CN103244196B - 一种离散气膜冷却孔型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离散气膜冷却孔型，涉及燃气轮机技术，将圆柱孔出口从被冷却表面下沉一深度，并带有起始于圆柱孔出口中心的扩张结构，扩张结构整体以圆柱孔中心线为对称轴左右对称，下沉深度H为圆柱孔径的0.2-0.5倍，扩张宽度W为圆柱孔径的3-4倍，扩张长度B为圆柱孔径的1.0-2.0倍。该孔型包括：1)基本形式；2)基本形式基础上，在圆柱孔出气边下游至扩张结构出气边之间内部有一扩张型凸台。本发明的优点：一、横向平均气膜冷却效率高；二、高吹风比时冷却效果好；三、气动损失小；四、容易实现。本发明用于燃气涡轮气膜冷却，适用于涡轮叶片压力面、吸力面、及端壁离散孔气膜冷却。

Description

一种离散气膜冷却孔型

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，是一种离散气膜冷却孔型，可以提高燃气涡轮叶片的气膜冷却效率和气膜覆盖率，减小气膜冷却的掺混损失，适用于采用离散孔气膜冷却的表面。

背景技术

离散孔气膜冷却是一种高效冷却技术，广泛应用于燃气轮机涡轮叶片以及端壁冷却。其基本原理是从压气机引入冷却空气至涡轮叶片，冷却气通过气膜孔流出并覆盖于叶片表面，从而达到隔绝热主流与金属叶片表面的目的，降低叶片表面温度。离散孔气膜冷却最基本的孔型是圆柱孔，圆柱孔具有加工简单、结构强度高的特点，因此在燃气涡轮叶片上的应用最为普遍。但圆柱孔的气膜冷却效率明显偏低，一方面是由于圆柱孔出口面积小，气膜覆盖宽度小，冷气出口动量大，高吹风比时冷气易吹离壁面；另一方面是由于冷气喷出时与主流剪切作用导致肾型涡的出现，使得冷气不容易贴附于壁面，远下游冷却效果较差。由于圆柱孔的气膜冷却效果不佳，近年来国内外陆续发展了一系列新的气膜冷却孔型以提高圆柱孔的气膜冷却效果，比如扩张型孔、缝型孔、双喷射孔、姐妹孔、沟槽孔等。上述孔型在气膜冷却效率方面都比圆柱孔有了大幅提高，其中扩张型孔已成功应用于实际涡轮叶片，扩张型孔不仅冷却效果远优于普通圆柱孔，同时比较容易加工实现。但大部分新出现的孔型不易加工或结构强度较差，难以在涡轮叶片上得到实际应用。

发明内容

本发明的目的是公开一种离散气膜冷却孔型，用以提高离散孔气膜冷却的冷却效果、增大气膜横向覆盖、减少气膜冷却掺混损失，同时该孔型还具有加工制造容易的特点，有利于在实际涡轮叶片上应用。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种离散气膜冷却孔型，用于燃气涡轮叶片或端壁气膜冷却，其以普通圆柱孔为基础，在圆柱孔出口处，从被冷却表面下沉一深度，该深度形成一个以圆柱孔出口为中心的扩张形出口结构。

所述的离散气膜冷却孔型，其所述扩张形出口结构，从普通圆柱孔出口横向中心线两端向下游延伸，以普通圆柱孔纵向中心线为对称轴左右对称，其中，下沉深度H与圆柱孔径D的比值H/D在0.2-0.5之间，扩张宽度W与孔径D的比值W/D在3.0-4.0之间，扩张长度B与孔径D的比值B/D在1.0-2.0之间，下沉结构出气边角度β在30-60°之间。

所述的离散气膜冷却孔型，其还包括一凸台；普通圆柱孔出气边下游至扩张形出口结构下游出气边之间，内部有一扩张型凸台，凸台以圆柱孔纵向中心线为对称轴左右对称，凸台前端与圆柱孔出气边的距离为λ，λ与孔径D的比值λ/D在0.2-0.5之间，凸台的宽度为F，F与孔径D的比值F/D在1.5-2.5之间。

所述的离散气膜冷却孔型，其所述普通圆柱孔的长度L与孔径D的比值L/D在3.0-7.0之间，圆柱孔喷射角α在30-60°之间。

所述的离散气膜冷却孔型，其在使用时，多个离散气膜冷却孔型相互之间，横向的孔间距为P，P与孔径D的比值P/D应大于5。

本发明的新型气膜冷却孔型，基本形式是在普通圆柱孔的基础上，采用下沉和扩张处理，下沉结构可以减小冷气出口动量，削弱冷气与主流的剪切作用，扩张结构可以提高冷气横向覆盖率，提高冷气对于壁面的贴附能力。演化形式是在圆柱孔出气边下游增加一个内部扩张型凸台结构，进一步强化圆柱孔出口冷气的横向扩散能力，增加冷气的横向动量，同时改变圆柱孔下游固有的肾形涡结构，形成反向肾形涡，从而进一步提高整个下游的气膜覆盖率及横向平均气膜冷却效率。

