CN106246238A - 一种台阶型收缩气膜孔结构 - Google Patents

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钱鑫
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魏建生
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Abstract

本发明公开了一种台阶型收缩气膜孔结构，属于燃气轮机涡轮叶片技术领域；通过对单孔径圆柱形气膜孔出口应用台阶型收缩过渡的形式，连接一个较细的直圆孔，组合成稳定气膜孔出口流量的台阶型收缩气膜孔结构。台阶型收缩气膜孔能增强对声波效应的反馈作用，对主流压力波动携带的声波效应进行有效校正，以达到校正气膜孔出口质量流量，防止倒流的目的。台阶型收缩气膜孔结构具有加工简单便捷，成本较低的特点。有效地利用气膜孔结构，能大幅度提高气膜覆盖的稳定性，可提高燃气轮机高温部件气膜冷却效率，提高涡轮叶片、机匣的工作可靠性及寿命。

Description

一种台阶型收缩气膜孔结构
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，涉及一种用于稳定气膜孔出口流量的台阶型收缩气膜孔结构。
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，推重比10的一级发动机的涡轮进口温度已达到1900K～2000K，已远远超出了涡轮叶片材料的耐热极限。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，大部分涡轮部件的气膜孔是处于不稳定的压力波动。以涡轮叶片气膜冷却为例，由于处于上游的涡轮叶片压力面和吸力面压力的不同及叶片尾缘效应的影响，在环形燃气通道的周向会形成周期性压力的波动，对下游涡轮叶片前缘气膜孔的气膜冷却造成较大的影响；同样的情况也发生在涡轮机匣表面气膜冷却现象，由于叶片叶尖掠过机匣表面的影响，机匣壁面的压力也随时间呈现较大的波动，当叶片压力面接近该点时，其感受的压力会较高，当吸力面接近该点时，其感受的压力会较低。剧烈的主流压力波动导致了气膜孔出口质量流量也呈现了较大的波动，甚至出现了倒流与顺流交替出现的流动方式，不利于气膜的有效覆盖。因此，基于稳态边界条件下获得的孔型并不具备校正压力波动的特性，迫切需要一种孔型结构能够减弱主流压力波动效应，稳定气膜孔出口质量流量。
Exploitation of Acoustic Effects in Film Cooling([J].Journal ofEngineering for Gas Turbines&Power,2014,137(10):V05BT13A045.)的研究表明，对于受到主流压力波动影响的气膜孔而言，台阶型收缩气膜孔结构能稳定气膜孔出口质量流量，防止倒流现象，并能使得气膜覆盖更加稳定，提高气膜冷却效率的作用。台阶型收缩气膜孔的应用，为燃气轮机涡轮高温部件在复杂环境下工作提供更高的可靠性和使用寿命。
发明内容
为了避免主流压力波动的影响，稳定气膜孔出口质量流量，提高气膜冷却效率，本发明提出一种台阶型收缩气膜孔结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:对单孔径圆柱形气膜孔出口应用台阶型收缩过渡的形式，连接一个较细的直圆孔，组合成台阶型收缩气膜孔结构，其特征在于包括细圆柱孔、粗圆柱孔，所述细圆柱孔具有流向倾角α,倾角α取值范围为0～90°，不具有展向倾角，细圆柱孔直径为D1，直径D1取值范围为0.1～1mm，细圆柱孔长度为L1，L1/D1＝0～10；所述粗圆柱孔具有流向倾角α,倾角α取值范围为0～90°，不具有展向倾角，粗圆柱孔直径为D2，直径D2取值范围为0.1～1mm，粗圆柱孔长度为L2，L2/D2＝0～10。
所述细圆柱孔流向倾角与所述粗圆柱孔流向倾角相同。
组合成台阶型收缩气膜孔的细圆柱孔直径小于粗圆柱孔直径。
有益效果
