CN102312683A

CN102312683A - 基于弯曲通道二次流的气膜孔

Info

Publication number: CN102312683A
Application number: CN201110262922A
Authority: CN
Inventors: 康顺; 梁俊宇; 王晓东; 孟宝宝; 翟丽娜
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2031-09-07
Also published as: CN102312683B

Abstract

本发明属于燃气涡轮高温部件冷却技术领域，特别涉及一种基于弯曲通道二次流的气膜孔。该气膜孔包括弯曲通道段和直通道段两部分；其中，所述弯曲通道段为圆弧，是由气膜孔进口朝冷却气流的来流的方向做出弯曲而形成的。所述气膜因气膜孔的弯曲通道使冷却气流产生二次流动，所形成的通道涡离开气膜孔后，在高温气流的横向推动下发生弯曲，具有与肾型涡相反的旋向，相互作用后，能抑制肾型涡的发展，减弱它的强度，提高气膜对壁面的贴附能力，增加气膜冷却效率。另一方面，因为通道涡的存在，冷却气流在气膜孔的出口处具有更高的展向速度，能增加气膜的覆盖宽度。

Description

基于弯曲通道二次流的气膜孔

技术领域

本发明属于燃气涡轮高温部件冷却技术领域，特别涉及一种基于弯曲通道二次流的气膜孔。

背景技术

增加进口温度可以有效的提高燃气轮机的出力和效率，目前，许多大推力，高效率的航空发动机或大功率陆用船用燃气轮机的进口温度已经远高于金属许用温度，为了保护涡轮内部高温部件的安全，需要对其采取必要的冷却措施。气膜冷却是应用于涡轮高温部件上的一种常见冷却方式，气膜孔的形状对冷确效果有非常重要的影响。为了减小冷却气流射入的角度，气膜孔通道一般均沿流向有一定的倾角。但是当气膜孔布置于叶片前缘附近时，射流倾角非常小，冷却气流基本是垂直射入主流，甚至是逆向射入。叶片前缘，特别是第一级静叶栅，直接承受着来自燃烧器出口高温燃气的冲刷，具有很高的热负荷，需要较多的冷却气流来保护这个区域。但另一方面，由于前缘附近的主流速度较低，如提高冷却气流的流量(或冷却气流和主流的压比)，可能会使射流将主流射穿，反而降低气膜冷却的效果。

气膜冷却是典型的横向流中的射流问题。该流动看似简单，但却包含着非常复杂的物理现象。目前对其最为清晰的认识就是射流孔的下游存在着一对旋向相反的大尺度旋涡即肾型涡，该涡对几乎完全主宰了下游的流动。大量的模拟和实验观察发现，肾型涡会将气膜抬离壁面，导致气膜冷却失效。如果能设法抑制或减弱肾型涡，就有可能提高气膜的贴附距离和冷却效果。

早在1979年，NASA就采用实验的方法研究了对气膜孔供气通道的形状对下游冷却效率的影响(参见NASA Technical Paper 1546)。他们对比了射流角为30°的直斜孔与弯孔。该型弯曲气膜孔的优点在于小吹风比时，能使实际的射流角小于斜孔的倾角，使得气膜具有较好的覆盖效果，提高冷却效率。当吹风比继续增加时，射流的刚性增强，该优点不复存在。另一方面。提高吹风比还会增加弯孔内的二次流动即通道涡的强度，而该结构所产生的通道涡随着吹风比的增加会逐渐强化肾型涡的发展，不利于冷却，这是该结构的一大缺陷。NASA的研究结果也显示，该弯曲气膜孔几何可以提高吹风比M＜0.7以下时的冷却效率。但是当M＞0.7时，反而会破坏冷却效果，使冷却效率降低。以该研究为基础，Mark E.Noe等人于1994年，在美国申请了专利(专利号5281084)。该专利中的气膜孔结构可以减小射流的入射角度，提高冷却效率，但它同样存在着上述缺点。该结构布置于大前缘半径叶型(前部加载叶型，Mark II或C3X等)头部附近的吸力面上时，获得了较好的实际冷却效果。这是因为，前部加载叶型能在叶栅通道的前部建立起较高的横向压力梯度，这个横向压力梯度可以在一定程度上抑制吸力面上的肾型涡将气膜抬离壁面。但专利并没有对弯孔产生的二次流加以利用。