本发明的一种离散气膜冷却孔型，有别于目前已知的气膜冷却孔型，该孔型优点如下：一是气膜横向覆盖宽，横向平均气膜冷却效率高；二是冷气出口动量低，冷气不易吹离壁面，高吹风比时冷却效果好；三是主流剪切作用小，气动损失很小；四是容易实现，实际应用时不需要特殊加工，只需在圆柱孔喷涂隔热涂层前对圆柱孔进行预先覆盖即可。

附图说明

图1a-1为现有的普通圆柱形气膜冷却孔结构俯视图；

图1a-2为现有的普通圆柱形气膜冷却孔结构剖面图；

图1b-1为本发明的一种离散气膜冷却孔型基本形式的俯视图；

图1b-2为本发明的一种离散气膜冷却孔型基本形式的剖面图；

图1c-1为本发明的一种离散气膜冷却孔型演化形式的俯视图；

图1c-2为本发明的一种离散气膜冷却孔型演化形式的剖面图；

图2a为本发明的一种离散气膜冷却孔型间距布置示意图；

图2b为本发明的一种离散气膜冷却孔型基本形式使用时示意图；

图3a为本发明的一种离散气膜冷却孔型实现原理图的第一步；

图3b为本发明的一种离散气膜冷却孔型实现原理图的第二步；

图3c为本发明的一种离散气膜冷却孔型实现原理图的第三步；

图4a-1为现有的横向扩张型孔典型几何尺寸孔型示意图；

图4a-2为为现有的横向扩张型孔型典型几何尺寸剖面示意图；

图4b-1为本发明的一种离散气膜冷却孔型基本形式的典型几何尺寸孔型示意图；

图4b-2为本发明的一种离散气膜冷却孔型基本形式的典型几何尺寸剖面示意图；

图4c-1为本发明的一种离散气膜冷却孔型演化形式的典型几何尺寸孔型示意图；

图4c-2为本发明的一种离散气膜冷却孔型演化形式的典型几何尺寸剖面示意图；

图5a为现有的横向扩张型孔和本发明的一种离散气膜冷却孔型横向平均冷却效率对比图的吹风比M＝1.0；

图5b为现有的横向扩张型孔和本发明的一种离散气膜冷却孔型横向平均冷却效率对比图的吹风比M＝1.5；

图5c为现有的横向扩张型孔和本发明的一种离散气膜冷却孔型横向平均冷却效率对比图的吹风比M＝2.0；

图5d为现有的横向扩张型孔和本发明的一种离散气膜冷却孔型横向平均冷却效率对比图的吹风比M＝2.5；

图6为现有的横向扩张型孔和本发明的一种离散气膜冷却孔型下游x/D＝15处横向冷却效率对比图；

图7a为现有的横向扩张型孔和本发明的一种离散气膜冷却孔型下游各截面气膜冷却效率等值线对比图；

图7b为本发明的一种离散气膜冷却孔型的基本形式；

图7c为本发明的一种离散气膜冷却孔型的演化形式；

图8为现有的横向扩张型孔和本发明的一种离散气膜冷却孔型下游各截面总损失对比图。

具体实施方式

图1a-1、图1a-2为原始的普通圆柱孔结构，普通圆柱孔长度、直径、喷射角分别用L、D、α表示。坐标X、Y、Z分别代表流向、横向和径向。图1b-1为本发明的一种离散气膜冷却孔型的基本形式，是对图1a-1普通圆柱孔出口进行的下沉和扩张处理，孔型的下沉深度、扩张长度、扩张宽度分别用H、B、W表示，下沉结构出气边角度用β表示。图1c-1为本发明的一种离散气膜冷却孔型的演化形式，是在基本形式基础上，在圆柱孔出气边下游至扩张结构出气边之间增加一个内部扩张型凸台结构，凸台前端与圆柱孔出气边的距离用λ表示，凸台的扩张宽度用F表示。

下沉深度H：下沉结构是本发明一种离散气膜冷却孔型的重要特征，下沉结构可以减小主流对冷气喷射的剪切作用，配合扩张结构降低冷气出口动量，下沉深度H的大小取决于被冷却表面将要喷涂隔热涂层的厚度，通常下沉深度H与圆柱孔径D的比值H/D在0.2-0.5之间。

