CN106593543B - 一种用于涡轮叶片的拱型凹槽气膜冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于涡轮叶片的拱型凹槽气膜冷却结构，通过在气膜孔出口设置拱形凹槽前缘与带倒圆角的凹槽后缘而成。拱形凹槽前缘通过将横向凹槽的底部与四分之一圆柱弧求差得到，且圆柱弧的半径小于槽深。拱形前缘有效地将气流离开气膜孔后的法向速度平顺过渡为流向速度，避免大量冷却气流直接射入主流造成冷气损失；冷却气流速度的平缓过渡，减小了射流的动量损失，使射流更好地贴覆壁面。带倒圆角的凹槽后缘减少了射流与后缘的碰撞，从而降低了冷却气流的流动阻力，使得射流更加容易的分向两边，增加冷气的展向覆盖，与此同时，还可使得爬升出凹槽的冷气紧紧贴覆在近壁面处，形成气膜对凹槽下游壁面保护,冷却效果好。

Description

一种用于涡轮叶片的拱型凹槽气膜冷却结构

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拱型凹槽气膜冷却结构。

技术背景

随着燃气轮机性能的改善,涡轮入口温度不断提高,现如今一些先进发动机的涡轮前进口温度已经达到2000K以上，因此，必须使用有效的冷却措施对涡轮叶片进行保护，避免叶片受到高温腐蚀和损伤。气膜冷却是叶片上使用的典型冷却方式之一。气膜冷却就是在壁面附近沿切线或以一定角度射入一股低温气流，用以将高温燃体与壁面隔离，达到对受热壁面的冷却保护作用。

气膜圆柱孔型作为最早出现的孔型，得到了广泛的应用和研究。但是在随后的研究中发现圆柱孔所形成的气膜无法对孔间区域形成冷却保护，射流气体抬高使得近壁面无法形成气膜覆盖。随着气膜冷却技术的发展发现在气膜孔出口处沿着与冷气流动垂直的方向开一个有一定深度和宽度的横槽，可显著改善槽下游冷却壁面的冷却效果，但位于气膜孔出口处的凹槽后缘对射流的阻挡作用很强，射流很难向两边扩散，而且会在凹槽内形成回流涡大大的增加了流动阻力，流向孔间的射流十分有限，无法形成均匀的的气膜覆盖，而且射流离开气膜孔后由于法向速度较大造成大量的射流射入主流，气膜无法形成在近壁面处，冷却效果并不是太理想，因而很多学者通过改变凹槽前缘后缘结构来改善气膜冷却效果。类似缝槽气膜孔结构也被提出的，但是由于斜坡状凹槽前后缘使得射流不能实现平缓过渡，造成动量损失，射流的法相速度并没有得到明显改善。而且蒋永健等人发现凹槽后缘改成斜坡形状能够改善射流的展向覆盖范围，但是对冷却效率的提高并不明显。从而使得减小法相速度和提高射流的展向扩散能力的提升有限。

发明内容

为了避免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，使得射流在近壁面处形成有效的气膜，本发明提出一种用于涡轮叶片的拱型凹槽气膜冷却结构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括凹槽前缘、气膜孔板、气膜孔、凹槽后缘、圆柱弧、倒圆角、压力面拱型凹槽气膜孔、吸力面拱型凹槽气膜孔、内冷通道、扇形气膜孔，在涡轮叶片的压力面上设有压力面拱型凹槽气膜孔，在吸力面上设有吸力面拱型凹槽气膜孔，压力面拱型凹槽气膜孔和吸力面拱型凹槽气膜孔的两端分别形成气流的出口和入口,且与叶片内冷通道相通，其特征在于在气膜孔出口部位设置有凹槽前缘与凹槽后缘，凹槽前缘与凹槽后缘组合形成拱形凹槽，位于气膜孔板上面，凹槽前缘底部与气膜孔出口前缘平齐，凹槽后缘与气膜孔出口后缘平齐；凹槽前缘与凹槽后缘的间距为W,凹槽前缘与凹槽后缘的厚度为H；气膜孔展向间距为S；