发明内容

为了解决上述气膜孔所存在的问题，并提高带有弯曲通道的气膜孔对不同叶型和安装位置的适用性，本发明提出了一种基于弯曲通道二次流的气膜孔。

本发明采用的技术方案为：该气膜孔包括弯曲通道段和直通道段两部分；其中，所述弯曲通道段为圆弧，是由气膜孔进口朝冷却气流的来流的方向做出弯曲而形成的，弯曲通道段的圆心角B的范围为10°至90°，弯曲通道段的轴线的曲率半径R大于或等于所处位置的壁厚；所述直通道段与气膜表面之间形成的射流倾角A的范围为30°至120°；所述气膜孔的弯曲通道使冷却气流产生二次流动，所形成的通道涡离开气膜孔后，在高温气流的横向推动下发生弯曲，具有与肾型涡相反的旋向，提高冷却效率。

所述气膜孔位于叶片的前缘处、叶片的吸力面或压力面上。

本发明具有以下优点：

气膜孔内的气流流经弯曲通道时，会产生二次流动。该二次流动会在气膜孔通道内形成一对旋向相反的通道涡，使得冷却气流在气膜孔内旋转起来。当冷却气流进入高温气流时，在高温气流的横向推动下沿流向发生弯曲，这时，由气膜孔内泻出的通道涡7的旋向刚好与下游肾型涡8的旋向相反(如图2所示，图中只画出了这两个涡对的其中一只)。利用该现象就可以有效抑制肾型涡的发展，避免气膜被它过早地抬离壁面，增强气膜对壁面的贴附效果，增加沿流向的覆盖距离，有利于减少气膜孔排数，提高当地的冷却效率。

另一方面，由于通道涡的存在，冷却气流在出口处具有更大的展向速度，从而增加气膜在展向的扩展能力和覆盖宽度，填补孔与孔之间的空隙，避免高温的燃气直接接触叶片。该气膜孔弯曲的角度没有特殊的限制，主要依布置的位置和实际效果而定，弯曲的角度越大，则通道涡强度越大。该气膜孔结构经过实验和DES(Detached-Eddy Simulation，分离涡模拟)的验证，能在吹风比0.3＜M＜1.2的范围内能在强化气膜对壁面的帖服能力，抑制下游肾型涡的发展，并能有效提高气膜冷却效率和展向覆盖效果。

附图说明

图1为本发明的二维结构示意图；

图2为气膜孔出口通道涡与下游肾型涡相互作用的示意图；

图3为带普通直气膜孔的高压级叶片截面；

图4为采用本发明的高压级叶片截面。

图中标号：

1-高温气流；2-冷却气流；3-气膜孔进口；4-弯曲通道段；5-直通道段；6-气膜孔出口；7-气膜孔内泻出的通道涡；8-肾型涡；9-吸力面；10-压力面；11-前缘驻点；12-第一直通道气膜孔；13-第二直通道气膜孔；14-第三直通道气膜孔；15-第四直通道气膜孔；16-第一弯曲通道气膜孔；17-第二弯曲通道气膜孔；18-第三弯曲通道气膜孔；19-第四弯曲通道气膜孔；20-叶片内部的供气腔室。

具体实施方式

本发明提出了一种基于弯曲通道二次流的气膜孔，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。实施例中的气膜孔均不带展向复合角，但适用本发明的叶片类型，安装位置和角度，不受该实例限制。本例中的弯孔，可采取将构件置于磁场中，通过电子束加工的方式获得。

