CN106761947B - 一种用于涡轮叶片的漏斗型气膜孔结构 - Google Patents
一种用于涡轮叶片的漏斗型气膜孔结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于涡轮叶片的漏斗型气膜孔结构，是在气膜冷却孔进口处上下壁面分别进行三维型面扩张，倾斜圆柱气膜孔具有流向倾角α；气膜孔进口下壁面扩张部分倒圆角轮廓线与气膜孔下壁面中心点相交于点A处；气膜孔进口上壁面扩张部分与倾斜圆柱气膜孔中心线夹角为β，圆锥型面轮廓线与气膜孔上壁面中心点相交于点B处。气膜孔结构通过一次倒圆角，一次扩孔直接加工成形，加工工艺简单，成本较低。漏斗型气膜孔结构使得入口下壁面处流体转向角度大幅减小，流体受离心力作用减弱，孔内部的弯管效应明显变弱。冷气在气膜孔内流动涡强度降低，流场均匀，冷气喷出气膜孔后能更好地贴附在壁面上，气膜冷却效率得到明显提高。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机涡轮叶片的冷却技术，具体地说，涉及一种用于涡轮叶片的漏斗型气膜孔结构。
技术背景
随着燃气轮机技术的飞速发展，涡轮进口温度已远超涡轮叶片的耐温极限，因此需要采用先进的冷却技术对涡轮叶片进行冷却。气膜冷却是广泛应用于燃气轮机涡轮叶片上的冷却技术之一，是指从压气机中抽取冷却空气并输运至涡轮叶片内部冷却通道中，通过离散的孔或缝流出，并在燃气作用下贴附在涡轮叶片附近，形成温度较低的冷气膜，以达到将壁面同高温燃气隔离同时带走部分高温燃气或明亮火焰对壁面的辐射热量的目的，从而对涡轮叶片起到良好的保护作用。
目前，涡轮叶片气膜冷却中主要采用圆柱型气膜孔，但是圆柱型气膜孔的射流比较集中，叶片表面气膜很难较好地覆盖气膜孔下游区域。随着燃气轮机性能的日益提高，圆柱型孔在气膜冷却技术中的缺陷就显得越来越明显。
上世纪八十年代，国外学者Goldstein,R.J.对气膜孔内涡结构进行了分析研究，结果发现冷却气体从供气腔进入气膜孔时发生较大的气流转向，在气膜孔进口处气体弯管效应明显，在气膜孔内会形成较强的分离涡，从而影响气膜出流后的冷却效率。因此，许多学者提出了不同形状的异型孔并详细分析其流动特征。
发明专利200910121310.8中公开了“一种方变腰形缝型气膜冷却孔”，由于气膜孔型面的变化，冷气流流入气膜孔后逐渐发展，能够提高气膜冷却效果。发明专利US Patent7328580中公开了“一种在出口截面扩张的V型孔结构”，通过出口型面的扩张，能够有效地提高气膜冷却效率。这些改进结构虽然能够有效提高气膜冷却效率，但加工难度较大，成本较高，并不适用于实际叶片。
发明内容
为了提高圆柱孔形的气膜冷却效率，并克服现有技术中异形孔加工困难、成本较高的问题，本发明提出一种用于涡轮叶片的漏斗型气膜孔结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括叶片内冷却通道、吸力面漏斗型气膜孔、压力面漏斗型气膜孔、倾斜圆柱气膜孔、气膜孔进口下壁面扩张部分、气膜孔进口上壁面扩张部分，在涡轮叶片的压力面上设有压力面漏斗型气膜孔，在吸力面上设有吸力面漏斗型气膜孔，压力面漏斗型气膜孔和吸力面漏斗型气膜孔的两端分别形成气流的出口和入口,且与叶片内冷却通道相通，其特征在于在倾斜圆柱气膜孔进口处上下壁面分别进行三维型面扩张，倾斜圆柱气膜孔进口处上下壁面被扩大成为气膜孔进口下壁面扩张部分、气膜孔进口上壁面扩张部分，倾斜圆柱气膜孔进口下壁面通过倒圆角形成扩张型面，倒圆角轮廓线与倾斜圆柱气膜孔下壁面中心点相交于点A处；倾斜圆柱气膜孔进口上壁面通过圆锥形扩张为圆锥孔型面，气膜孔进口上壁面圆锥形扩张部分与倾斜圆柱气膜孔中心线夹角为β，圆锥型面轮廓线与气膜孔上壁面中心点相交于点B处；倾斜圆柱气膜孔具有流向倾角α,倾斜圆柱气膜孔直径为D。
