第一横槽18，第二横槽17，离散气膜孔22，尖角舌片19，在基底16的热侧表面20开有与流动方向垂直的第一横槽18，在第一横槽18的上缘23有顺着流动方向的突出的尖角舌片19，在基底16的冷侧表面21开有与流动方向垂直的从气膜冷却孔的中截面看为渐缩形状的第二横槽17，在基底16的中部、第一横槽18和第二横槽17之间开有一排离散的气膜孔22，高温燃气1从热侧表面20流过，第一横槽18的上缘23的表面高度和下缘24的表面高度一致。第二横槽17由于是收缩型入口，从而可以汇聚更多的冷却气体流入，且能够减小冷却气体的流动损失。第一横槽18的上缘的尖角舌片19覆盖住部分气膜孔，有利于冷却气体2在第一横槽18内的横向扩散。由于在叶片的热侧表面20开有第一横槽18，在叶片的冷侧表面21开有第二横槽17，因此，缩短了气膜孔22的长度，因而在保证叶片强度的前提下就降低了冷却气体2阻塞气膜孔22的可能性从而可减小流动阻力。

下面是本发明的一个实施例。

参照图4所示，在第二横槽17入口处下缘的基底16上采用圆角过渡，有助于进一步减少冷却气体2流入的流动损失，气膜孔22是倾斜90°角的且直径逐渐缩小的渐缩圆柱孔，第一横槽18的上缘23的尖角舌片19的伸出长度较长，覆盖住了整个气膜孔22，且第一横槽上缘23的表面高度高于下缘24的表面，使得第一横槽18形成切向射流，从第一横槽18流出的冷却气体2不会脱离壁面，而且又能形成连续均匀的冷却气膜，隔断了高温燃气1对第一横槽下缘24的热侧表面20的烧蚀，保护了热侧表面20，而且第一横槽18的通流截面积逐渐变小，使得射流能够以较高的动量从切向缝槽喷出。

Claims (8)

1、一种开槽气膜冷却孔，包括基底(16)，第一横槽(18)，第二横槽(17)，离散气膜孔(22)，尖角舌片(19)，在基底(16)的热侧表面(20)开有与流动方向垂直的第一横槽(18)，其特征在于，在第一横槽(18)的上缘(23)有顺着流动方向的突出的尖角舌片(19)，在基底(16)的冷侧表面(21)开有与流动方向垂直的从气膜冷却孔的中截面看为渐缩形状的第二横槽(17)，在基底(16)的中部、第一横槽(18)和第二横槽(17)之间开有一排离散的气膜孔(22)。

2、根据权利要求1所述的一种开槽气膜冷却孔，其特征在于，在第二横槽(17)入口处下缘的基底(16)上采用圆角过渡。

3、根据权利要求1所述的一种开槽气膜冷却孔，其特征在于，第一横槽(18)是顺着流动方向向前倾斜α角度的斜横槽，α的取值范围为30°—35°。

4、根据权利要求1所述的一种开槽气膜冷却孔，其特征在于，第一横槽(18)的流通截面积顺着流动方向是等截面的或是渐缩的。

5、根据权利要求1所述的一种开槽气膜冷却孔，其特征在于，第一横槽(18)的上缘(23)的表面高度与下缘(24)的表面高度一致，或者高于下缘(24)的表面。

6、根据权利要求1所述的一种开槽气膜冷却孔，其特征在于，尖角舌片(19)顺着流动方向伸出的长度覆盖住部分或全部气膜孔(22)。

7、根据权利要求1所述的一种开槽气膜冷却孔，其特征在于，气膜孔(22)是倾斜的圆柱孔、垂直的圆柱孔、变径孔、带有复合角的圆柱孔、扩散孔或方形孔异型孔结构。

8、根据权利要求1所述的一种开槽气膜冷却孔，其特征在于，气膜孔(22)的倾斜角度β的取值范围为30°—90°。

Images