CN104879171B - 一种用于涡轮叶片的y型气膜孔结构 - Google Patents
一种用于涡轮叶片的y型气膜孔结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于涡轮叶片的Y型气膜孔结构，采用在燃气轮机涡轮叶片的压力面上和吸力面上分别设置有压力面Y型气膜孔和吸力面Y型气膜孔，压力面Y型气膜孔和吸力面Y型气膜孔的两端分形成气流的出口和入口,且与内冷却通道相通。Y型气膜孔结构的展向倾斜圆柱孔出口被扩大成为沿展向倾斜圆柱扩张部分和沿流动方向圆柱扩张部分，在科恩达效应作用下部分冷气贴着扩张处流出，在气膜孔下游形成较宽的展向气膜覆盖；同时，出口扩张降低了出口冷气的垂直速度分量，降低了冷气与主流的掺混作用并使得冷气在主流的作用下更好地贴附壁面，沿流动方向冷却效率下降缓慢。Y型气膜孔结构具有冷却效果好、加工成型工艺简单、成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机涡轮叶片技术领域，具体地说，涉及一种用于涡轮叶片的Y型气膜孔结构。
技术背景
气膜冷却是应用在燃气轮机叶片上的冷却技术，即从压气机末级抽取高压冷气输运到叶片内部通道，冷气在通道内强化对流换热将一部分热量带走，同时一部分冷气从叶片壁上的气膜孔喷出，冷气在主流和流体科恩达效应的作用下向下游弯曲，粘附在壁面附近，在叶片表面附近形成温度较低的冷气膜，将壁面同高温燃气隔离，并带走部分高温燃气或明亮火焰对壁面的辐射热量，从而起到良好的保护作用，以达到叶片不被高温燃气烧坏的目的。
目前，涡轮叶片上主要采用圆柱孔型，但是圆柱孔型的射流比较集中，形成的气膜不能很好地覆盖所有展向区域，而且大吹风比下圆柱孔型射流容易冲出壁面不能形成有效的气膜覆盖。为了满足日益提高的现代高效、大功率燃气轮机性能要求，其燃气温度不断升高，必须采用更高效的冷却技术，因而在气膜冷却技术中采用圆柱型孔的不足就显得越来越突出。
二十世纪70年代，国外学者首次发现在圆柱孔型的出口进行扩张设计能增强气膜冷却效率，且随吹风比增大扩张孔型冷却效率降低相对较小，这是因为，一方面出口扩张降低了气膜孔出口射流垂直方向动量分量，使得射流更不容易喷射渗透进入主流，另一方面气流流过扩张处时出现科恩达效应，使得气流在拐角处能附于表面。从此之后，异型孔气膜冷却特性研究成为了气膜冷却技术研究的一个重要分支。很多不同形状的异型孔型逐渐被提出并细致分析。但是许多异型孔型加工难度较大、成本相对较高。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足,克服现有技术中异型孔加工困难、成本偏高的问题，本发明提出一种用于涡轮叶片的Y型气膜孔结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括压力面Y型气膜孔、吸力面Y型气膜孔、内冷却通道、展向倾斜圆柱孔、展向倾斜圆柱扩张部分、流动方向圆柱扩张部分，在涡轮叶片的压力面上设有压力面Y型气膜孔，在吸力面上设有吸力面Y型气膜孔，压力面Y型气膜孔和吸力面Y型气膜孔的两端分别形成气流的出口和入口,且与内冷却通道相通,其特征在于，在展向倾斜圆柱孔出口被扩大成为沿展向倾斜圆柱扩张部分和沿流动方向圆柱扩张部分，展向倾斜圆柱孔同时具有流向倾角α和展向倾角β，圆柱孔直径为D；
