CN106224010A - 一种用于涡轮叶片的波纹形凹槽气膜喷射结构 - Google Patents

一种用于涡轮叶片的波纹形凹槽气膜喷射结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于涡轮叶片的波纹形凹槽气膜喷射结构，在气膜孔出口部位设置有凹槽前缘与波纹形凹槽后缘，凹槽前缘与波纹形凹槽后缘组合成波纹形凹槽；波纹形凹槽后缘的波纹形状为正弦型波，正弦型波的周期与气膜孔的展向间距相同，凹槽前缘与气膜孔的出口前缘平齐，波纹形凹槽后缘波峰与气膜孔的出口后缘平齐。波纹形凹槽后缘的几何结构导向作用，使得更多的冷却气流在凹槽内展向扩散后再流过被冷却壁面，射流的展向覆盖能力大大提升；波纹形凹槽形成的射流正卷涡对使得射流可更好的贴附壁面而不产生分离。波纹形凹槽后缘的导向作用还可减少射流与凹槽后缘的碰撞，从而降低射流冲出凹槽的阻力，具有非常好的冷却效果。

Description

一种用于涡轮叶片的波纹形凹槽气膜喷射结构
技术领域
本发明涉及燃气轮机涡轮叶片的冷却技术领域，具体地说，涉及一种用于涡轮叶片的波纹形凹槽气膜喷射结构。
技术背景
随着航空发动机的快速发展，涡轮进口温度不断提高，先进发动机的涡轮进口温度已达到2000K左右，这已远远超出了涡轮叶片材料的耐热极限。目前，航空发动机中广泛采用气膜冷却技术对涡轮叶片进行冷却。气膜冷却是应用在燃气轮机叶片上的冷却技术，是指内部冷却空气通过离散的孔或槽缝流出，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。
最初的气膜冷却结构是离散圆柱气膜孔，随着涡轮进口温度的增加，离散孔的冷却能力已经不足，其孔与孔之间的区域是被冷却的薄弱区域。随着热障涂层在涡轮叶片上的应用，凹槽气膜孔结构被提出。凹槽气膜孔结构是指在叶片表面喷涂热障涂层时，在气膜孔出口的位置留出一个矩形凹槽，冷却气流流出气膜孔后，先在凹槽内形成展向扩散，然后再流出凹槽形成气膜覆盖，以解决圆柱孔的气膜射流展向覆盖不足的问题。但位于气膜孔出口处的凹槽后缘对射流的阻挡作用很强，会在凹槽内形成回流涡，这大大增加了流动阻力，从而使得气膜射流的展向扩散能力的提升有限。
发明内容
为了避面现有技术存在的不足，提高横槽孔射流的展向覆盖范围，并减小其流动阻力，本发明提出一种用于涡轮叶片的波纹形凹槽气膜喷射结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括叶片内冷通道、压力面波纹形凹槽气膜孔、吸力面波纹形凹槽气膜孔，其特征是在气膜孔出口设有凹槽前缘与波纹形凹槽后缘，凹槽前缘与波纹形凹槽后缘组合成波纹形凹槽；其中，气膜孔直径Df的取值范围为0.3～2mm，流向倾角θ的取值范围为30～60°；波纹形凹槽后缘正弦型波的周期S与气膜孔的展向间距相同，取值范围为2Df～5Df，波纹形凹槽后缘的正弦型波振幅P的取值范围为0.25Df～1Df；凹槽前缘与波纹形凹槽后缘的高度相同，凹槽高度H的取值范围为0.5Df～1.5Df，凹槽前缘与波纹形凹槽后缘的间距为W，其值为Df/sinθ。
所述波纹形凹槽后缘的波纹形状为正弦型波。
所述波纹形凹槽后缘波峰与气膜孔的中心线平齐。
所述凹槽前缘与气膜孔的出口前缘平齐，所述波纹形凹槽后缘的波峰与气膜孔的出口后缘平齐。
有益效果
本发明提出的一种用于涡轮叶片的波纹形凹槽气膜喷射结构，在位于气膜孔板上的气膜孔出口部位加工有凹槽前缘与和波纹形凹槽后缘，凹槽前缘与波纹形凹槽后缘组合成波纹形凹槽。波纹形凹槽后缘的波纹形状为正弦型波，正弦型波的周期与气膜孔的展向间距相同，波纹形凹槽后缘波峰与气膜孔的中心线平齐。波纹形凹槽后缘的导向作用使得更多的冷却气流在凹槽内展向扩散后再流过被冷却壁面，射流的展向覆盖能力大大提升；另外，波纹形凹槽形成的射流正卷涡对使得射流可更好的贴附壁面。波纹形凹槽后缘的导向作用还可以减少射流与凹槽后缘的碰撞，从而降低射流冲出凹槽的阻力，具有非常好的冷却效果。
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波纹形凹槽气膜喷射结构作进一步详细说明。
图1为本发明涡轮叶片的波纹形凹槽气膜喷射结构示意图。
图2为本发明涡轮叶片的波纹形凹槽气膜喷射结构俯视图。
图3为本发明涡轮叶片的波纹形凹槽气膜喷射结构剖视图。
图4为本发明涡轮叶片的波纹形凹槽气膜孔位置示意图。
图中:
1.气膜孔板 2.气膜孔 3.凹槽前缘 4.波纹形凹槽后缘 5.波峰 6.波谷 7.压力面波纹形凹槽气膜孔 8.吸力面波纹形凹槽气膜孔 9.内冷却通道 A.主流燃气 B.冷却气流 C.气膜孔中心出流 D.气膜孔侧向出流 E.冷却气膜 Df.气膜孔直径 θ.气膜孔流向倾角 S.气膜孔展向间距 P.正弦波振幅 W.凹槽前缘与凹槽后缘间距 H.凹槽高度
具体实施方式
本实施例是一种用于涡轮叶片的波纹形凹槽气膜喷射结构。
