CN105952496B - 一种大倾斜孔和小垂直孔交错排布的涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大倾斜孔和小垂直孔交错排布的涡轮叶片，属于燃气轮机涡轮叶片冷却领域，包括叶片，以及呈排状设置在所述叶片上的气膜孔，其中所述气膜孔包括倾斜孔和垂直孔，所述倾斜孔的直径大于所述垂直孔，所述倾斜孔与所述垂直孔交替排列在所述叶片上，本发明是利用垂直孔喷射冷气动量改善倾斜孔喷射冷气动量的流场，再让倾斜孔喷射冷气动量直接冷却壁面，垂直孔垂直动量反向流动改善倾斜孔喷出的冷气与燃气掺混流场，使冷气更容易贴附壁面，横向气膜冷却效率分布更均匀。

Description

一种大倾斜孔和小垂直孔交错排布的涡轮叶片
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机涡轮冷却叶片，尤其是一种大倾斜孔和小垂直孔交错排布的涡轮叶片。
背景技术
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，再从叶片壁上的气膜孔喷出，在高温燃气的挤压作用下贴附在叶片表面，将高温燃气和叶片表面隔开，以达到叶片不被高温燃气烧坏的目的。
目前的叶片上使用的是一排射流角度和尺寸相同，均匀排布的气膜孔(如图1所示)，冷气喷入燃气后，在气膜孔出口的下游会形成不利于气膜覆盖的反向对漩涡，将冷气膜抬起而脱离壁面，在射流速度较大时这种现象更明显，因此就很难将高温燃气和叶片表面隔开，出行叶片表面被高温燃气烧坏的情况。
还有一种气膜孔是在一个主孔两侧附着有小支孔构成的一个气膜孔冷却单元，相当于一个进口和三个出口构成的分支孔结构(如图2所示)，三个孔中心线交于一点，通过支孔和主孔的连接位置来分配3个出口的冷却流量，由于三个孔的中心线需要交于一点，而且三个孔都是倾斜设置，这对于尺寸小于1mm的气膜孔来说，加工难度非常大，在实际生产加工过程中很难加工出符合要求的产品，极大的降低了生产的工作效率。
发明内容
本发明的技术任务是针对以上现有技术的不足，而提供一种大倾斜孔和小垂直孔交错排布的涡轮叶片。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大倾斜孔和小垂直孔交错排布的涡轮叶片，包括叶片，以及呈排状设置在所述叶片上的气膜孔，其中所述气膜孔包括倾斜孔和垂直孔，所述倾斜孔的直径大于所述垂直孔，在同一排上所述倾斜孔与所述垂直孔交替排布，垂直孔射流使倾斜孔射流更容易贴服在叶片壁面上，从而提高孔下游气膜冷却效率。
两个相邻所述倾斜孔的间距与所述倾斜孔的直径比值在2-6之间，这是为了让倾斜孔所喷出的冷气能够均匀覆盖在叶片表面，所述倾斜孔与所述垂直孔的间距在0-0.5mm之间，这是为了确保从垂直孔喷出的冷气能够更好的让倾斜孔喷出的冷气贴服在叶片表面。
所述垂直孔的直径是倾斜孔直径的0.5-0.8倍。保证更多的冷气通过，起主要冷却作用的斜孔流出，而通过辅助冷却作用的垂直小孔流量相对少一些。即通过气膜孔直径控制流量分配，达到使用较少冷气量有效改善气膜冷却效果的目的。
所述倾斜孔的直径在0.2-1mm之间，所述垂直孔的直径在0.16-0.8mm之间。
所述倾斜孔的直径为0.2mm，相邻两个倾斜孔的孔间距为0.4mm，所述垂直孔的直径为0.16mm，垂直孔出口处的中心位于倾斜孔出口处中心上游0.1mm。
所述倾斜孔的直径为0.5mm，相邻两个倾斜孔的孔间距为2mm，所述垂直孔的直径为0.3mm，垂直孔出口处的中心与倾斜孔出口处中心位于同一直线。
所述倾斜孔的直径为0.2mm，相邻两个倾斜孔的孔间距为1.2mm，所述垂直孔的直径为0.12mm，垂直孔出口处的中心位于倾斜孔出口处中心下游0.1mm。
所述倾斜孔的轴线与所述叶片的夹角在20-60度之间。
所述倾斜孔的轴线与所述叶片的夹角为30度。
在所述叶片上至少设有两排气膜孔。
本发明的优点：垂直孔射流使倾斜孔射流更容易贴服在叶片壁面上，从而提高倾斜孔下游气膜冷却效率，在相同气膜孔截面积，相同冷气用量条件下，相比于相同射流角度排布的圆柱孔射流结构，平均气膜冷却效率提高30％-50％，与一个入口和三个出口组成的分支孔相比，平均气膜冷却效率提高5％-10％。
由于该结构只有圆柱孔组成，并且有一半数量的气膜孔垂直壁面，与倾斜孔和分支孔相比，降低了加工工艺的难度，提高了产品的合格率，在提高工作效率的同时，也降低了生产制造的成本。
附图说明
图1是现有技术中气膜孔排列的结构示意图。
图2是现有技术中气膜孔为一个入口和三个出口的结构示意图。
图3是发明的结构示意图。
图4是本发明冷气流动的示意图。