所述展向倾斜圆柱扩张部分直径为da，同时具有流向倾斜和展向倾斜角度；展向倾斜圆柱扩张部分的展向倾斜角度与展向倾斜圆柱孔的相同，为β；展向倾斜圆柱扩张部分的流向倾斜角度为α-γa，相对于展向倾斜圆柱孔，展向倾斜圆柱扩张部分向前倾斜角度为γa；在展向倾斜圆柱孔的出口截面上，展向倾斜圆柱扩张部分的中心位于展向倾斜圆柱孔的出口外轮廓与展向倾斜圆柱扩张部分中心线的交点A处；
所述流动方向圆柱扩张部分直径为db，具有流向倾斜角度；流动方向圆柱扩张部分的流向倾斜角度为α-γb，相对于展向倾斜圆柱孔，流动方向圆柱扩张部分向前倾斜角度为γb；在展向倾斜圆柱孔的出口截面上，流动方向圆柱扩张部分的中心位于与X轴相距L的直线与展向倾斜圆柱孔出口外轮廓的交点B处。
所述展向倾斜圆柱孔的流向倾角α为30～90°，展向倾角β为30～60°，展向倾斜圆柱孔直径D为0.3～2mm。
所述展向倾斜圆柱扩张部分向前倾斜角度γa为5～20°。
所述流动方向圆柱扩张部分向前倾斜角度γb为5～20°。
有益效果
本发明提出的一种用于涡轮叶片的Y型气膜孔结构，采用在燃气轮机涡轮叶片的压力面上和吸力面上分别设置有压力面Y型气膜孔和吸力面Y型气膜孔，压力面Y型气膜孔和吸力面Y型气膜孔的两端分别形成气流的出口和入口,且与内冷却通道相通。Y型气膜孔结构的展向倾斜圆柱孔出口被扩大成为沿展向倾斜圆柱扩张部分和沿流动方向圆柱扩张部分，在科恩达效应作用下部分冷气贴着扩张处流出，在气膜孔下游形成较宽的展向气膜覆盖；同时，出口扩张降低了出口冷气的垂直速度分量，降低了冷气与主流的掺混作用并使得冷气在主流的作用下更好地贴附壁面，沿流动方向冷却效率下降缓慢。Y型气膜孔结构具有冷却效果好、加工成型工艺简单、成本低的特点。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种用于涡轮叶片的Y型气膜孔结构作进一步的详细说明。
图1为本发明涡轮叶片的Y型气膜孔所在位置示意图。
图2为本发明涡轮叶片的Y型气膜孔结构示意图。
图3为本发明涡轮叶片的Y型气膜孔结构主视图。
图4为本发明涡轮叶片的Y型气膜孔结构俯视图。
图中:
1.压力面Y型气膜孔 2.吸力面Y型气膜孔 3.内冷却通道4.展向倾斜圆柱孔 5.展向倾斜圆柱扩张部分 6.流动方向圆柱扩张部分
具体实施方式
本实施例是一种用于涡轮叶片的Y型气膜孔结构。
参阅图1～图4，本实施例涡轮叶片的Y型气膜孔结构，在涡轮叶片的压力面上设置压力面Y型气膜孔1，在涡轮叶片的吸力面上设置吸力面Y型气膜孔2；压力面Y型气膜孔1和吸力面Y型气膜孔2的两端分别形成了气流的出口和入口,且与内冷却通道3相通。Y型气膜孔结构的展向倾斜圆柱孔4出口被扩大成为沿展向倾斜圆柱扩张部分5和沿流动方向圆柱扩张部分6，展向倾斜圆柱孔4同时具有流向倾角α和展向倾角β，圆柱孔直径为D。展向倾斜圆柱扩张部分5的直径为da，同时具有流向倾斜和展向倾斜角度；展向倾斜圆柱扩张部分5的展向倾斜角度与展向倾斜圆柱孔的相同，为β；展向倾斜圆柱扩张部分5的流向倾斜角度为α-γa，相对于展向倾斜圆柱孔4而言，展向倾斜圆柱扩张部分5向前倾斜角度为γa。在展向倾斜圆柱孔的出口截面上，展向倾斜圆柱扩张部分的中心位于展向倾斜圆柱孔的出口外轮廓与展向倾斜圆柱扩张部分中心线的交点A处。流动方向圆柱扩张部分6位于展向倾斜圆柱孔4出口的一侧，流动方向圆柱扩张部分6的直径为db，仅具有流向倾斜角度；流动方向圆柱扩张部分6的流向倾斜角度为α-γb，相对于展向倾斜圆柱孔4而言，流动方向圆柱扩张部分6向前倾斜角度为γb；在展向倾斜圆柱孔的出口截面上，流动方向圆柱扩张部分6的中心位于与X轴相距L的直线与展向倾斜圆柱孔出口外轮廓的交点B处。