本发明提出的台阶型收缩气膜孔结构，对单孔径圆柱形气膜孔出口应用台阶型收缩过渡的形式，连接一个较细的直圆孔，组合成台阶型收缩气膜孔结构。台阶型收缩气膜孔能增强对声波效应的反馈作用，对主流压力波动携带的声波效应进行有效校正，以达到校正气膜孔出口质量流量，防止倒流的目的。相比较于普通单孔径圆柱孔来说，台阶型收缩气膜孔的优势在于:能在主流压缩波未完全影响到孔内流动之前，膨胀波即削弱压缩波对二次流的影响，对主流波动影响进行校正，并且与膨胀波叠加对压缩波产生更强的反馈效果，更好地削弱主流压力波动对二次流的不良影响。
本发明台阶型收缩气膜孔结构具有加工简单便捷，成本较低的特点。由于燃气轮机高温部件存在压力波动的地方较多，有效地利用台阶型收缩气膜孔结构的适用性，提高气膜冷却效率，提高涡轮叶片、机匣工作可靠性及寿命。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种台阶型收缩气膜孔结构作进一步的详细说明。
图1为本发明台阶型收缩气膜孔结构示意图。
图2为本发明台阶型收缩气膜孔结构设置在叶片表面位置示意图。
图3为机匣表面台阶型收缩气膜孔位置示意图。
图4为本发明台阶型收缩气膜孔结构轴侧图。
图5为本发明台阶型收缩气膜孔结构主视图。
图中:
1.细圆柱孔 2.粗圆柱孔 3.叶片前缘气膜孔 4.机匣表面气膜孔
a.细圆柱孔入口压缩波 a1.台阶型连接处压缩波 a2.粗圆柱孔入口压缩波
b.台阶型连接处膨胀波 b2.粗圆柱孔入口处膨胀波
具体实施方式
本实施例是一种台阶型收缩气膜孔结构。
参阅图1～图5，本实施例是用于稳定气膜孔出口流量的台阶型收缩气膜孔结构。对单孔径圆柱形气膜孔出口应用台阶型收缩过渡的形式，连接一个较细的直圆柱形孔，组合成台阶型收缩气膜孔结构。台阶型收缩气膜孔能增强对声波效应的反馈作用，对主流压力波动携带的声波效应进行有效校正，以达到校正气膜孔出口质量流量，防止倒流的目的。其中，主流d沿着壁面向气膜孔出口流动，主流d的压力呈现剧烈的波动，压力波动携带着强烈的声波效应，当主流d到达气膜孔出口时，压力波动向四周扩散进入细圆柱孔1内，转化为细圆柱孔入口压缩波a向细圆柱孔1内传播，细圆柱孔入口压缩波a对二次流形成较强的反压所用，极容易导致倒流的发生，并且压缩波也使得二次流流量出现了非常大的波动，不利于气膜的有效覆盖。当细圆柱孔入口压缩波a到达细圆柱孔1与粗圆柱孔2的台阶型交接处时，一部分转化为台阶型连接处压缩波a1继续沿着粗圆柱孔2向孔内传播；另一部分则由于粗圆柱孔2的台阶型扩张效果，在台阶型交接处形成了一股较强的台阶型连接处膨胀波b向孔外传播，台阶型连接处膨胀波b能对细圆柱孔入口压缩波a的波动特性进行反馈，削弱了细圆柱孔入口压缩波a的不利影响，重新校正了二次流质量流量。当台阶型连接处压缩波a1到达粗圆柱孔2入口时，转化为粗圆柱孔入口压缩波a2；同样由于涡轮部件内冷通道的扩张作用，在连接处形成了一股粗圆柱孔入口处膨胀波b2沿着粗圆柱孔2向气膜孔出口传播，并且继续与细圆柱孔内的台阶型连接处膨胀波b叠加，增强对主流波动特性的削弱能力，更好地保证气膜孔出流的稳定性。
一方面，气膜孔结构可应用在涡轮叶片前缘附近的位置。由于处于上游的涡轮叶片压力面和吸力面压力的不同及叶片尾缘效应的影响，在环形燃气通道的周向会形成周期性压力的波动，对下游涡轮叶片前缘气膜孔的气膜冷却造成较大的影响。因此，在叶片前缘位置应用台阶型收缩气膜孔结构，细圆柱孔1和粗圆柱孔2不具有展向倾角,即展向指沿着Y轴方向，由于叶片壁面固有结构的限制，将细圆柱孔1直径为D1，D1＝0.1～1mm；细圆柱孔长度为L1，L1/D1＝0～10；粗圆柱孔2直径为D2，D2＝0.1～1mm；粗圆柱孔长度为L2，L2/D2＝0～10；将倾角α设定在0～90°范围内以增加气膜对叶片表面的贴敷性。在此基础上，将细圆柱孔1的直径D1设定为小于粗圆柱孔2的直径D2，形成收缩型台阶型气膜孔，台阶型收缩气膜孔结构能增强对声波效应的反馈作用，同时对主流压力波动携带的声波效应进行有效校正，以达到校正气膜孔出口质量流量，防止倒流的目的。有效地利用提高气膜冷却效率，提高涡轮叶片工作可靠性及寿命。
