CN105401983A - 一种提高组件外部冷却效果的上游结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高组件外部冷却效果的上游结构，包括气膜孔、凸起和壁面，气膜孔位于壁面的上游区域，其特征在于所述凸起设置在气膜孔的上游，凸起由两个形状结构完全相同的长条状部分组成，两个长条状部分以过气膜孔出口的中心且平行于主流来流方向的线为轴对称布置，两个长条状部分之间的最短距离是气膜孔孔径的0.5-2倍，每个长条状部分靠近气膜孔出口的一端设有倾斜面，倾斜面与壁面的夹角为15-75°；凸起迎着主流来流方向的一侧为迎风面，背对着主流来流方向的一侧为背压面，凸起的背压面到气膜孔出口中心位置的距离是气膜孔孔径的1-4倍，所述凸起高度与气膜孔孔径的比值为0.1-3。

Description

一种提高组件外部冷却效果的上游结构
技术领域
本发明涉及燃气轮机冷却涡轮叶片技术领域，具体涉及一种提高组件外部冷却效果的上游结构。
背景技术
燃气轮机的发展标志着一个国家的科技水平、军事实力和综合实力。燃气轮机的发展主要受燃气初温的影响，目前先进燃气透平进口温度已超过了2000K，燃气透平叶片之所以能在这样严酷的环境下安全、稳定地工作，一方面是由于它的热端部件采用了新型的耐高温材料和防热涂层(ThermalBarrierCoatings，TBC)；另一方面则得益于高效强化冷却技术的应用。在涡轮叶片冷却系统中，气膜冷却技术被广泛应用。
采用在气膜孔上游布置凸起的结构，现正被研究来提高冷却气膜对涡轮叶片的保护效果。现有技术主要关注两个方面来提高气膜冷却效率：一是基于横向开槽结构，通过采用横向开槽降低冷却气对主流的穿透力，减小冷却气的出口动量，提高壁面横向及展向的壁面冷却效果。二是在壁面上设置某种结构的凸起，通过改变凸起结构或凸起高度来增加冷却气贴附于壁面的效果和冷却气膜横向覆盖面积。如专利申请号为200710017790.4的中国专利公开了一种开槽气膜冷却孔，但该冷却孔对下游的横向冷却保护作用有限，在吹风比大于1.0时的工况下冷却效果明显下降。专利申请号为201010106756.6的中国专利公开了一种提高离散孔气膜冷却效率的结构，其不足之处在于凸起不但是一体结构，而且设置在气膜孔下游某一位置，这不仅会增大流体的流动损失，还会抬高气膜孔射出的冷却气，使凸起附近一定范围的壁面暴露在高温气体中，对壁面起不到冷却保护作用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种提高组件外部冷却效果的上游结构。该结构用以增大冷却气在壁面横向的覆盖面积，明显改善气膜孔附近及下游壁面横向及展向的冷却效率，并适用于所有离散分布的不同孔结构的气膜冷却技术。
为解决上述技术问题本发明采用如下技术方案：提供一种提高组件外部冷却效果的上游结构，包括气膜孔、凸起和壁面，气膜孔位于壁面的上游区域，其特征在于所述凸起设置在气膜孔的上游，凸起由两个形状结构完全相同的长条状部分组成，两个长条状部分以过气膜孔出口的中心且平行于主流来流方向的线为轴对称布置，两个长条状部分之间的最短距离是气膜孔孔径的0.5-2倍，每个长条状部分靠近气膜孔出口的一端设有倾斜面，倾斜面与壁面的夹角为15-75°；凸起迎着主流来流方向的一侧为迎风面，背对着主流来流方向的一侧为背压面，凸起的背压面到气膜孔出口中心位置的距离是气膜孔孔径的1-4倍，所述凸起高度与气膜孔孔径的比值为0.1-3。
与现有技术(上游无凸起结构)相比，本发明采用在气膜孔上游布置中间断开的凸起结构，即凸起由两个形状结构完全相同的长条状部分组成，两个长条状部分以过气膜孔出口的中心且平行于主流来流方向的线为轴对称布置，主流中心区域的流体经凸起中间的断开截面后,把从气膜孔射出的冷却气压覆在壁面上，从而提高了壁面中心区域气膜冷却效果，两侧的主流气在流经凸起时被凸起抬高，也有利于冷却气向两侧蔓延，改善壁面横向冷却效果，在高吹风比时，也具有良好的冷却效果，能广泛应用于燃气透平端壁及叶片表面的冷却保护。本发明结构简单、实施方便、成本低廉，适用于实际的工业领域。
