CN102140964B - 一种提高离散孔气膜冷却效率的结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高离散孔气膜冷却效率的结构，涉及燃气轮机技术，用于燃气轮机涡轮叶片以及燃烧室壁面气膜冷却。该结构在紧邻气膜冷却孔出口后部放置一个凸起，该凸起形状以气膜孔中心线为对称轴左右对称，该凸起宽度为气膜孔径2倍左右，长度宽度比约为1，高度约为气膜孔径1/4。该凸起作用有三：一是横向扩张冷气作用，能够增大气膜横向覆盖面积；二是改变原有气膜孔出口冷气肾型涡对的旋转方向，有利于冷气贴附于壁面；三是较低的凸起高度保证了大部分气膜冷气在径向绕过凸起后重新贴附于壁面，并提供冷气给新产生的肾型涡对。本发明的凸起尺寸较小，高度较低，因此附加流动损失非常小。适用于所有离散孔形式的气膜冷却。

Description

一种提高离散孔气膜冷却效率的结构

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，是一种离散孔气膜冷却的新结构，可提高燃气轮机涡轮叶片以及燃烧室壁面的气膜冷却效率，适用于所有类型的离散孔形式的气膜冷却。

背景技术

离散孔气膜冷却作为一种高效的冷却技术，广泛应用于燃气轮机涡轮叶片以及燃烧室壁面冷却。其基本原理是冷却空气通过气膜孔流出，使得冷却空气覆盖于叶片表面，从而达到隔绝热主流与金属叶片表面的目的。离散孔形式的气膜冷却通常在孔与孔之间(横向)的冷却效率较低，在孔间距较大时，孔间的冷却效率下降很快。对于离散孔气膜冷却，提高冷却效率的核心问题之一是增加横向气膜覆盖并提高横向平均的气膜冷却效率。现有技术所采用的方法一般是通过较近的孔间距或扩大孔出口的横向尺寸达到。以往离散气膜冷却结构的改进侧重在气膜孔形状的改进，如采用非圆柱形的扩散孔等所谓异型孔。

发明内容

本发明的目的是公开一种提高离散孔气膜冷却效率的结构，以提高离散孔气膜冷却的横向气膜覆盖及横向平均的气膜冷却效率。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种提高离散孔气膜冷却效率的结构，用于燃气轮机涡轮叶片或燃烧室的气膜冷却，包括壁表面上的气膜孔；其还包括下游凸起结构，凸起横向设置，凸起的前部为进气边、后部为出气边，凸起进气边距气膜孔出口后边缘有一距离λ，距离λ与气膜孔径D的比值λ/D在0.5-1.0之间；凸起高度H与气膜孔直径D的比值H/D在1/4-1/2之间。

所述的提高离散孔气膜冷却效率的结构，其所述凸起为月牙型或拓扑相似结构，进气边呈前凸、出气边呈前凹；

凸起进气边与出气边之间的距离为δ，距离δ与凸起的长度L的比δ/L在0-1之间，优选为0.5左右。

所述的提高离散孔气膜冷却效率的结构，其所述气膜孔，为圆柱形或非圆柱形离散气膜孔；气膜孔间距y/D在3-8之间；气膜冷却吹风比在0.5-1.5之间，适用于任何顺压梯度的表面。

所述的提高离散孔气膜冷却效率的结构，其所述凸起的宽度W与气膜孔直径D的比W/D在1.5-2.5之间，气膜孔间距y/D小则W/D比值向下限靠近，孔间距y/D大则W/D向上限靠近。

所述的提高离散孔气膜冷却效率的结构，其所述凸起的长宽比L/W在0.6-1.2之间。

本发明的提高离散孔气膜冷却效率的结构，采用在气膜孔出口后的近下游放置一个较低高度的月牙型凸起的方法，通过强制气膜冷气横向扩展，并改变气膜冷却流动固有的漩涡结构，进而提高整个下游的气膜覆盖率及横向平均冷却效率。