另一方面，气膜孔结构可应用在涡轮机匣壁面。由于叶片叶尖掠过机匣表面的影响，机匣壁面的压力也随时间呈现较大的波动，当叶片压力面接近该点时，其感受的压力会较高，当吸力面接近该点时，其感受的压力会较低，剧烈的压力波动对机匣气膜冷却造成较大的影响。因此，在涡轮机匣壁面应用台阶型收缩气膜孔结构，细圆柱孔1和粗圆柱孔2不具有展向倾角,即展向指沿着Y轴方向，由于机匣壁面固有结构的限制，将细圆柱孔1直径为D1，D1＝0.1～1mm；细圆柱孔长度为L1，L1/D1＝0～10；粗圆柱孔2直径为D2，D2＝0.1～1mm；粗圆柱孔长度为L2，L2/D2＝0～10；将倾角α设定在0～90°范围内以增加气膜对叶片表面的贴敷性。在此基础上，将细圆柱孔1的直径D1设定成小于粗圆柱孔2的直径D2，形成收缩型台阶型气膜孔，台阶型收缩气膜孔结构能增强对声波效应的反馈作用，同时对主流压力波动携带的声波效应进行有效校正，以达到校正气膜孔出口质量流量，防止倒流的目的。有效地利用提高气膜冷却效率，提高涡轮机匣工作可靠性及寿命。
实施例1
本实施例用于稳定气膜孔出口流量的台阶型收缩气膜孔结构，包括细圆柱孔1，粗圆柱孔2。对单孔径圆柱形气膜孔出口应用台阶型收缩过渡的形式，连接一个细圆柱孔，组合成台阶型收缩气膜孔结构。台阶型收缩气膜孔能增强对声波效应的反馈作用，以达到校正气膜孔出口质量流量，防止倒流的目的。其中，细圆柱孔1具有X向流向倾角α，流向倾角α＝30°，不具有Y轴方向展向倾角，细圆柱孔1直径为D1＝0.3mm，细圆柱孔长度为L1＝1mm；粗圆柱孔2具有X向流向倾角α，流向倾角α＝30°，不具有展向倾角，粗圆柱孔2流向倾角α与细圆柱孔1流向倾角一致；粗圆柱孔2直径为D2＝0.5mm，粗圆柱孔2长度为L2＝2mm。
对本实施例结构进行数值计算，并将其分别于D＝0.3mm、D＝0.5mm的直圆孔形气膜孔出口质量流量作以比较，以显现出台阶型收缩气膜孔的优势:当主流压力较高时，D＝0.3mm、D＝0.5mm的直圆孔均出现了比较明显的倒流现象；但是，台阶型收缩气膜孔出口质量流量却并没有出现倒流现象，并且，气膜孔质量流量更加稳定，也必然导致出口气膜覆盖较稳定，对提高壁面气膜冷却效率非常有益。
实施例2
本实施例用于稳定气膜孔出口流量的台阶型收缩气膜孔结构，包括细圆柱孔1，粗圆柱孔2。对单孔径圆柱形气膜孔出口应用台阶型收缩过渡的形式，连接一个细圆柱孔，组合成台阶型收缩气膜孔结构。台阶型收缩气膜孔能增强对声波效应的反馈作用，以达到校正气膜孔出口质量流量，防止倒流的目的。其中，细圆柱孔1具有X向流向倾角α，流向倾角α＝30°，不具有Y轴方向展向倾角，细圆柱孔1直径为D1＝0.3mm，细圆柱孔长度为L1＝0.6mm；粗圆柱孔2具有X向流向倾角α，流向倾角α＝30°，不具有展向倾角，粗圆柱孔流向倾角α与细圆柱孔1流向倾角一致；粗圆柱孔2直径为D2＝0.5mm，粗圆柱孔长度为L2＝2.4mm。
对本实施例结构进行数值计算，并将其分别于D＝0.3mm、D＝0.5mm的直圆孔形气膜孔出口质量流量作比较，以显现出台阶型收缩气膜孔的优势:当主流压力较高时，D＝0.3mm、D＝0.5mm的直圆孔均出现了比较明显的倒流现象；但是，台阶型收缩气膜孔出口质量流量却并没有出现倒流现象，使得气膜孔质量流量更加稳定，也必然导致出口气膜覆盖较稳定，对提高壁面气膜冷却效率非常有益。同时，相对于实施例1来说，在L1更短的情况下，缩短了膨胀波的反馈时间，对倒流现象有更好地抑制效果。

Claims (3)

1.一种台阶型收缩气膜孔结构，对单孔径圆柱形气膜孔出口应用台阶型收缩过渡的形式，连接一个较细的直圆孔，组合成台阶型收缩气膜孔结构，其特征在于:包括细圆柱孔、粗圆柱孔，所述细圆柱孔具有流向倾角α,倾角α取值范围为0～90°，不具有展向倾角，细圆柱孔直径为D1，直径D1取值范围为0.1～1mm，细圆柱孔长度为L1，L1/D1＝0～10；所述粗圆柱孔具有流向倾角α,倾角α取值范围为0～90°，不具有展向倾角，粗圆柱孔直径为D2，直径D2取值范围为0.1～1mm，粗圆柱孔长度为L2，L2/D2＝0～10。
2.根据权利要求1所述的台阶型收缩气膜孔结构，其特征在于:所述细圆柱孔流向倾角与所述粗圆柱孔流向倾角相同。
3.根据权利要求1所述的台阶型收缩气膜孔结构，其特征在于:组合成台阶型收缩气膜孔的细圆柱孔直径小于粗圆柱孔直径。
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