如图1所示，在气膜上设置若干气膜孔，该气膜孔包括弯曲通道段4和直通道段5两部分；其中，所述弯曲通道段4为圆弧，是由气膜孔进口3朝冷却气流的来流的方向做出弯曲而形成的，弯曲通道段4的圆心角B的范围为10°至90°，弯曲通道段4的轴线的曲率半径R大于或等于所处位置的壁厚；所述直通道段5与气膜表面之间形成的射流倾角A的范围为30°至120°；所述气膜孔的弯曲通道使冷却气流2产生二次流动，所形成的通道涡从气膜孔出口6流出后，在高温气流1的横向推动下发生弯曲，具有与肾型涡相反的旋向，提高冷却效率。

图3为一高压涡轮叶片的某二维截面，在其前缘，吸力面9和压力面10上共布置四个具有直通道的气膜孔，用来与本发明做对比。由于该叶型的前缘半径较小，同时，由于布置于吸力面9和压力面10的气膜孔位置非常接近前缘驻点11，冷却气流2由第一直通道气膜孔12和第二直通道气膜孔13不可避免地以一定的角度逆向射入主流。第三直通道气膜孔14和第四直通道气膜孔15分别为布置于吸力面9和压力面10上的普通斜孔，均具有60°的正向射流倾角。

为了提高气膜冷却效率，将本发明使用在该高压涡轮叶片上，如图4所示。叶片的前缘布置了曲率半径为15mm的第一弯曲通道气膜孔16和第二弯曲通道气膜孔17。为了评估实际冷却效果，并与原气膜孔做对比，第一弯曲通道气膜孔16和第二弯曲通道气膜孔17的开口位置和射流角度分别与第一直通道气膜孔12和第二直通道气膜孔13保持一致，转角分别为55°和60°左右，前缘处的最大壁厚为14mm左右。另一方面，由于气膜孔通道的弯曲，在前缘驻点11半径较小时，只能将吸力面9和压力面10上的第一弯曲通道气膜孔16和第二弯曲通道气膜孔17沿叶高方向做交替布置，避免气膜孔通道互相干扰。当冷却气流2经叶片内部的供气腔室20进入第一弯曲通道气膜孔16和第二弯曲通道气膜孔17时，在弯曲通道内产生二次流动，形成通道涡，从图2中和上文分析可知，在高温气流1的横向推动下，通道涡沿流动方向发生弯曲，对下游肾型涡8的发展形成有效的抑制，增强气膜在逆向射流条件下的贴附能力，提供更好的冷却效果。

第三弯曲通道气膜孔18和第四弯曲通道气膜孔19为将本设计布置于吸力面9和压力面10的实例，它们的曲率半径R均为15mm，转角均为30°左右且和第三直通道气膜孔14和第四直通道气膜孔15保持同样的射流角，为了便于布置气膜孔，吸力面上最大壁厚约为13mm，压力面则为10mm。经三维数值模拟验证发现，相比起原来的直气膜孔，该实例中的四个带弯曲通道气膜孔，均能在所有测试的吹风比下(0.42＜M＜1.1)有效降低叶片表面的热负荷，提高冷却效率，并且改善了气膜沿展向的覆盖效果，增加沿流向的覆盖距离。其中，前缘附近的改善效果最为明显。

Claims

1.基于弯曲通道二次流的气膜孔，其特征在于，该气膜孔包括弯曲通道段(4)和直通道段(5)两部分；其中，所述弯曲通道段(4)为圆弧，是由气膜孔进口(3)朝冷却气流的来流的方向做出弯曲而形成的，弯曲通道段(4)的圆心角B的范围为10°至90°，弯曲通道段(4)的轴线的曲率半径R大于或等于所处位置的壁厚；所述直通道段(5)与气膜表面之间形成的射流倾角A的范围为30°至120°；所述气膜孔的弯曲通道使冷却气流产生二次流动，所形成的通道涡离开气膜孔后，在高温气流的横向推动下发生弯曲，具有与肾型涡相反的旋向，提高冷却效率。

2.根据权利要求1所述的基于弯曲通道二次流的气膜孔，其特征在于，所述气膜孔位于叶片的前缘处、叶片的吸力面或压力面上。