附图说明
图1本发明提高组件外部冷却效果的上游结构一种实施例的整体结构示意图；
图2本发明提高组件外部冷却效果的上游结构一种实施例的俯视结构示意图；
图3本发明提高组件外部冷却效果的上游结构一种实施例的主视结构示意图；
图4本发明提高组件外部冷却效果的上游结构一种实施例的左视结构示意图；
图5本发明凸起2提高组件外部冷却效果的原理示意图；
图6a为吹风比为0.25的条件下，现有结构的气膜孔下游壁面冷却效率分布图；
图6b为吹风比为0.25的条件下，本发明的气膜孔下游壁面冷却效率分布图；
图7吹风比为0.25时，现有结构与本发明的气膜孔下游壁面中心线上冷却效率的比较；
图8a为吹风比为0.25时，现有结构与本发明在壁面横向x/d＝3处气膜冷却效率的对比图；
图8b为吹风比为0.25时，现有结构与本发明在壁面横向x/d＝10处气膜冷却效率的对比图；
图9本发明提高组件外部冷却效果的上游结构一种实施例中倾斜面24为凹弧形的立体结构示意图；
图10本发明提高组件外部冷却效果的上游结构一种实施例中凸起2的纵切面形状为半椭圆形的立体结构示意图；
图11本发明提高组件外部冷却效果的上游结构中倾斜面24为凹弧形，凸起2纵切面形状为三角形的立体结构示意图；
图12本发明提高组件外部冷却效果的上游结构中倾斜面24为凸弧形，凸起2纵切面形状为三角拓扑形状的立体结构示意图；
图中，1-气膜孔、2-凸起、3-壁面、11-气膜孔出口、21-迎风面、22-背压面、23-侧立面、24-倾斜面。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图对本发明做进一步说明，但并不以此限制对本发明权利要求的保护范围。
本发明提高组件外部冷却效果的上游结构(简称结构，参见图1-10)包括气膜孔1、凸起2和壁面3，气膜孔1位于壁面3的上游区域，凸起2设置在气膜孔1的上游，所述凸起2由两个形状结构完全相同的长条状部分组成，两个长条状部分以过气膜孔出口11的中心且平行于主流来流方向的线为轴对称布置，两个长条状部分之间的最短距离b是气膜孔1孔径d的0.5-2倍，每个长条状部分靠近气膜孔出口的一端设有倾斜面24，倾斜面24与壁面3的夹角为15-75°；定义凸起2迎着主流来流方向的一侧为迎风面21，背对着主流来流方向的一侧为背压面22；凸起2的背压面22到气膜孔出口11中心位置的距离L是气膜孔孔径d的1-4倍，所述凸起高度h与气膜孔1孔径d的比值h/d为0.1-3。
本发明进一步特征在于倾斜面24可为平直面、多边形、凹弧形或凸弧形等相似的几何拓扑形状。
本发明进一步特征在于凸起2的纵切面为矩形、三角形、多边形或半椭圆形等相似的几何拓扑形状。
本发明进一步特征在于所述凸起的最大宽度t(迎风面与背压面的最大间距)与气膜孔孔径d的比值t/d为0.1-1。
本发明进一步特征在于所述气膜孔1为圆柱形孔、锥形孔、月牙形孔或Console孔等相似的几何拓扑。
本发明进一步特征在于所述气膜孔1相对于壁面3的夹角β为15°-60°，所述壁面3的横向宽度w与气膜孔1的孔径d的比值w/d为3-10。
本发明进一步特征在于在所述倾斜面24的下部设有侧立面23，侧立面23平行于主流来流方向且垂直于壁面3，所述侧立面的高度h1为凸起高度h的1/6-1/2。
本发明提高组件外部冷却效果的上游结构中凸起2能提高气膜孔下游壁面气膜冷却效率的原理(参见图5)：凸起2布置在气膜孔1上游，且凸起2为中间断开且对称布置，即由两个形状结构完全相同的长条状部分组成，两个长条状部分以过气膜孔出口11的中心且平行于主流来流方向的线为轴对称布置，倾斜面可为任意面(平直面、弧形面及多边形面等)，且与壁面保持一定倾斜角度，在倾斜面下方可以设置侧立面，且侧立面高度可改变。主流气在经过凸起2时，一部分主流气f沿主流来流方向流动，把从气膜孔1射出的冷却气压覆在壁面上，另一部分主流气m在经过凸起2断开截面后向两侧扩散，一方面是由于经过凸起后气体会有一个突扩，另一方面由于冷却气被一部分主流气f压覆在壁面上，大部分冷却气g沿壁面展向流动，改善壁面展向的冷却效果；部分冷却气n向壁面两侧流动，当另一部分主流气m遇到冷却气n时，冷却气n动量大，把主流气m吹到壁面两侧，进而增加冷却气膜覆盖面积，改善壁面横向冷却效果。