Y型气膜孔结构出口沿展向倾斜圆柱扩张部分5和沿流动方向圆柱扩张部分6，在科恩达效应作用下部分冷气贴着扩张处流出，在气膜孔下游形成较宽的展向气膜覆盖；同时，出口扩张降低了出口冷气的垂直速度分量，降低了冷气与主流的掺混作用并使得冷气在主流的作用下更好地贴附壁面，沿流动方向冷却效率下降缓慢。Y型气膜孔结构下游气膜冷却效率相比圆柱孔型有较大提高。Y型气膜孔可通过三次使用不同型号的钻头直接加工而成。
Y型气膜孔结构要求:
1.展向倾斜圆柱孔的流向倾角α取值范围为30～90°，展向倾角β取值范围为30～60°，展向倾斜圆柱孔4的直径D取值范围为0.3～2mm；
2.展向倾斜圆柱扩张部分直径da/D的取值范围为0.9～1.1，展向倾角β与展向倾斜圆柱孔的相同，前倾角γa的取值范围为5～20°；
3.流动方向圆柱扩张部分中心与X轴的偏置距离L/D取值范围为1/(6cosβ)-1/(3cosβ)，流动方向圆柱扩张部分的直径db/D的取值范围为1/(3cosβ)-1/cosβ，前倾角γb的取值范围为5～20°。
实施例一
本实施例是某型涡轮工作叶片上的Y型气膜孔结构。在涡轮叶片的压力面布置压力面Y型气膜孔1，吸力面布置吸力面Y型气膜孔2，由内冷却通道3供气；展向倾斜圆柱孔4的出口被扩大成为沿展向倾斜圆柱扩张部分5和沿流动方向圆柱扩张部分6，展向倾斜圆柱孔4同时具有的流向倾角α为30°和展向倾角β为30°,展向倾斜圆柱孔4直径D为2mm。展向倾斜圆柱扩张部分5与展向倾斜圆柱孔4的直径比da/D为0.9，展向倾斜圆柱扩张部分5与展向倾斜圆柱孔4具有相同的展向倾斜角度，展向倾斜圆柱扩张部分5的流向倾斜角度α-γa为25°，展向倾斜圆柱扩张部分5的中心位于展向倾斜圆柱孔4的出口外轮廓与展向倾斜圆柱扩张部分中心线的交点A处。流动方向圆柱扩张部分6位于展向倾斜圆柱孔4出口的一侧，流动方向圆柱扩张部分6与展向倾斜圆柱孔4的直径比db/D为0.385，流动方向圆柱扩张部分6流向倾斜角度α-γb为25°。以展向倾斜圆柱孔的出口中心为原点，流向为X轴，展向为Y轴，流动方向圆柱扩张部分6的中心与X轴的偏置距离L为0.7mm，流动方向圆柱扩张部分6的中心位于与X轴相距L的直线与展向倾斜圆柱孔出口外轮廓的交点B处。
实施例二
本实施例是某型涡轮工作叶片上的Y型气膜孔结构。在涡轮叶片的压力面布置压力面Y型气膜孔1，吸力面布置吸力面Y型气膜孔2，由内冷却通道3供气；展向倾斜圆柱孔4的出口被扩大成为沿展向倾斜圆柱扩张部分5和沿流动方向圆柱扩张部分6，展向倾斜圆柱孔4同时具有的流向倾角α为60°和展向倾角β为45°,展向倾斜圆柱孔4直径D为1mm。展向倾斜圆柱扩张部分5与展向倾斜圆柱孔4的直径比da/D为1.0，展向倾斜圆柱扩张部分5与展向倾斜圆柱孔4具有相同的展向倾斜角度，展向倾斜圆柱扩张部分5的流向倾斜角度α-γa为50°，展向倾斜圆柱扩张部分5的中心位于展向倾斜圆柱孔4的出口外轮廓与展向倾斜圆柱扩张部分中心线的交点A处。流动方向圆柱扩张部分6位于展向倾斜圆柱孔4出口的一侧，流动方向圆柱扩张部分6与展向倾斜圆柱孔4的直径比db/D为0.5，流动方向圆柱扩张部分流向倾斜角度α-γb为45°。以展向倾斜圆柱孔4的出口中心为原点，流向为X轴，展向为Y轴，流动方向圆柱扩张部分6的中心与X轴的偏置距离L为0.45mm，流动方向圆柱扩张部分6的中心位于与X轴相距L的直线与展向倾斜圆柱孔4出口外轮廓的交点B处。