所述倾斜圆柱气膜孔的流向倾角α取值范围为30～60°，倾斜圆柱气膜孔直径D取值范围为0.3～2mm。
所述气膜孔进口下壁面扩张部分倒圆角直径d的取值范围是0.2～0.8D。
所述气膜孔进口上壁面圆锥形扩张部分与倾斜圆柱气膜孔中心线夹角为β的取值范围为5～15°。
有益效果
本发明提出的一种用于涡轮叶片的漏斗形气膜孔结构，是在气膜冷却孔进口处上下壁面分别进行三维型面扩张，气膜孔进口下壁面通过倒圆角形成扩张型面，气膜孔进口上壁面形成为圆锥型孔型面。倾斜圆柱气膜孔具有流向倾角α；气膜孔进口下壁面扩张部分倒圆角轮廓线与气膜孔下壁面中心点相交于点A处。气膜孔进口上壁面扩张部分与倾斜圆柱气膜孔中心线夹角为β，圆锥型面轮廓线与气膜孔上壁面中心点相交于点B处。气膜孔结构通过一次倒圆角，一次扩孔直接加工而成，加工工艺简单，成本较低。漏斗型气膜孔结构使得入口下壁面处流体转向角度大幅减小，流体受离心力作用减弱，孔内部的弯管效应明显变弱。冷气在气膜孔内流动涡强度降低，气流流场均匀，降低了冷却与主流的掺混作用，冷气喷出气膜孔后能更好地贴附在壁面上，气膜冷却效率得到明显提高。
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漏斗型气膜孔结构作进一步的详细说明。
图1为本发明漏斗型气膜孔结构位置示意图。
图2为本发明漏斗型气膜孔结构示意图。
图3为本发明漏斗型气膜孔主视图。
图4为本发明漏斗型气膜孔俯视图。
图中
1.压力面漏斗型气膜孔 2.吸力面漏斗型气膜孔 3.叶片内冷却通道 4.倾斜圆柱气膜孔 5.气膜孔进口下壁面扩张部分 6.气膜孔进口上壁面扩张部分
具体实施方式
本实施例是一种用于涡轮叶片的漏斗型气膜孔结构。
参阅图1～图4，本实施例用于涡轮叶片的漏斗型气膜孔结构由叶片内冷却通道3、吸力面漏斗型气膜孔2、压力面漏斗型气膜孔1、倾斜圆柱气膜孔4、气膜孔进口下壁面扩张部分5、气膜孔进口上壁面扩张部分6组成；在涡轮叶片上分别设置有压力面漏斗型气膜孔1和吸力面漏斗型气膜孔2，压力面漏斗型气膜孔1和吸力面漏斗型气膜孔2的两端分别形成气流的出口和进口,且与叶片内冷却通道3相连通。在倾斜圆柱气膜孔进口处上下壁面分别进行三维型面扩张，倾斜圆柱气膜孔进口处上下壁面被扩大成为气膜孔进口下壁面扩张部分5、气膜孔进口上壁面扩张部分6；倾斜圆柱气膜孔进口下壁面通过倒圆角形成扩张型面，倒圆角轮廓线与倾斜圆柱气膜孔下壁面中心点相交于点A处；倾斜圆柱气膜孔进口上壁面通过圆锥形扩张为圆锥孔型面，气膜孔进口上壁面扩张部分6与倾斜圆柱气膜孔4中心线夹角为β，圆锥型面轮廓线与气膜孔上壁面中心点相交于点B处；倾斜圆柱气膜孔4具有流向倾角α,倾斜圆柱气膜孔直径为D。
其中，倾斜圆柱气膜孔4的流向倾角α取值范围为30～60°，倾斜圆柱气膜孔直径D取值范围为0.3～2mm。气膜孔进口下壁面扩张部分5倒圆角直径d的取值范围是0.2～0.8D。气膜孔进口上壁面圆锥形扩张部分6与倾斜圆柱气膜孔4中心线夹角为β的取值范围为5～15°。
实施例一
本实施例是应用于某型涡轮叶片上的的漏斗型气膜孔结构，在涡轮叶片上分别设置有压力面漏斗型气膜孔1和吸力面漏斗型气膜孔2，压力面漏斗型气膜孔1和吸力面漏斗型气膜孔2的两端分别形成气流的出口和进口,且与叶片内冷却通道3相通供气。倾斜圆柱气膜孔4入口被扩大，倾斜圆柱气膜孔进口下壁面通过倒圆角成扩张型面，倾斜圆柱气膜孔进口上壁面通过圆锥形扩张为圆锥型面。倾斜圆柱气膜孔4的倾角α为30°，倾斜圆柱气膜孔4直径D为2mm。气膜孔进口下壁面扩张部分5的倒圆直径为d，与流向倾斜圆柱气膜孔4的直径比d/D为0.8，倒圆角轮廓线与气膜孔下壁面中心点相交于点A处。气膜孔进口上壁面扩张部分6与流向倾斜圆柱气膜孔4的中心线夹角β为15°，圆锥型面轮廓线与气膜孔上壁面中心点相交于点B处。