本发明的提高离散孔气膜冷却效率的结构，是一种在气膜孔后的被冷却表面上增加一个较低高度的月牙型凸起的方法，有别于以往的其它方法，此结构形式简单、效果明显、实施方便，同时由于凸起尺寸小，气动损失增加不大。

附图说明

图1为本发明的一种提高离散孔气膜冷却效率的结构示意图；其中：

图1a为本发明的一种提高离散孔气膜冷却效率的俯视图；

图1b为本发明的一种提高离散孔气膜冷却效率的侧视图；

图2为本发明的凸起提高气膜横向覆盖及增加气膜冷却效率的基本原理示意图；

图3为本发明通过气膜孔中心线横向截面的气膜冷却效率分布图；其中：

图3a无凸起；

图3b有凸起；

图4为本发明被冷却表面的气膜冷却效率分布图；其中：

图4a无凸起；

图4b有凸起；

图5为本发明气膜孔下游6个流向截面的冷却效率分布图；其中：

图5a无凸起；

图5b有凸起；

图6为本发明气膜孔下游x/D＝10流向截面的速度矢量流线图；其中：

图6a为无凸起2的下游x/D＝10流向截面速度矢量流线图；

图6b为本发明有凸起2的下游x/D＝10流向截面速度矢量流线图；

图7是有无凸起时气膜孔下游横向平均的冷却效率对比图；

图8是有无凸起时气膜孔中心线冷却效率对比图(孔间距y/D＝5，吹风比为1.0)；

图9为本发明中典型的与月牙型凸起拓扑相似的结构变形示意图；其中：

图9a为月牙型凸起，其中凸起的进气边线和出气边线为曲线；

图9b为与月牙形凸起拓扑相似的结构，其中凸起的进气边线和出气边线为直线。

具体实施方式

如图1所示，为本发明的一种提高离散孔气膜冷却效率的结构示意图，其中，气膜孔1、凸起2、表面3。由图1示出了气膜孔1下游月牙型凸起2的结构参数定义。凸起2的长、宽、高分别用L、W、H表示。气膜孔1直径用D表示。几个主要流动方向分别用坐标X、Y、Z示出，X为流向，Y为横向，Z为径向。凸起2距气膜孔1出气边的流向距离用λ表示。凸起2的最大厚度用δ表示。另外，凸起2沿流向上游一侧的型线定义为凸起2的进气边线21，下游一侧的型线定义为凸起2的出气边线22。

在紧邻气膜孔1后部放置月牙型凸起2，有利于扩大下游壁面的气膜覆盖率，并提高横向平均的气膜冷却效率。此结构形式的重点在于凸起2的高度、长度、宽度、最大厚度、距气膜孔1出口边距离、以及进、出气边型线21、22，这些参数决定了冷气的横向扩展程度、旋涡强度、以及冷却效率。

凸起2高度H：凸起2高度H与气膜孔1直径D的比H/D应在1/4-1/2之间，具体高度H受气膜冷却吹风比影响，吹风比较大时高度H可以相应较大，吹风比较小时高度H相应较小。凸起2高度H的设置原则是：第一，不超过气膜孔1所喷射的冷气高度，以使得凸起2本身完全被气膜冷气覆盖，否则凸起2容易暴露于热主流中；第二，在不超过气膜孔1喷射冷气高度的原则下，凸起2顶部应距气膜孔1喷射冷气的最大高度有距离，以使得气膜冷气不完全沿凸起2的横向扩展，主要目的是保持气膜孔1中心线下游的冷气量足够供应肾型涡对使用，肾型涡对再将此部分冷气沿横向卷吸，提高横向气膜冷却效率，这是此结构的主要作用之一；第三，凸起2高度H可以决定肾型涡对在凸起2出气边22的横向距离，可以根据需求调整。

凸起2宽度W：凸起2宽度W与孔径D比W/D应在1.5-2.5之间，宽度W太小则作用减弱或改变，宽度W太大则最外侧容易暴露于主流。在上述宽度范围内，具体设置可根据孔间距进行相应调整。孔间距小则宽度W/孔径D比可向下限靠近，孔间距大则可向上限靠近。