图5是本发明垂直孔位于倾斜孔上游的结构示意图。
图6是本发明图5中A处的放大图。
图7是本发明垂直孔与倾斜孔处于同一直线的结构示意图。
图8是本发明垂直孔位于倾斜孔下游的结构示意图。
图9是本发明图8中B处的放大图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做以下详细说明。
如图3-9所示，当叶片1弦长在50mm-100mm之间，叶片1高度40mm-200mm之间时，倾斜孔3直径尺寸为0.2-1mm，垂直孔2直径在0.16-0.8mm之间，垂直孔2位于倾斜孔3上游0-0.5mm，也可以位于倾斜孔3下游0-0.5mm，也可以与倾斜孔3位于同一条直线上，相邻两个倾斜孔3的孔间距与孔径比值在2-6之间。倾斜孔3轴线与叶片1壁面夹角20-60度。
实施例一：当叶片1弦长在50mm，叶片1高度40mm时，倾斜孔3直径为0.2mm，孔间距为0.4mm，垂直气膜孔直径为0.16mm。垂直气膜孔出口中心位于倾斜孔3出口中心上游0.1mm，气膜孔喷气速度与当地燃气速度比值为0.5。
实施例二：叶片1弦长在100mm，叶片1高度200mm时。倾斜孔3直径为0.5mm，孔间距为2mm，垂直孔2直径为0.3mm。垂直孔2出口中心与倾斜孔3出口中心位于同一条直线，气膜孔喷气速度与当地燃气速度比值为2。
实施例三：叶片1弦长在70mm，叶片1高度120mm。在叶片1吸力面开有一排大尺寸倾斜孔3和小尺寸垂直孔2交错排布的气膜冷却结构，大尺寸倾斜气膜孔直径0.2mm，孔间距1.2mm，小尺寸垂直气膜孔直径0.12mm。小尺寸垂直气膜孔出口中心位于大尺寸倾斜气膜孔出口中心下游0.1mm，气膜孔喷气速度与当地燃气速度比值为1。
其工作原理是：本发明的整体思路是利用不同尺寸直径的气膜孔来调配冷气流量，利用气膜孔射流角度交错排布改变气膜孔出口下游流场，虽然垂直喷射的冷气动量在壁面的贴服性较差，但是本发明没有利用垂直孔2喷射动量直接冷却壁面，而是利用垂直孔2喷射冷气动量改善倾斜孔3喷射冷气动量的流场，再让倾斜孔3喷射冷气动量直接冷却壁面，垂直孔2垂直动量反向流动改善倾斜孔3喷出的冷气与燃气掺混流场，使冷气更容易贴附壁面，横向气膜冷却效率分布更均匀。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种大倾斜孔和小垂直孔交错排布的涡轮叶片，包括叶片，以及呈排状设置在所述叶片上的气膜孔，其特征在于：所述气膜孔包括倾斜孔和垂直于叶片壁面的垂直孔，所述倾斜孔的直径大于所述垂直孔，在同一排上所述倾斜孔与所述垂直孔交替排布，两个相邻所述倾斜孔的间距与所述倾斜孔的直径比值在2-6之间，所述倾斜孔与所述垂直孔的间距在0-0.5mm之间，利用垂直孔喷射冷气动量改善倾斜孔喷射冷气动量的流场，再让倾斜孔喷射冷气动量直接冷却壁面，垂直孔垂直动量反向流动改善倾斜孔喷出的冷气与燃气掺混流场，使冷气更容易贴附壁面，横向气膜冷却效率分布更均匀。
2.根据权利要求1所述的大倾斜孔和小垂直孔交错排布的涡轮叶片，其特征在于：所述垂直孔的直径是倾斜孔直径的0.5-0.8倍。
3.根据权利要求1或2所述的大倾斜孔和小垂直孔交错排布的涡轮叶片，其特征在于：所述倾斜孔的直径在0.2-1mm之间，所述垂直孔的直径在0.16-0.8mm之间。
4.根据权利要求3所述的大倾斜孔和小垂直孔交错排布的涡轮叶片，其特征在于：所述倾斜孔的直径为0.2mm，相邻两个倾斜孔的孔间距为0.4mm，所述垂直孔的直径为0.16mm，垂直孔出口处的中心位于倾斜孔出口处中心上游0.1mm。
5.根据权利要求3所述的大倾斜孔和小垂直孔交错排布的涡轮叶片，其特征在于：所述倾斜孔的直径为0.5mm，相邻两个倾斜孔的孔间距为2mm，所述垂直孔的直径为0.3mm，垂直孔出口处的中心与倾斜孔出口处中心位于同一直线。
6.根据权利要求1所述的大倾斜孔和小垂直孔交错排布的涡轮叶片，其特征在于：所述倾斜孔的直径为0.2mm，相邻两个倾斜孔的孔间距为1.2mm，所述垂直孔的直径为0.12mm，垂直孔出口处的中心位于倾斜孔出口处中心下游0.1mm。
7.根据权利要求1、2或4-6其中任意一项所述的大倾斜孔和小垂直孔交错排布的涡轮叶片，其特征在于：所述倾斜孔的轴线与所述叶片壁面的夹角在20-60度之间。
8.根据权利要求7所述的大倾斜孔和小垂直孔交错排布的涡轮叶片，其特征在于：所述倾斜孔的轴线与所述叶片的夹角为30度。
9.根据权利要求7所述的大倾斜孔和小垂直孔交错排布的涡轮叶片，其特征在于：在所述叶片上至少设有两排气膜孔。
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