本实施例中，倾斜圆柱气膜孔流向倾角α为30°，在其取值范围内属于较小的值，此时，冷却流体进入气膜孔后角度偏转更大，“弯管效应”更显著，因此在气膜孔进口处采用较大直径比的导圆及较大的圆锥形扩张角，能有效地减小气膜孔内涡结构，进而提高气膜冷却效率。
实施例二
本实施例是应用于某型涡轮叶片上的的漏斗型气膜孔结构，在涡轮叶片上分别设置有压力面漏斗型气膜孔1和吸力面漏斗型气膜孔2，压力面漏斗型气膜孔1和吸力面漏斗型气膜孔2的两端分别形成气流的出口和进口,且与叶片内冷却通道3相通供气。倾斜圆柱气膜孔4入口被扩大，倾斜圆柱气膜孔进口下壁面通过倒圆角成扩张型面，倾斜圆柱气膜孔进口上壁面通过圆锥形扩张为圆锥型面。倾斜圆柱气膜孔4的倾角α为45°，倾斜圆柱气膜孔4直径D为1mm。气膜孔进口下壁面张部分5的导圆直径为d，与流向倾斜圆柱气膜孔4的直径比d/D为0.5，倒圆角轮廓线与气膜孔下壁面中心点相交于点A处。气膜孔进口上壁面扩张部分6与流向倾斜圆柱气膜孔4的中心线夹角β为10°，圆锥型面轮廓线与气膜孔上壁面中心点相交于点B处。
本实施例与实施例一的结构相比，本实例中结构的气膜孔径较小，气膜孔倾角较大，冷却流体进入气膜孔后“弯管效应”有所减弱，因此在气膜孔进口处采用直径比适中的导圆及圆锥形扩张角，即能有效地提高气膜冷却效率。
实施例三
本实施例是应用于某型涡轮叶片上的的漏斗型气膜孔结构，在涡轮叶片上分别设置有压力面漏斗型气膜孔1和吸力面漏斗型气膜孔2，压力面漏斗型气膜孔1和吸力面漏斗型气膜孔2的两端分别形成气流的出口和进口,且与叶片内冷却通道3相通供气。倾斜圆柱气膜孔4入口被扩大，倾斜圆柱气膜孔进口下壁面通过倒圆角成扩张型面，倾斜圆柱气膜孔进口上壁面通过圆锥形扩张为圆锥型面。倾斜圆柱气膜孔4的倾角α为60°，倾斜圆柱气膜孔4直径D为0.3mm。气膜孔进口下壁面扩张部分5的导圆直径为d，与流向倾斜圆柱气膜孔4的直径比d/D为0.2，倒圆角轮廓线与气膜孔下壁面中心点相交于点A处。气膜孔进口上壁面扩张部分6与流向倾斜圆柱气膜孔4的中心线夹角β为5°，圆锥型面轮廓线与气膜孔上壁面中心点相交于点B处。
本实施例与实施例一和实施例二中的结构相比，本实例中结构的流向倾角更大，气膜孔直径更小，流体进入气膜孔后的转向更小，综合考虑到孔径减小所带来的加工难度问题，本实例中选取了最小的圆锥形扩张角及导圆角，提高了气膜冷却效果。
Claims (1)
1.一种用于涡轮叶片的漏斗型气膜孔结构，包括叶片内冷却通道、吸力面漏斗型气膜孔、压力面漏斗型气膜孔，吸力面漏斗型气膜孔、压力面漏斗型气膜孔均包括倾斜圆柱气膜孔、气膜孔进口下壁面扩张部分、气膜孔进口上壁面扩张部分，在涡轮叶片的压力面上设有压力面漏斗型气膜孔，在吸力面上设有吸力面漏斗型气膜孔，压力面漏斗型气膜孔和吸力面漏斗型气膜孔的两端分别形成气流的出口和入口,且与叶片内冷却通道相通，其特征在于:在倾斜圆柱气膜孔进口处上下壁面分别进行三维型面扩张，倾斜圆柱气膜孔进口处上下壁面被扩大成为气膜孔进口下壁面扩张部分、气膜孔进口上壁面扩张部分，倾斜圆柱气膜孔进口下壁面通过倒圆角形成扩张型面，气膜孔进口下壁面扩张部分倒圆角直径d的取值范围为0.2～0.8D；倾斜圆柱气膜孔进口上壁面通过圆锥形扩张为圆锥孔型面，气膜孔进口上壁面圆锥形扩张部分与倾斜圆柱气膜孔中心线夹角为β，气膜孔进口上壁面圆锥形扩张部分与倾斜圆柱气膜孔中心线夹角β的取值范围为5～15°；倾斜圆柱气膜孔具有流向倾角α,倾斜圆柱气膜孔直径为D，倾斜圆柱气膜孔的流向倾角α取值范围为30～60°，倾斜圆柱气膜孔直径D取值范围为0.3～2mm。
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