凸起2长度L：凸起2的长宽比L/W应在0.6-1.2之间，长宽比L/W太小或太大均导致效果变差。

凸起2最大厚度δ：最大厚度δ与凸起2长度L的比δ/L可在0-1之间变化，一般取0.5左右。较小时近下游冷却效果好，较大时远下游冷却效率稍高。

凸起2进、出气边线21、22：首先，应以气膜孔1中心线为轴左右对称，且曲率不易过大，也可为直线。其次，头部可采用钝头体，以使凸起2本身具有一定冲角适应性。如果头部为尖体，则对喷射冷气的方向性要求较高。

凸起2距气膜孔1距离λ：距离λ与孔径D比λ/D应在0.5-1.0范围变化。太小则可能影响气膜孔1的加工，太大则作用明显减弱。

图2是本发明的凸起2提高气膜横向覆盖及增加气膜冷却效率的基本原理示意图。冷气从气膜孔1喷射出后，下游的月牙型凸起2有如下作用：一是将冷气横向扩展的作用。气膜孔1喷射的部分冷气(主要是喷射体下侧的冷气)被扩张型凸起2强制横向运动，从而增加了下游的横向气膜覆盖；二是消除固有的气膜孔1出口肾型涡对的作用。众所周知，气膜孔1出口冷气固有的肾型涡对的旋转方向是从壁表面3向上对旋(见图6a)，此旋转方向不利于气膜覆盖于被冷却表面3。在放置凸起2后，冷气①和②实际上主要是原有的肾型涡对，在经过凸起2的扩张作用后，此涡对在凸起2的出口边消失；三是新肾型涡对的形成作用。冷气绕流凸起2的进气边21时，由于粘性作用和表面3摩擦，会形成新的旋转方向与原有肾型涡对相反的涡对，如图中黑色箭头所指。此涡对的旋转方向更有利于冷气的横向扩展；四是增强冷气利用率的作用。图中的冷气③实际上包含绝大部分气膜孔1出口冷气，此部分冷气在径向绕过凸起2后，在主流的作用下将被重新压制到表面3附近，并被新形成的肾型涡对所利用，涡对在向下游的发展中，将不断地卷吸这部分冷气用于气膜的横向扩展，因此横向平均的气膜冷却效率将提高，这是凸起2结构的关键作用。很显然，凸起2高度H不应超过气膜在径向的喷射高度，否则凸起2将只有横向扩展作用，较低的凸起2高度H是本发明的关键参数。

图3是通过气膜孔1中心线横向截面的气膜冷却效率分布图，其中，图3a为无凸起2的横向截面气膜冷却效率分布图，图3b为本发明有凸起2的横向截面气膜冷却效率分布图。与无凸起2相比，有凸起2时气膜冷气在绕过凸起2后有很强的重新贴附于壁面的趋势。配合图2所指出的新产生的肾型涡对，气膜不仅更贴附于壁面且更容易横向扩展。

图4是被冷却表面3的气膜冷却效率分布图，其中，图4a为无凸起2的表面3上气膜冷却效率分布图，图4b为本发明有凸起2的表面3上气膜冷却效率分布图。增加凸起2后，气膜的横向扩展作用，气膜宽度明显加大，这对于孔间距较大时增加横向平均气膜冷却效率作用明显。

图5是气膜孔1下游6个流向截面的冷却效率分布图，其中，图5a为无凸起2的流向截面气膜冷却效率分布图，图5b为本发明有凸起2的流向截面气膜冷却效率分布图。图中x为下游所取流向截面距离气膜孔1后缘的距离。可以看出气膜冷气沿流向的发展情况。对于无凸起2的情况，气膜基本上保持在一个较小范围的圆形区域内向下游发展，并且气膜高度越来越高，而且气膜的横向扩展很小，这主要因为肾型涡对的旋转方向是从壁表面3向上对旋，容易使气膜逐渐远离壁面。对于有凸起2的情况，气膜在向下游的发展过程中高度增加不明显，但横向扩张却非常明显，这得益于绕流凸起2形成的新的肾型涡对的旋转方向变化。