扩张宽度W：扩张宽度W的大小决定了气膜的横向宽度，但由于圆柱孔喷射冷气的横向动量不足，因此冷气在离开扩张结构出气边后将主要集中在孔中心线附近。宽度太大将使冷气横向分布不均，但宽度太小则冷气横向覆盖较差。总体上扩张宽度W和圆柱孔径D的比值W/D在3.0-4.0之间较为合适。由于新孔型出气边扩张宽度较大，因此新孔型适用于较大孔间距条件。图2a为本发明的一种离散气膜冷却孔型孔间距布置图，新孔型的孔间距P与孔径D的比值P/D应大于5。图2b为本发明的一种离散气膜冷却孔型基本形式使用时示意图，标出了各参数字母。

扩张长度B：扩张长度B的大小影响圆柱孔冷气在下沉深度内的运动，与扩张宽度W是关联的。在扩张宽度W一定时，扩张长度B太小则下沉结构的扩张度大，冷气的扩张会产生局部分离，不利于冷气向下游流动，扩张长度B太大则影响结构强度，同时可实现性变差。扩张长度B与圆柱孔径D的比值B/D在1.0-2.0之间比较合理。

下沉结构出气边角度β：出气边角度β的大小主要考虑冷气由下沉结构转移至被冷却表面时的流线过渡。如果β过大，比如β＝90°(出气边垂直)，则冷气流动损失必然增大，冷却效果也将显著降低。如果β过小，则加工会有困难。合理的β值范围应在30-60°之间。

内部扩张型凸台前端与圆柱孔出气边的距离λ：设置扩张型凸台的目的是进一步强化冷气的横向扩散能力。在没有内部凸台时，冷气横向扩散仅依靠下沉的扩张结构实现，但扩张结构对改变圆柱孔固有冷气流动方向的作用有限，横向扩散能力不足。增加内部扩张型凸台后，从圆柱孔喷出的冷气一部分将被强制横向扩散，另一部份则经由凸台上部向下游流动，冷气的横向分布更均匀，有利于提高横向平均气膜冷却效率。距离λ的大小决定了冷气与凸台的干涉强度，也间接决定了强制向两侧流动的冷气数量的多少。λ较小时，冷气向两侧的分配作用较强，λ较大时冷气更容易集中于中心线附近。λ的选取与圆柱孔吹风比M、喷射角α、和下沉深度H均有关，吹风比较大时易选取较小的λ，吹风比较小时易选取较大的λ。总体上，λ在0.2-0.5之间较合适。

内部扩张型凸台宽度F：这一参数与λ的作用相似，也是决定圆柱孔冷气横向分配的参数。同时，参数F与参数λ是关联的。单独来看，较大的F虽有利于冷气横向扩散，但受总的扩张宽度W限制，反而不利于两侧冷气量的增加。较小的F则导致两侧冷气横向动量的不足，也不利于横向平均冷却效率的提高。综合而言，F值在1.5-2.5之间较合理。

圆柱孔长径比L/D：由于一种离散气膜冷却孔型是基于普通圆柱孔进行了下沉处理，客观上减小了圆柱孔本身的长径比L/D。对于本身L/D较小的圆柱孔，下沉处理后将对冷气的孔内流动有一定影响，故圆柱孔的L/D应至少大于3.0。

圆柱孔喷射角α：一种离散气膜冷却孔型的扩张结构主要基于较小的冷气喷射角α实现，α较小时扩张效果较好，但α太小会导致加工困难。α较大时扩张结构和内部扩张型凸台的作用将下降。考虑到可实现性，α应在30-60°度范围。

图3a、图3b、图3c为本发明的一种离散气膜冷却孔型实现原理图。通常实际涡轮叶片在加工完气膜孔后要喷涂表面隔热涂层，新孔型的下沉深度H考虑了隔热涂层厚度因素。一种离散气膜冷却孔型的实际实现过程分为三个步骤。步骤1：如图3a所示，将新孔型的下沉和扩张结构以及与普通圆柱孔相连的局部组合成一个模块，使得组合体可以垂直插入到圆柱孔内；步骤2：在喷涂隔热涂层前将步骤1组合体插入到已加工好的圆柱孔内，将圆柱孔出口封堵，如图3b所示；步骤3：在已经封堵的金属表面喷涂隔热涂层，喷涂完毕后将组合体垂直拉出，如图3c所示。经过上述步骤后，新孔型的构造完成。

图4a-1、图4a-2为现有的横向扩张型孔的典型几何尺寸，图4b-1、图4b-2为基本形式新孔型的典型几何尺寸，图4c-1、图4c-2为演化形式新孔型的典型几何尺寸。现有的横向扩张型孔和本发明的一种离散气膜冷却孔型具有相同的孔径和基本相同的出气边宽度，新孔型的出气边宽度3.5D稍大于横向扩张型孔的3.125D，但横向扩张型孔在被冷却表面的出口面积要大于新孔型。