本发明气膜孔1呈横向多排布置，壁面3横向宽度w与单排气膜孔1的孔径d的比值为3-10，气膜孔1与壁面3所呈夹角β为15°-60°，适用于任何顺压梯度的表面，包括各种凹面和凸面等曲面，在吹风比为0.25-1.5时气膜冷却效果显著。本发明中当气膜孔为不规则形状时，其孔径是指等效当量孔径。
本发明在气膜孔1上游布置凸起2，有利于提高气膜孔附近区域及其下游壁面气膜冷却效率。此结构的重点在于凸起2所在的位置、凸起的背压面22到气膜孔出口11中心位置的距离L、凸起2的两个长条状部分之间的最短距离b、侧立面23的高度h1及倾斜面24(曲面时为切向方向)与壁面3的夹角α，以上参数的变化对冷却流体在下游壁面的冷却效果起着决定性的作用。根据主流雷诺数Re、二次流的流速和需要冷却保护的展向与横向距离的要求，凸起2的高度h与气膜孔1的孔径d的比值应在0.1-3之间，吹风比增大时可相应增加凸起2的高度h。凸起高度h应满足以下几个要求：第一，在满足气膜孔下游横向及展向的气膜冷却效率需求时，应尽量减小凸起高度h来降低主流的流动损失；第二，凸起高度h取决于吹风比及冷却气流速的大小，在高吹风比或高冷却气流速时，冷却气的出口动量增加，其核心区与壁面的距离增大，凸起高度h不应小于冷却气核心区域与壁面的距离。
本发明摒弃了在气膜孔下游进行相关冷却结构的常规方法，创造性地将凸起结构设置在气膜孔上游位置，通过对上游凸起结构的创新设计，能显著提高壁面的冷却效果，为本领域技术人员提供了一种可行的冷却方法。
实施例1
本实施例结构(参见图1-4)包括气膜孔1、凸起2和壁面3，气膜孔1位于壁面3的上游区域，凸起2设置在气膜孔1的上游，所述凸起2由两个形状结构完全相同的长条状部分组成，两个长条状部分以过气膜孔出口11的中心且平行于主流来流方向的线为轴对称布置，两个长条状部分之间的最短距离b是气膜孔1孔径d的1倍，每个长条状部分靠近气膜孔出口的一端设有倾斜面24，倾斜面24与壁面3的夹角为45°；定义凸起2迎着主流来流方向的一侧为迎风面21，背对着主流来流方向的一侧为背压面22；凸起2的背压面22到气膜孔出口11中心位置的距离L是气膜孔孔径d的2倍，所述凸起高度h与气膜孔1孔径d的比值h/d为0.3。
在图中x代表主流流动方向，即纵向或展向，x的正半轴指向壁面的下游方向，y为横向，z为垂直于壁面的方向，气膜孔1的孔径用d表示，气膜孔1与壁面3所呈夹角用β表示，凸起的背压面22到气膜孔出口11中心位置的距离为L，壁面的横向宽度用w表示，b为凸起2的两个长条状部分之间的最短距离，凸起最大宽度为t，凸起的侧立面23的高度为h1，凸起的倾斜面24与壁面3的夹角用α表示，凸起2的高度用h表示。
本实施例中凸起的倾斜面24为平直的矩形倾斜面，倾斜面24的下部设有侧立面23，侧立面23平行于主流来流方向且垂直于壁面3，侧立面23为矩形平面，侧立面的高度h1为凸起高度h的1/3。气膜孔1为圆柱形，气膜孔1相对于壁面3的夹角β为30°，壁面3的横向宽度w与气膜孔孔径d的比值为4，凸起的背压面22到气膜孔出口11中心位置的距离L是气膜孔孔径d的2倍，凸起最大宽度t与气膜孔孔径d的比值t/d为0.1。
采用本实施例结构，在吹风比为0.25的条件下，图6a为现有结构(是指既无凸起也无横向凹槽，只有气膜孔的壁面冷却结构)的气膜孔下游壁面气膜冷却效率分布，图6b为本发明的气膜孔下游壁面气膜冷却效率分布，图中标出了两种结构在气膜冷却效率为0.4和0.5的区域，通过现有结构与本发明的对比可以发现，本发明的气膜冷却效率在气膜孔两侧、气膜孔下游壁面和壁面的横向都有显著提高，冷却面积显著增加。这是由于凸起2将气膜孔两侧的主流气抬高，减小了冷却气与两侧主流气的掺混，使冷却气向壁面横向蔓延，改善壁面横向冷却效率，又由于凸起2的中间为断开截面，主流气可通过此截面把从气膜孔1射出的冷却气压覆在壁面上，提高壁面中心区域冷却效率，具体数据分析见图7和图8。