所述气膜孔最小截面当量直径D_f取值范围为0.3～2mm，气膜孔流向倾角θ取值范围为30～60°,气膜孔展向间距距S取值范围为2D_f～4D_f；凹槽前缘与凹槽后缘的厚度H取值范围为0.5D_f～1.5D_f；

所述凹槽前缘为拱形结构,通过将横向凹槽的底部与圆柱弧求差得到，用于求差的圆柱弧半径R_l比凹槽前缘厚度H小0.1D_f；

所述凹槽后缘带有倒圆角,倒圆角半径R_t的取值范围为0.3D_f～1.5D_f。

所述气膜孔为圆柱气膜孔或扇形气膜孔。

所述圆柱弧为四分之一圆柱。

有益效果

本发明提出的一种用于涡轮叶片的拱型凹槽气膜冷却结构。通过在气膜孔出口设置拱形凹槽前缘与带倒圆角的凹槽后缘而成。拱形凹槽前缘通过将横向凹槽的底部与四分之一圆柱求差得到，且圆柱弧的半径小于槽深。拱形前缘可有效将气流离开气膜孔后的法向速度平顺过渡为流向速度，避免大量冷却气流直接射入主流造成冷气损失；此外，冷却气流速度的平缓过渡，减小了射流的动量损失，同时使射流更好地贴覆壁面。带倒圆角的凹槽后缘减少了射流与后缘的碰撞，从而降低了冷却气流的流动阻力，使得射流更加容易的分向两边，增加冷气的展向覆盖，与此同时，还可使得爬升出凹槽的冷气紧紧贴覆在近壁面处，形成气膜对凹槽下游壁面进行保护，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拱型凹槽气膜冷却结构作进一步详细说明。

图1为本发明拱形凹槽气膜冷却结构示意图。

图2为本发明拱形凹槽气膜冷却结构俯视图。

图3为本发明拱形凹槽气膜冷却结构剖视图。

图4为本发明用于涡轮叶片的拱形凹槽气膜冷却结构位置示意图。

图5a、图5b为本发明拱形凹槽带扇形气膜孔局部结构示意图。

图中

1.凹槽前缘 2.气膜孔板 3.气膜孔 4.凹槽后缘 5.圆柱弧 6.倒圆角 7.压力面拱形凹槽气膜孔 8.吸力面拱形凹槽气膜孔 9.内冷通道 10.扇形气膜孔

A.扇形气膜孔主流燃气 B.冷却气膜 C.冷却气流 D.气膜孔侧向出流

E.气膜孔中心出流 D_f.气膜孔最小截面当量直径 θ.气膜孔流向倾角

S.气膜孔展向间距 W.凹槽前缘与凹槽后缘间距 H.凹槽厚度

R_l.用于求差的四分之一圆柱弧半径 R_t.倒圆角半径；

具体实施方式

本实施例是一种用于涡轮叶片的拱型凹槽气膜冷却结构。

参阅图1～图5b,本实施例用于涡轮叶片的拱型凹槽气膜冷却结构。在位于气膜孔板2上的气膜孔3出口设置有拱形凹槽前缘1和带倒圆角的凹槽后缘4，拱形凹槽前缘1和带倒圆角的凹槽后缘4组合形成拱形凹槽。其中，气膜孔3最小截面当量直径D_f取值范围为0.3～2mm，流向倾角θ的取值范围为30～60°；拱形凹槽前缘1和带倒圆角的凹槽后缘4的厚度为H。拱形凹槽前缘1和带倒圆角的凹槽后缘4的厚度为H,其取值范围为0.5D_f～1.5D_f。拱形凹槽前缘1通过将横向凹槽的底部与四分之一圆柱求差得到，其中用于求差的圆柱弧5半径为R_l，其值比拱形凹槽前缘1厚度H小0.1D_f。带倒圆角的凹槽后缘4是在横向凹槽的基础上加入倒圆角设计而成。带倒圆角的凹槽后缘4的倒圆角半径R_t的取值范围为0.3D_f～1.5D_f。拱形凹槽前缘1和带倒圆角的凹槽后缘4的间距为W，气膜孔3的展向间距为S，其范围为2D_f～4D_f。其中拱形凹槽前缘1底部与气膜孔3出口前缘平齐，带倒圆角的凹槽后缘4与气膜孔3出口后缘平齐。拱形凹槽前缘1和带倒圆角的凹槽后缘4的厚度为H,其取值范围为0.5D_f～1.5D_f。

