CN104895620B - 一种用于气膜冷却的箭头型双孔单元结构 - Google Patents

一种用于气膜冷却的箭头型双孔单元结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于气膜冷却的箭头型双孔单元结构，采用在燃气轮机涡轮叶片的压力面和吸力面上分别设置箭头型气膜冷却孔，两个箭头方向相反的箭头型气膜冷却孔构成一个单元，箭头型气膜孔的截面形状由气膜孔入口等截面变化为气膜孔出口。燃气轮机涡轮叶片上的箭头型气膜孔的中心线与叶片表面之间的夹角为25～60°；箭头型气膜孔出口顶角为60～120°；箭头形气膜孔出口底角为15～30°，改善了气膜冷却效果。由于箭头型气膜孔为等截面孔型，且孔型侧壁面均为平面，利用传统的机械加工工艺一次性加工成型，操作工艺简单，成本低；而且箭头型双孔单元结构使得喷出的冷气可覆盖整个展向区域，具有冷却效果好的特点。

Description

一种用于气膜冷却的箭头型双孔单元结构
技术领域
本发明属于燃气轮机涡轮叶片技术领域，具体地说，涉及一种用于气膜冷却的箭头型双孔单元结构。
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，这股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，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是圆柱型孔，但是冷气从圆柱型孔喷入高温燃气后形成的气膜不连续，隔热效果有限。现代高效、大功率燃气轮机要求更高的燃气温度，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。牛津大学在2000年提出了一种收缩缝型气膜孔，当冷气从内部冷气通道流入气膜孔后，由于孔截面形状的变化，冷气逐渐向两侧扩展，厚度也逐渐减薄，使得冷气从缝形出口喷出后易于贴附在叶片壁面上，而且由于这种孔型组成的孔排易形成连续的气膜，从而取得好于圆柱形孔孔排的隔热效果。但是该种截面渐变孔型的侧壁面加工困难、成本高，而且当这种收缩缝型气膜孔的展向扩张角较小时，冷气喷出后的展向速度较小，易造成气膜展向覆盖范围的不连续。
发明内容
为避免现有技术中收缩缝型气膜孔加工困难、成本高的不足，克服收缩缝型气膜孔的展向扩张角较小时，冷气在展向的覆盖范围偏小的问题，本发明提出一种用于气膜冷却的箭头型双孔单元结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括涡轮叶片内冷通道、压力面箭头型气膜孔、吸力面箭头型气膜孔，气膜冷却孔对称设置在涡轮叶片两侧面上,其特点是，两个箭头方向相反的箭头型气膜冷却孔构成一个单元；压力面箭头型气膜孔与吸力面箭头型气膜孔形状相同，且与涡轮叶片内冷通道相连通，箭头型气膜孔的中心线与涡轮叶片表面之间夹角α为25～60°；箭头型气膜孔出口顶角β1为60～120°；箭头型气膜孔出口底角β2为15～30°；单元结构中两个箭头型气膜孔出口相邻顶点间距离P与孔出口侧边长l之比为sin(β1/2)；入口截面尺寸与出口截面尺寸相同。
气膜孔的截面形状由箭头型气膜孔入口至箭头型气膜孔出口均为等截面，箭头型气膜冷却孔的侧壁面均为平面。
本发明气膜冷却的箭头型双孔单元结构中，对于单元结构中的正向箭头型气膜孔，箭头形入口的四个顶点:a1,a2,a3,a4对应箭头形出口的四个顶点:b1，b2,b3,b4，对应点直线相连。孔的侧壁面，包括面a1-a2-b2-b1-a1、面a1-a4-b4-b1-a1、面a2-a3-b3-b2-a2、面a3-a4-b4-b3-a3，均为平面，各平面只需平滑的由入口过渡到出口即可。气膜孔出口处边b1-b2与边b1-b4等距；孔出口处边b3-b2与边b3-b4等距，长为l；气膜孔出口的顶角，即边b3-b4与边b3-b2所夹角为β1；气膜孔出口的两个底角，即b2-b1边与b2-b3边所夹角和b4-b1边与b4-b3边所夹角相等，为β2。