在吹风比为0.25的条件下，图7定量分析了现有结构与本发明在气膜孔下游壁面(沿x方向)中心线上的气膜冷却效率，从图中可以看出，在气膜孔下游壁面中心线上本发明的气膜冷却效率要高于现有结构，在x/d＝3处，本发明与现有结构相比气膜冷却效率η提高了14.1％，在所研究的范围内，本发明的气膜冷却效率平均增加9.95％。
图8a和图8b定量分析了本发明与现有结构在壁面横向气膜冷却效率，图8a为在x/d＝3处本发明与现有结构壁面横向气膜冷却效率，通过两种结构的对比可以发现，在x/d＝3处，本发明不仅提高了中心线上气膜冷却效率，也改善壁面横向冷却效率，在此位置本发明比现有结构气膜冷却效率平均增加55.9％。图8b在x/d＝10处，虽然在壁面的中心位置本发明的气膜冷却效率与现有结构相比没有明显提高，但是提高了壁面横向气膜冷却效率，在x/d＝10的横向壁面上本发明的平均气膜冷却效率提高了32.4％。与现有技术相比，本发明结构显著减小主流气与冷却气的掺混，增大冷却气在壁面上的覆盖面积，提高了冷却气在壁面上的气膜冷却效率。
实施例2
本实施例结构各部分的位置关系同实施例1，不同之处在于，本实施例中凸起2的每个长条状部分靠近气膜孔出口的一端设有倾斜面24，倾斜面24与壁面3的夹角为30°，且倾斜面24为凹弧形(参见图9)。本实施例中无侧立面，气膜孔1为圆柱形，气膜孔1相对于壁面3的夹角β为45°，凸起最大宽度t与气膜孔孔径d的比值t/d为0.1，凸起2高度h是气膜孔孔径d的0.3倍。
实施例3
本实施例结构各部分的位置关系同实施例1，不同之处在于，本实施例中凸起2的纵切面形状为半椭圆形(参见图10)。
实施例4
本实施例结构各部分的位置关系同实施例1，不同之处在于，本实施例中倾斜面24为凹弧形，凸起2纵切面形状为三角形(参见图11)。
实施例5
本实施例结构各部分的位置关系同实施例1，不同之处在于，本实施例中倾斜面24为凸弧形，凸起2纵切面形状为三角拓扑形状(参见图12)。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (8)

1.一种提高组件外部冷却效果的上游结构，包括气膜孔、凸起和壁面，气膜孔位于壁面的上游区域，其特征在于所述凸起设置在气膜孔的上游，凸起由两个形状结构完全相同的长条状部分组成，两个长条状部分以过气膜孔出口的中心且平行于主流来流方向的线为轴对称布置，两个长条状部分之间的最短距离是气膜孔孔径的0.5-2倍，每个长条状部分靠近气膜孔出口的一端设有倾斜面，倾斜面与壁面的夹角为15-75°；凸起迎着主流来流方向的一侧为迎风面，背对着主流来流方向的一侧为背压面，凸起的背压面到气膜孔出口中心位置的距离是气膜孔孔径的1-4倍，所述凸起高度与气膜孔孔径的比值为0.1-3。
2.根据权利要求1所述的提高组件外部冷却效果的上游结构，其特征在于所述倾斜面为平直面、多边形、凹弧形或凸弧形。
3.根据权利要求1所述的提高组件外部冷却效果的上游结构，其特征在于所述凸起的纵切面为矩形、三角形、多边形或半椭圆形。
4.根据权利要求1所述的提高组件外部冷却效果的上游结构，其特征在于所述凸起的最大宽度与气膜孔孔径的比值为0.1-1。
5.根据权利要求1所述的提高组件外部冷却效果的上游结构，其特征在于所述气膜孔为圆柱形孔、锥形孔、月牙形孔或Console孔。
6.根据权利要求1所述的提高组件外部冷却效果的上游结构，其特征在于所述气膜孔相对于壁面的夹角为15-60°，所述壁面的横向宽度与气膜孔的孔径的比值为3-10。
7.根据权利要求1-6任一所述的提高组件外部冷却效果的上游结构，其特征在于所述倾斜面的下部设有侧立面，侧立面平行于主流来流方向且垂直于壁面。
8.根据权利要求7所述的提高组件外部冷却效果的上游结构，其特征在于所述侧立面的高度为凸起高度的1/6-1/2。
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