冷却气流C沿带一定倾角的气膜孔流出，其中气膜孔中心出流E一部分射流E沿着主流燃气A的流动方向“爬升”出凹槽，在孔中心线区域形成气膜，气膜孔侧向出流D一部分射流D，由于带倒圆角后缘增强向展向扩散的作用，在凹槽内向气膜孔3两侧扩散，与相邻气膜孔3分向两侧的气流，在孔间区域汇合并流出凹槽，在孔间区域形成有效的气膜覆盖。拱形前缘可有效减少冷却气流离开气膜孔后的法向速度，避免大量冷却气流直接射入主流造成的冷气损失；另外，冷却气流速度的平缓过渡，减小了射流的动量损失，同时使射流更好地贴覆壁面。拱形凹槽结构，可减小射流流向两侧的阻力增加气膜的展向覆盖，同时，使射流紧紧贴覆在近壁面处，具有非常好的冷却效果。

实施例一

本实施例是涡轮动叶上的拱型凹槽气膜冷却结构。在涡轮叶片的压力面布置带拱形凹槽气膜孔7，吸力面布置带拱形凹槽气膜孔8，由内冷却通道9供气；在位于气膜孔板2上的气膜孔3出口设置的拱形凹槽前缘1和带倒圆角的凹槽后缘4，拱形凹槽前缘1和带倒圆角的凹槽后缘4组合形成了拱形凹槽。

其中，气膜孔3直径D_f为0.5mm，流向倾角θ为30°。拱形凹槽前缘1和带倒圆角的凹槽后缘4的厚度H为1D_f，其值为0.5mm。拱形凹槽前缘1是通过将横向凹槽的底部与四分之一圆柱求差得到，其中用于求差的圆柱弧5半径R_l为0.9D_f，其值为0.45mm。带倒圆角的凹槽后缘4的倒圆角半径R_t为1D_f，其值为0.5mm。拱形凹槽前缘1和带倒圆角的凹槽后缘4的间距为W，其值为1mm。气膜孔3的展向间距S为3D_f，其值为1.5mm。其中拱形凹槽前缘1底部与气膜孔3出口前缘平齐，带倒圆角的凹槽后缘4与气膜孔3出口后缘平齐。

本实施例中，拱形凹槽的厚度H为1D_f，凹槽后缘的倒圆角半径R_t为1D_f，在其取值范围内属于较大的值，此时，拱形凹槽后缘的遮挡范围较广使得大量射流的法相速度平缓过渡为流向速度，而且前缘造成的流动阻力减弱，射流更容易流向孔间区域。冷却特性明显提高。

实施例二

本实施例是应用在涡轮动叶上的拱型凹槽气膜冷却结构。在涡轮叶片的压力面设置带拱形凹槽气膜孔7，在涡轮叶片的吸力面设置带拱形凹槽气膜孔8，由内冷却通道9供气；在位于气膜孔板2上的气膜孔3出口设置拱形凹槽前缘1与带倒圆角的凹槽后缘4，拱形凹槽前缘1与带倒圆角的凹槽后缘4组合形成拱形凹槽。其中拱形凹槽前缘1底部与气膜孔3出口前缘平齐，带倒圆角的凹槽后缘4与气膜孔3出口后缘平齐。

本实施例结构中，气膜孔3直径D_f为0.5mm，流向倾角θ为60°。拱形凹槽前缘1和带倒圆角的凹槽后缘4的厚度H为1D_f，其值为0.5mm。拱形凹槽前缘1是通过将横向凹槽的底部与四分之一圆柱求差得到，其中用于求差的圆柱弧5半径R_l为0.9D_f，其值为0.45mm。带倒圆角的凹槽后缘4的倒圆角半径R_t为0.5D_f，其值为0.25mm。拱形凹槽前缘1和带倒圆角的凹槽后缘4的间距为W，其值为0.714mm。气膜孔3的展向间距S为3D_f，其值为1.5mm。