对于单元结构中的反向箭头型气膜孔，箭头形入口的四个顶点:a1’,a2’,a3’,a4’对应箭头形出口的四个顶点:b1’,b2’,b3’,b4’，对应点直线相连。孔的侧壁面，包括面a1’-a2’-b2’-b1’-a1’、面a1’-a4’-b4’-b1’-a1’、面a2’-a3’-b3’-b2’-a2’、面a3’-a4’-b4’-b3’-a3’，均为平面，各平面只需平滑的由入口过渡到出口即可。气膜孔出口处边b1’-b2’与边b1’-b4’等距；孔出口处边b3’-b2’与边b3’-b4’等距，长为l；气膜孔出口的顶角，即边b3’-b4’与边b3’-b2’所夹角为β1；气膜孔出口的两个底角，即b2’-b1’边与b2’-b3’边所夹角和b4’-b1’边与b4’-b3’边所夹角相等，为β2。
单元结构中的两个箭头型气膜孔出口的相邻边:边b3-b2与边b2’-b3’平行；相邻顶点:b2点与b3’点间距离和b3点与b2’点间距离相等，为P。
箭头型气膜孔结构要求:
箭头型气膜孔出口顶角β1的取值范围为60～120°；箭头型气膜孔出口底角β2的取值范围为15～30°；两个箭头型气膜孔出口相邻顶点之间距离P为lsin(β1/2)；出口面积与入口面积之比为1；出口截面尺寸与入口截面尺寸相同。
有益效果
本发明提出的一种用于气膜冷却的箭头型双孔单元结构，采用在燃气轮机涡轮叶片的压力面和吸力面上分别设置箭头型气膜冷却孔，两个箭头方向相反的箭头型气膜冷却孔构成一个单元，箭头型气膜孔的截面形状由箭头型气膜孔入口等截面变化为箭头型气膜孔出口。燃气轮机涡轮叶片上的箭头型气膜孔的中心线与叶片表面之间的夹角为25～60°；气膜孔箭头型出口顶角β1的范围为60～120°；气膜孔箭头型出口底角β2的范围为15～30°，改善了气膜冷却效果。
本发明与现有技术相比，由于箭头型气膜孔为等截面孔型，且气膜孔型侧壁面均为平面，利用传统的机械加工工艺一次性加工成型，操作工艺简单，成本低；而且箭头型双孔单元结构使得喷出的冷气可覆盖整个展向区域、无死区，具有冷却效果好的特点。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种用于气膜冷却的箭头型双孔单元结构作进一步详细说明。
图1为本发明气膜冷却的箭头型双孔单元结构部位示意图。
图2为本发明箭头型双孔单元结构俯视图。
图3为本发明箭头型气膜孔结构侧视图。
图4为本发明箭头型双孔单元结构透视图。
图中:
1.压力面箭头型气膜孔 2.吸力面箭头型气膜孔 3.涡轮叶片内冷通道4.箭头型气膜孔入口 5.箭头型气膜孔出口
具体实施方式
本实施例是一种用于气膜冷却的箭头型双孔单元结构。
参阅图1～图4，气膜冷却的箭头型双孔单元结构，包括涡轮叶片内冷通道3、压力面箭头型气膜孔1、吸力面箭头型气膜孔2，气膜冷却孔对称设置在涡轮叶片两侧面上；两个箭头方向相反的箭头型气膜冷却孔构成一个单元；压力面箭头型气膜孔与吸力面箭头型气膜孔形状相同，且与涡轮叶片内冷通道相连通，箭头型气膜孔入口4截面尺寸与箭头型气膜孔出口5截面尺寸相同。
实施例一:
本实施例是某型涡轮工作叶片上的箭头型双孔单元结构。涡轮叶片的压力面和吸力面上分别开有箭头型双孔单元结构，两个箭头方向相反的箭头型气膜冷却孔构成一个单元；气膜孔的中心线与叶片表面之间夹角α为25°；所开气膜孔的截面形状均呈箭头形，气膜孔的截面形状由入口处的箭头形等截面变化为出口处的箭头形。