图5a、图5b、图5c、图5d为图4a-1、图4a-2、图4b-1、图4b-2、图4c-1、图4c-2中三种孔型的横向平均冷却效率对比。其中，图5a、图5b、图5c、图5d分别代表吹风比M＝1.0、M＝1.5、M＝2.0、M＝2.5情况。对比结果是在密度比DR＝2.0和节距比P/D＝5条件下通过数值模拟获得。不难看出，基本形式新孔型的横向平均冷却效率在吹风比M＝1.0，1.5，2.0三种条件下稍低于扩张孔，但在M＝2.5时远下游则明显优于扩张孔，说明下沉扩张结构更适合高吹风比条件。而演化形式新孔型的横向平均冷却效率在任何吹风比下均优于扩张型孔，且吹风比越高优势越明显，说明增加内部扩张型凸台结构更加有利于提高横向平均气膜冷却效率。

图6为图4a-1、图4a-2、图4b-1、图4b-2、图4c-1、图4c-2中现有的横向扩张型孔和本发明的新孔型下游x/D＝15处横向冷却效率分布对比。对比结果是在密度比DR＝2.0、节距比P/D＝5、吹风比M＝2.0条件下通过数值模拟获得。对比发现，基本形式的新孔型中心线附近的冷却效率较高，而横向靠近两端的冷却效率较低，说明仅有下沉结构和扩张结构时冷气横向扩散能力不强。而演化形式的新孔型由于增加了内部扩张型凸台结构，冷气横向扩散能力明显增强，这也是演化形式横向平均冷却效率较高的原因所在。

图7a、图7b、图7c为4a-1、图4a-2、图4b-1、图4b-2、图4c-1、图4c-2中现有的横向扩张型孔和本发明的新孔型下游各截面气膜冷却效率等值线对比。其中，图7a、图7b、图7c分别代表现有的横向扩张型孔、本发明新孔型的基本形式、本发明新孔型的演化形式。对比结果是在密度比DR＝2.0、节距比P/D＝5、吹风比M＝2.0条件下通过数值模拟获得。可以看出，现有的横向扩张型孔下游的高气膜冷却效率区域位于孔中心线两侧，同时气膜喷射高度较高，如图7a所示。新孔型基本形式的下游高气膜冷却效率区域位于孔中心线附近，同时气膜喷射高度低于扩张型孔，如图7b所示。演化形式新孔型的下游高气膜冷却效率区域同样位于孔中心线附近，与基本形式新孔型类似，但气膜喷射高度更低，而且两侧的气膜冷却效率更高，如图7c所示。这说明，内部扩张型凸台横向扩张冷气的作用非常明显。

图8为图4中现有的横向扩张型孔和本发明的新孔型下游各截面总损失对比。对比结果是在密度比DR＝2.0、节距孔径比P/D＝5、吹风比M＝2.0条件下通过数值模拟获得。新孔型对于减少冷气掺混损失的作用非常明显，无论是基本形式还是演化形式，气膜冷却掺混损失均远低于扩张型孔。这主要是因为新孔型的下沉和扩张结构明显降低了冷气出口的喷射动量，降低了冷气喷射高度，从而降低了主流剪切作用，冷气的掺混损失显著下降。

Claims (4)

1.一种离散气膜冷却孔型，用于燃气涡轮叶片或端壁气膜冷却，其特征在于：以普通圆柱孔为基础，在圆柱孔出口处，从被冷却表面下沉一深度，该深度形成一个以圆柱孔出口为中心的扩张形出口结构；

该离散气膜冷却孔型还包括一凸台；普通圆柱孔出气边下游至扩张形出口结构下游出气边之间，内部有一扩张型凸台，凸台以圆柱孔纵向中心线为对称轴左右对称，凸台前端与圆柱孔出气边的距离为λ，λ与孔径D的比值λ/D在0.2-0.5之间，凸台的宽度为F，F与孔径D的比值F/D在1.5-2.5之间。

2.如权利要求1所述的离散气膜冷却孔型，其特征在于：所述扩张形出口结构，从普通圆柱孔出口横向中心线两端向下游延伸，以普通圆柱孔纵向中心线为对称轴左右对称，其中，下沉深度H与圆柱孔径D的比值H/D在0.2-0.5之间，扩张宽度W与孔径D的比值W/D在3.0-4.0之间，扩张长度B与孔径D的比值B/D在1.0-2.0之间，下沉结构出气边角度β在30-60°之间。

3.如权利要求1所述的离散气膜冷却孔型，其特征在于：所述普通圆柱孔的长度L与孔径D的比值L/D在3.0-7.0之间，圆柱孔喷射角α在30-60°之间。

4.如权利要求1所述的离散气膜冷却孔型，其特征在于：在使用时，多个离散气膜冷却孔型相互之间，横向的孔间距为P，P与孔径D的比值P/D大于5。