本实施例结构中，气膜孔的流向倾角较大，凹槽前缘和后缘的间距减小，使得凹槽后缘拱形结构的作用增强，使得凹槽出口的射流流向速度明显提高。射流的流向速度增加压迫气膜孔出口后缘附近的射流，使其分向两边，增加射流的展向覆盖。

实施例三

本实施例是涡轮动叶上的拱型凹槽气膜冷却结构。在涡轮叶片的压力面布置带拱形凹槽气膜孔7，吸力面布置带拱形凹槽气膜孔8，由内冷却通道9供气，其特征在于：在位于气膜孔板2上的气膜孔10出口设置的拱形凹槽前缘1和带倒圆角的凹槽后缘4，拱形凹槽前缘1和带倒圆角的凹槽后缘4组合形成了拱形凹槽。其中，气膜孔10最小截面当量直径D_f为1mm，流向倾角θ为30°。拱形凹槽前缘1和带倒圆角的凹槽后缘4的厚度H为1.2D_f，其值为1.2mm。拱形凹槽前缘1是通过将横向凹槽的底部与四分之一圆柱求差得到，其中用于求差的圆柱弧半径R_l为1.1D_f，其值为1.1mm。带倒圆角的凹槽后缘4的倒圆角半径R_t为0.8D_f，其值为0.8mm。拱形凹槽前缘1和带倒圆角的凹槽后缘4的间距为W，其值为1.15mm。气膜孔3的展向间距S为3.5D_f，其值为3.5mm。其中拱形凹槽前缘1底部与气膜孔10出口前缘平齐，带倒圆角的凹槽后缘4与气膜孔3出口后缘平齐。

本实施例与实施例一和实施例二相比，本实例通过将圆柱形气膜孔改变成扇形气膜孔形成带拱形凹槽的扇形气膜孔结构，由于扇形气膜孔的存在，使得射流的展向分布均匀性得到进一步的提高，拱型凹槽减弱了凹槽的流动阻力，使得射流的动量损失减小，射流更加紧密的贴附在凹槽下游壁面，而且射流的延伸能力加强，冷却特性提高较为明显。

Claims (2)

1.一种用于涡轮叶片的拱型凹槽气膜冷却结构，包括压力面拱型凹槽气膜孔、吸力面拱型凹槽气膜孔、内冷通道，拱型凹槽气膜孔包括凹槽前缘、气膜孔板、气膜孔、凹槽后缘、圆柱弧、倒圆角，其特征在于:在气膜孔出口部位设置有凹槽前缘与凹槽后缘，凹槽前缘与凹槽后缘组合形成拱形凹槽，位于气膜孔板上面，凹槽前缘底部与气膜孔出口前缘平齐，凹槽后缘与气膜孔出口后缘平齐；凹槽前缘与凹槽后缘的底部间距为W,凹槽前缘与凹槽后缘的厚度为H；气膜孔展向间距为S；

所述气膜孔最小截面当量直径D_f取值范围为0.3～2mm，气膜孔流向倾角θ取值范围为30～60°,气膜孔展向间距S取值范围为2D_f～4D_f；凹槽前缘与凹槽后缘的厚度H取值范围为0.5D_f～1.5D_f；

所述凹槽前缘为拱形结构,通过将横向凹槽的底部与圆柱弧求差得到，用于求差的圆柱弧半径R_l比凹槽前缘厚度H小0.1D_f；所述圆柱弧为四分之一圆柱；

所述凹槽后缘带有倒圆角,倒圆角半径R_t的取值范围为0.3D_f～1.5D_f。

2.根据权利要求1所述的用于涡轮叶片的拱型凹槽气膜冷却结构，其特征在于:所述气膜孔为圆柱气膜孔。