参阅图1～图4，本实施例涡轮叶片的波纹形凹槽气膜喷射结构,是在位于气膜孔板1上的气膜孔2出口部位加工有凹槽前缘3与波纹形凹槽后缘4，凹槽前缘3与波纹形凹槽后缘4组合成波纹形凹槽。其中，波纹形凹槽后缘4的波纹形状为为正弦型波，波纹周期与气膜孔2的展向间距S相同，波纹形凹槽后缘4的波峰5与气膜孔2的中心线平齐。波纹形凹槽后缘4的正弦型波振幅为P。凹槽前缘3与波纹形凹槽后缘4的高度为H。凹槽前缘3与波纹形凹槽后缘4的间距为W，由气膜孔2直径Df和气膜孔2流向倾角θ得到；其中，凹槽前缘3与气膜孔2的出口前缘平齐，波纹形凹槽后缘4的波峰5与气膜孔2的出口后缘平齐。
冷却气流B沿着带一定倾角的气膜孔2流出，其中气膜孔中心出流C沿着主流燃气A的流动方向爬上凹槽后缘形成冷却气膜；一部分则因为波纹形凹槽后缘4的作用，在凹槽内沿气膜孔的展向流动，形成气膜孔侧向出流D。相邻气膜孔2的气膜孔侧向出流D在波纹形凹槽后缘的波谷6位置汇合并流出凹槽，形成冷却气膜。气膜孔中心出流C和气膜孔侧向出流D共同形成冷却气膜E。由于波纹形凹槽的几何形状作用，气膜孔侧向出流D具有横向流动速度，等于增大了气膜孔下游冷却气膜E的宽度，同时，波纹形凹槽后缘的几何结构改变了气膜孔下游射流内旋转涡对的旋向，产生的正卷涡对可压迫气膜更好地贴附于壁面而不产生分离，具有非常好的冷却效果。
波纹形凹槽气膜喷射结构要求:
1.气膜孔直径Df的取值范围为0.3～2mm，流向倾角θ的取值范围为30～60°；
2.波纹形凹槽后缘4正弦型波的周期S与气膜孔2的展向间距相同，取值范围为2Df～5Df，其中波纹形凹槽后缘4波峰5与气膜孔2的中心线平齐；波纹形凹槽后缘4的正弦型波振幅P的取值范围为0.25Df～1Df；
3.凹槽前缘3与波纹形凹槽后缘4的高度为H，其取值范围为0.5Df～1.5Df。凹槽前缘3与波纹形凹槽后缘4的间距为W，其值为Df/sinθ，其中,凹槽前缘3与气膜孔2的出口前缘平齐，波纹形凹槽后缘4的波峰5与气膜孔2的出口后缘平齐。
实施例一
本实施例涡轮叶片的波纹形凹槽气膜喷射结构，在涡轮叶片的压力面加工有压力面波纹形凹槽气膜孔7，吸力面加工有吸力面波纹形凹槽气膜孔8，由内冷却通道9供气；在位于气膜孔板1上的气膜孔2出口部位，设有凹槽前缘3与波纹形凹槽后缘4，凹槽前缘3与波纹形凹槽后缘4组合成波纹形凹槽。其中,气膜孔2直径Df为0.5mm，流向倾角θ为60°；波纹形凹槽后缘4正弦型波的周期S与气膜孔2的展向间距相同，取3倍Df值为1.5mm，其中波纹形凹槽后缘4的波峰5与气膜孔2的中心线平齐。波纹形凹槽后缘4的正弦型波振幅P为0.5Df，其值为0.25mm。凹槽前缘3与波纹形凹槽后缘4的高度H为1Df，其值为0.5mm。凹槽前缘3与波纹形凹槽后缘4的间距为W，其值为Df/sinθ＝1mm，其中凹槽前缘3与气膜孔2的出口前缘平齐，波纹形凹槽后缘4的波峰5与气膜孔2的出口后缘平齐。
本实施例中，波纹形凹槽的高度H为1Df，在其取值范围内属于较大的值，此时，波纹形凹槽的导向作用会更强，更多的射流会被引导到气膜孔之间的位置，使得气膜冷却效率的展向分布会更加均匀。
实施例二
本实施例涡轮叶片的波纹形凹槽气膜喷射结构，在涡轮叶片的压力面加工有压力面波纹形凹槽气膜孔7，吸力面加工有吸力面波纹形凹槽气膜孔8，由内冷却通道9供气；在位于气膜孔板1上的气膜孔2出口部位，设置有凹槽前缘3与波纹形凹槽后缘4，凹槽前缘3与波纹形凹槽后缘4组合成波纹形凹槽。其中,气膜孔2直径Df为1mm，流向倾角θ为35°；波纹形凹槽后缘4正弦型波的周期S与气膜孔2的展向间距相同，取4倍Df其值为4mm；波纹形凹槽后缘4的波峰5与气膜孔2的中心线平齐。波纹形凹槽后缘4的正弦型波振幅P为0.75Df，其值为0.75mm。凹槽前缘3与波纹形凹槽后缘4的高度H为0.75Df，其值为0.75mm。凹槽前缘3与波纹形凹槽后缘4的间距为W，其值为Df/sinθ。＝1.75mm，其中凹槽前缘3与气膜孔2的出口前缘平齐，波纹形凹槽后缘4的波峰5与气膜孔2的出口后缘平齐。
与实施例一中的结构相比，本实施例中的结构，波纹形凹槽后缘4的正弦型波振幅P更大，更有利于射流在凹槽内的展向扩散，使得展向冷却效率分布更佳；同时也会减弱因相邻射流在凹槽内的相互碰撞而引起的动量损失，使得流动阻力更小。
实施例三
本实施例涡轮叶片的波纹形凹槽气膜喷射结构，在涡轮叶片的压力面加工有压力面波纹形凹槽气膜孔7，吸力面加工有吸力面波纹形凹槽气膜孔8，由内冷却通道9供气；在位于气膜孔板1上的气膜孔2出口部位设置有凹槽前缘3与波纹形凹槽后缘4，凹槽前缘3与波纹形凹槽后缘4组合成波纹形凹槽。其中,气膜孔2直径Df为2mm，流向倾角θ为30°；波纹形凹槽后缘4正弦型波的周期S与气膜孔2的展向间距相同，取2.5倍Df其值为5mm，波纹形凹槽后缘4的波峰5与气膜孔2的中心线平齐。波纹形凹槽后缘4的正弦型波振幅P为0.75Df，其值为0.75mm。凹槽前缘3与波纹形凹槽后缘4的高度H为0.5Df，其值为1mm。凹槽前缘3与波纹形凹槽后缘4的间距为W，其值为Df/sinθ＝2.3mm，凹槽前缘3与气膜孔2的出口前缘平齐，波纹形凹槽后缘4的波峰5与气膜孔2的出口后缘平齐。
与实施例一和实施例二中的结构相比，本实施例中的结构，流向倾角更小，气膜射流的垂直方向动量更小，射流跃出波纹形凹槽后更易贴附在叶片表面，不易产生射流脱离壁面的现象，使得射流覆盖更为稳定。在本实施例中的波纹形凹槽后缘4正弦型波的周期S为2.5Df，比实施例一和实施例二中更小，使得相邻射流之间的间距更小，射流的覆盖效果更好。