对于单元结构中的正向箭头型气膜孔，箭头形入口的四个顶点:a1,a2,a3,a4对应箭头形出口的四个顶点:b1,b2,b3,b4，对应点直线相连。孔的侧壁面，包括面a1-a2-b2-b1-a1、面a1-a4-b4-b1-a1、面a2-a3-b3-b2-a2、面a3-a4-b4-b3-a3，均为平面，各平面只需平滑的由入口过渡到出口。气膜孔出口处边b1-b2与边b1-b4等距；孔出口处边b3-b2与边b3-b4等距，长为l；气膜孔出口的顶角，即边b3-b4与边b3-b2所夹角为β1；气膜孔出口的两个底角，即b2-b1边与b2-b3边所夹角和b4-b1边与b4-b3边所夹角相等，为β2。
对于单元结构中的反向箭头型气膜孔，箭头形入口的四个顶点:a1’,a2’,a3’,a4’对应箭头形出口的四个顶点:b1’,b2’,b3’,b4’，对应点直线相连。孔的侧壁面，包括面a1’-a2’-b2’-b1’-a1’、面a1’-a4’-b4’-b1’-a1’、面a2’-a3’-b3’-b2’-a2’、面a3’-a4’-b4’-b3’-a3’，均为平面，各平面只需平滑的由入口过渡到出口。气膜孔出口处边b1’-b2’与边b1’-b4’等距；孔出口处边b3’-b2’与边b3’-b4’等距，长为l；气膜孔出口的顶角，即边b3’-b4’与边b3’-b2’所夹角为β1；气膜孔出口的两个底角，即b2’-b1’边与b2’-b3’边所夹角和b4’-b1’边与b4’-b3’边所夹角相等，为β2。单元结构中的两个箭头型气膜孔出口的相邻边:边b3-b2与边b2’-b3’平行；相邻顶点:b2点与b3’间距离和b3点与b2’间距离相等，为P。
箭头型气膜孔结构要求:箭头型气膜孔出口顶角β1为60°；箭头型气膜孔出口底角β2为30°；两个箭头型气膜孔出口相邻顶点之间距离P为0.5l；出口截面尺寸与入口截面尺寸相同。
实施例二:
本实施例是某型涡轮工作叶片上的箭头型双孔单元结构。涡轮叶片的压力面和吸力面上分别开有箭头型双孔单元结构，两个箭头方向相反的箭头型气膜冷却孔构成一个单元；气膜孔的中心线与叶片表面之间夹角α为45°；所开气膜孔的截面形状均呈箭头形，气膜孔的截面形状由气膜孔入口4处的箭头形等截面变化为气膜孔出口5处的箭头形。
对于单元结构中的正向箭头型气膜孔，箭头形入口的四个顶点:a1,a2,a3,a4对应箭头形出口的四个顶点:b1,b2,b3,b4，对应点直线相连。孔的侧壁面，包括面a1-a2-b2-b1-a1、面a1-a4-b4-b1-a1、面a2-a3-b3-b2-a2、面a3-a4-b4-b3-a3，均为平面，各平面只需平滑的由入口过渡到出口。气膜孔出口处边b1-b2与边b1-b4等距；孔出口处边b3-b2与边b3-b4等距，长为l；气膜孔出口的顶角，即边b3-b4与边b3-b2所夹角为β1；气膜孔出口的两个底角，即b2-b1边与b2-b3边所夹角和b4-b1边与b4-b3边所夹角相等，为β2。
对于单元结构中的反向箭头型气膜孔，箭头形气膜孔入口的四个顶点:a1’,a2’,a3’,a4’对应箭头形出口的四个顶点:b1’,b2’,b3’,b4’，对应点直线相连。孔的侧壁面，包括面a1’-a2’-b2’-b1’-a1’、面a1’-a4’-b4’-b1’-a1’、面a2’-a3’-b3’-b2’-a2’、面a3’-a4’-b4’-b3’-a3’，均为平面，各平面只需平滑的由入口过渡到出口。气膜孔出口处边b1’-b2’与边b1’-b4’等距；孔出口处边b3’-b2’与边b3’-b4’等距，长为l；气膜孔出口的顶角，即边b3’-b4’与边b3’-b2’所夹角为β1；气膜孔出口的两个底角，即b2’-b1’边与b2’-b3’边所夹角和b4’-b1’边与b4’-b3’边所夹角相等，为β2。单元结构中的两个箭头型气膜孔出口的相邻边:边b3-b2与边b2’-b3’平行；相邻顶点:b2点与b3’间距离和b3点与b2’间距离相等，为P。