实施例三
本实施例是某型涡轮工作叶片上的Y型气膜孔结构。在涡轮叶片的压力面布置压力面Y型气膜孔1，吸力面布置吸力面Y型气膜孔2，由内冷却通道3供气；展向倾斜圆柱孔4的出口被扩大成为沿展向倾斜圆柱扩张部分5和沿流动方向圆柱扩张部分6，展向倾斜圆柱孔4同时具有的流向倾角α为90°和展向倾角β为60°,展向倾斜圆柱孔4直径D为0.3mm。展向倾斜圆柱扩张部分5与展向倾斜圆柱孔4的直径比da/D为1.1，展向倾斜圆柱扩张部分5与展向倾斜圆柱孔4具有相同的展向倾斜角度，展向倾斜圆柱扩张部分5的流向倾斜角度α-γa为70°，展向倾斜圆柱扩张部分5的中心位于展向倾斜圆柱孔4的出口外轮廓与展向倾斜圆柱扩张部分中心线的交点A处。流动方向圆柱扩张部分6位于展向倾斜圆柱孔4出口的一侧，流动方向圆柱扩张部分6与展向倾斜圆柱孔4的直径比db/D为1，流动方向圆柱扩张部分6流向倾斜角度α-γb为70°。以展向倾斜圆柱孔的出口中心为原点，流向为X轴，展向为Y轴，流动方向圆柱扩张部分6的中心与X轴的偏置距离L为0.2mm，流动方向圆柱扩张部分6的中心位于与X轴相距L的直线与展向倾斜圆柱孔4出口外轮廓的交点B处。
Claims (4)
1.一种用于涡轮叶片的Y型气膜孔结构，包括压力面Y型气膜孔、吸力面Y型气膜孔、内冷却通道、展向倾斜圆柱孔、展向倾斜圆柱扩张部分、流动方向圆柱扩张部分，在涡轮叶片的压力面上设有压力面Y型气膜孔，在吸力面上设有吸力面Y型气膜孔，压力面Y型气膜孔和吸力面Y型气膜孔的两端分别形成气流的出口和入口,且与内冷却通道相通,其特征在于:在展向倾斜圆柱孔出口被扩大成为沿展向倾斜圆柱扩张部分和沿流动方向圆柱扩张部分，展向倾斜圆柱孔同时具有流向倾角α和展向倾角β，圆柱孔直径为D；
所述展向倾斜圆柱扩张部分直径为da，同时具有流向倾斜和展向倾斜角度；展向倾斜圆柱扩张部分的展向倾斜角度与展向倾斜圆柱孔的相同，为β；展向倾斜圆柱扩张部分的流向倾斜角度为α-γa，相对于展向倾斜圆柱孔，展向倾斜圆柱扩张部分向前倾斜角度为γa；在展向倾斜圆柱孔的出口截面上，展向倾斜圆柱扩张部分的中心位于展向倾斜圆柱孔的出口外轮廓与展向倾斜圆柱扩张部分中心线的交点A处；
所述流动方向圆柱扩张部分直径为db，具有流向倾斜角度；流动方向圆柱扩张部分的流向倾斜角度为α-γb，相对于展向倾斜圆柱孔，流动方向圆柱扩张部分向前倾斜角度为γb；在展向倾斜圆柱孔的出口截面上，流动方向圆柱扩张部分的中心位于与X轴相距L的直线与展向倾斜圆柱孔出口外轮廓的交点B处。
2.根据权利要求1所述涡轮叶片的Y型气膜孔结构，其特征在于:所述展向倾斜圆柱孔的流向倾角α为30～90°，展向倾角β为30～60°，展向倾斜圆柱孔直径D为0.3～2mm。
3.根据权利要求1所述涡轮叶片的Y型气膜孔结构，其特征在于:所述展向倾斜圆柱扩张部分向前倾斜角度γa为5～20°。
4.根据权利要求1所述涡轮叶片的Y型气膜孔结构，其特征在于:所述流动方向圆柱扩张部分向前倾斜角度γb为5～20°。
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