Claims (4)

1.一种用于涡轮叶片的波纹形凹槽气膜喷射结构，其特征在于:包括叶片内冷通道、压力面波纹形凹槽气膜孔、吸力面波纹形凹槽气膜孔，其特征在于:在气膜孔出口设有凹槽前缘与波纹形凹槽后缘，凹槽前缘与波纹形凹槽后缘组合成波纹形凹槽；其中，气膜孔直径Df的取值范围为0.3～2mm，流向倾角θ的取值范围为30～60°；波纹形凹槽后缘正弦型波的周期S与气膜孔的展向间距相同，取值范围为2Df～5Df，波纹形凹槽后缘的正弦型波振幅P的取值范围为0.25Df～1Df；凹槽前缘与波纹形凹槽后缘的高度相同，凹槽高度H的取值范围为0.5Df～1.5Df，凹槽前缘与波纹形凹槽后缘的间距为W，其值为Df/sinθ。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶片的波纹形凹槽气膜喷射结构，其特征在于:所述波纹形凹槽后缘的波纹形状为正弦型波。
3.根据权利要求1所述的涡轮叶片的波纹形凹槽气膜喷射结构，其特征在于:所述波纹形凹槽后缘波峰与气膜孔的中心线平齐。
4.根据权利要求1所述的涡轮叶片的波纹形凹槽气膜喷射结构，其特征在于:所述凹槽前缘与气膜孔的出口前缘平齐，所述波纹形凹槽后缘的波峰与气膜孔的出口后缘平齐。
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