箭头型气膜孔结构要求:箭头型气膜孔出口顶角β1为90°；箭头型气膜孔出口底角β2为22°；两个箭头型气膜孔出口相邻顶点之间距离P为0.71l；出口截面尺寸与入口截面尺寸相同。
实施例三:
本实施例是某型涡轮工作叶片上的箭头型双孔单元结构。涡轮叶片的压力面和吸力面上分别开有箭头型双孔单元结构，两个箭头方向相反的箭头型气膜冷却孔构成一个单元；气膜孔的中心线与叶片表面之间夹角α为60°；所开气膜孔的截面形状均呈箭头形，气膜孔的截面形状由入口处的箭头形等截面变化为出口处的箭头形。
对于单元结构中的正向箭头型气膜孔，箭头形入口的四个顶点:a1,a2,a3,a4对应箭头形出口的四个顶点:b1,b2,b3,b4，对应点直线相连。孔的侧壁面，包括面a1-a2-b2-b1-a1、面a1-a4-b4-b1-a1、面a2-a3-b3-b2-a2、面a3-a4-b4-b3-a3，均为平面，各平面只需平滑的由入口过渡到出口。气膜孔出口处边b1-b2与边b1-b4等距；孔出口处边b3-b2与边b3-b4等距，长为l；气膜孔出口的顶角，即边b3-b4与边b3-b2所夹角为β1；气膜孔出口的两个底角，即b2-b1边与b2-b3边所夹角和b4-b1边与b4-b3边所夹角相等，为β2。
对于单元结构中的反向箭头型气膜孔，箭头形入口的四个顶点:a1’,a2’,a3’,a4’对应箭头形出口的四个顶点:b1’,b2’,b3’,b4’，对应点直线相连。孔的侧壁面，包括面a1’-a2’-b2’-b1’-a1’、面a1’-a4’-b4’-b1’-a1’、面a2’-a3’-b3’-b2’-a2’、面a3’-a4’-b4’-b3’-a3’，均为平面，各平面只需平滑的由入口过渡到出口。气膜孔出口处边b1’-b2’与边b1’-b4’等距；孔出口处边b3’-b2’与边b3’-b4’等距，长为l；气膜孔出口的顶角，即边b3’-b4’与边b3’-b2’所夹角为β1；气膜孔出口的两个底角，即b2’-b1’边与b2’-b3’边所夹角和b4’-b1’边与b4’-b3’边所夹角相等，为β2。单元结构中的两个箭头型气膜孔出口的相邻边:边b3-b2与边b2’-b3’平行；相邻顶点:b2点与b3’间距离和b3点与b2’间距离相等，为P。
箭头型气膜孔结构要求:箭头型气膜孔出口顶角β1为120°；箭头型气膜孔出口底角β2为15°；两个箭头型气膜孔出口相邻顶点之间距离P为0.87l；出口截面尺寸与入口截面尺寸相同。

Claims (2)

1.一种用于气膜冷却的箭头型双孔单元结构，包括涡轮叶片内冷通道、压力面箭头型气膜孔、吸力面箭头型气膜孔，箭头型气膜孔对称设置在涡轮叶片两侧面上,其特征在于:两个箭头方向相反的箭头型气膜孔构成一个单元；压力面箭头型气膜孔与吸力面箭头型气膜孔形状相同，且与涡轮叶片内冷通道相连通，箭头型气膜孔的中心线与涡轮叶片表面之间夹角α为25～60°；箭头型气膜孔出口顶角β1为60～120°；箭头型气膜孔出口底角β2为15～30°；单元结构中两个箭头型气膜孔出口相邻顶点间距离P与孔出口侧边长l之比为sin(β1/2)；入口截面尺寸与出口截面尺寸相同。
2.根据权利要求1所述的气膜冷却的箭头型双孔单元结构，其特征在于:箭头型气膜孔的截面形状由箭头型气膜孔入口至箭头型气膜孔出口均为等截面，箭头型气膜孔的侧壁面均为平面。
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