图6是气膜孔1下游x/D＝10流向截面的速度矢量流线图，其中，图6a为无凸起2的下游x/D＝10流向截面速度矢量流线图，图6b为本发明有凸起2的下游x/D＝10流向截面速度矢量流线图。图6清楚显示了有、无凸起2时肾型涡对的变化。有凸起2时的肾型涡对的旋转方向与无凸起2时相反，并且有凸起2时肾型涡对之间距离较远，在两个肾型涡对之间，则为图2中第三股冷气③的位置，这股冷气③为肾型涡对提供了冷气量的支持，从这点来说，有凸起2时对气膜孔1喷射出的冷气的利用率极佳。

图7是有无凸起2时气膜孔1下游横向平均的冷却效率对比图。其中，虚线——无凸起2；实线——有凸起2。明显的，有凸起2时的横向平均气膜冷却效率大大高于无凸起2情况。对于孔间距y/D＝5的情况，有凸起2时近下游(下游所取流向截面距离x与气膜孔1直径D比x/D＝5)的横向平均气膜冷却效率高于无凸起2时近两倍，有凸起2时远下游(x/D＝50)的横向平均气膜冷却效率仍高于无凸起2时近一倍。

图8有无凸起2时气膜孔1中心线冷却效率对比图。其中，虚线——无凸起2；实线——有凸起2。在下游所取流向截面距离x与气膜孔1直径D比x/D＜15时，有凸起2的气膜冷却效率较高，在x/D＞15时，有凸起2的气膜冷却效率较低。这是因为对于有凸起2而言，越向下游发展则中心线处的冷气③横向扩展越强。

图9是典型的与月牙型凸起2拓扑相似的结构变形图。其中，图9a为月牙型凸起2，其中凸起2的进气边线21和出气边线22为曲线。图9b为与月牙形凸起2拓扑相似的结构，其中凸起2的进气边线21和出气边线22为直线。在拓扑相似的情况下，凸起2形状可有多种变化，不同的变形所获得的气膜覆盖及气膜冷却效率均有所区别，但总体上均好于无凸起2情况。在具体实施中，可根据需求改变图1中所列举的多种几何参数。

Claims (5)

1.一种提高离散孔气膜冷却效率的结构，用于燃气轮机涡轮叶片或燃烧室的气膜冷却，包括壁表面上的气膜孔；其特征在于：还包括下游凸起结构，以气膜孔中心线为对称轴左右对称，凸起的前部为进气边、后部为出气边；凸起进气边距气膜孔出口后边缘有一距离λ，距离λ与气膜孔径D的比值λ/D在0.5-1.0之间；凸起高度H与气膜孔直径D的比值H/D在1/4-1/2之间；其中所述凸起为月牙型或拓扑相似结构，所述凸起为月牙型或拓扑相似结构是指所述凸起的进气边呈前凸、出气边呈前凹。

2.如权利要求1所述的提高离散孔气膜冷却效率的结构，其特征在于：凸起进气边与出气边之间的距离为δ，距离δ与凸起的长度L的比8/L在0-1之间。

3.如权利要求1所述的提高离散孔气膜冷却效率的结构，其特征在于：所述气膜孔，为圆柱形或非圆柱形离散气膜孔；气膜孔间距y/D在3-8之间；气膜冷却吹风比在0.5-1.5之间，适用于任何顺压梯度的表面。

4.如权利要求1所述的提高离散孔气膜冷却效率的结构，其特征在于：所述凸起的宽度W与气膜孔直径D的比W/D在1.5-2.5之间，气膜孔间距y/D小则W/D比值向下限靠近，孔间距y/D大则W/D向上限靠近。

5.如权利要求1所述的提高离散孔气膜冷却效率的结构，其特征在于：所述凸起的长宽比L/W在0.6-1.2之间。

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