CN108442985B - 一种具有提高静叶通道端壁冷却效率的槽缝冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有提高静叶通道端壁冷却效率的槽缝冷却结构，包括燃烧室出口端壁相对于静叶通道端壁的径向高度差和具有过渡圆角结构的槽缝结构；实际燃气涡轮工作时，从压气机引入的冷却射流进入射流槽，在槽缝与端壁接触段的圆角结构引导下进入叶栅通道的主流区域，因此减小了槽缝冷却射流进入主流时在槽缝出口处的流动分离，同时过渡圆角使槽缝冷却射流进入主流时的入射角变小。此外燃烧室出口端壁和静叶通道端壁存在相对高度使得主流和槽缝冷却射流在槽缝出口处的相互作用明显减弱，因此槽缝冷却射流能够紧贴端壁对下游静叶通道端壁进行充分的冷却保护。

Description

一种具有提高静叶通道端壁冷却效率的槽缝冷却结构

技术领域

本发明涉及一种槽缝冷却结构，特别涉及燃气涡轮燃烧室和静叶之间的具有提高静叶通道端壁冷却效率的槽缝冷却结构。

背景技术

燃气涡轮作为能源转化和利用的主要装置被广泛应用于发电，航空，化工和机械动力领域。随着能源需求的剧增和环境问题的日益突出，燃气涡轮的功率和热效率都随之不断提高，这些都给燃气涡轮的设计提出了更严格的要求。为了应对能源需求的不断增大和能源利用产生的环境污染问题，在燃气涡轮研发和设计中不断提高进口燃气温度显著提高燃气涡轮热效率，同时改进燃烧室的设计使燃气温度分布均匀以降低燃烧中心区域的燃气温度。改进后的设计使第一级静叶端壁附近的燃气温度显著提高，在高温的端壁次流作用下第一级静叶端壁的热负荷显著增大，从而严重影响其使用寿命和对整个燃气涡轮的运行安全产生威胁。

为了降低静叶通道端壁的热负荷，实际燃气涡轮中采用气膜冷却孔和通道端壁的缝隙冷却射流对静叶通道端壁进行冷却保护。此外，涡轮的燃烧室出口和涡轮进口由于各自独立加工，然后组合安装从而不可避免形成一个槽缝冷却结构。设计人员引入压气机高压段的冷气至该槽缝，既对下游静叶通道端壁进行冷却保护又可防止高温燃气入侵，从而对燃气轮机静叶端壁进行冷却保护。实际中常规的槽缝不能对静叶端壁进行充分的冷却保护，这是由于在静叶前缘强烈而复杂的涡系作用下冷却射流脱离端壁面，导致部分端壁区域无法得到冷却保护。大量研究表明：上游燃气的边界层流体在逆压梯度作用下，于静叶前缘上游一定位置处产生流动分离形成马蹄涡，一部分冷却射流被马蹄涡的左右分支卷吸脱离端壁面，另一部分冷却流体被限制在马蹄涡左右分支所形成的区域内。因此相邻马蹄涡左右分支之间的区域具有较高的冷却效率，然而静叶前缘附近及压力面侧附近端壁区域的冷却流体在涡流的作用下脱离端壁面，从而导致该区域的冷却效率极低而承受极高的热负荷。在高温燃气的长期作用下，静叶前缘和压力面侧附近端壁产生烧蚀现象，严重影响燃气涡轮的安全运行和使用寿命。传统燃气涡轮中在前缘附近引入一排离散气膜孔，且气膜孔冷却射流方向与马蹄涡在端壁附近的流动相反从而抑制了马蹄涡的发展同时减弱了在马蹄涡卷吸作用下被带入主流而脱离端壁的冷却射流。图1给出了一种带有燃烧室与涡轮的子午面示意图。燃气涡轮静叶3和燃气涡轮动叶1之间的轮缘密封2对静叶下游端壁进行冷却保护；燃烧室与涡轮间的上端壁槽缝4和燃烧室壁面气膜孔5对燃烧室6内表面进行有效的冷却保护。如图1中传统的槽缝冷却结构8和静叶端壁气膜孔9冷却结构可一定程度提高静叶前缘附近端壁冷却效率，然而静叶前缘及压力面侧附近附近的静叶通道端壁区域10依然无法得到充分的冷却保护。

因此，开发具有提高静叶通道端壁冷却效率的新型槽缝冷却结构对增加燃气涡轮使用寿命，保障静叶前缘附近端壁安全有效地工作具有十分重要的工程应用价值。

发明内容

针对燃气涡轮静叶通道端壁承受极高的热负荷且常规方法无法对静叶前缘和压力面侧附近端壁进行有效冷却的问题，本发明的目的在于提出一种具有提高静叶通道端壁冷却效率的槽缝冷却结构，通过槽缝冷却结构设计显著提高静叶前缘和压力面侧附近端壁的冷却效率从而提高静叶附近端壁的使用寿命且保障静叶前缘附近端壁安全有效地工作。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种具有提高静叶通道端壁冷却效率的槽缝冷却结构，该燃烧室出口下游端壁高于静叶通道端壁，即燃烧室出口下游端壁与静叶通道端壁存在燃烧室出口与静叶端壁高度差H，形成燃气涡轮的燃烧室与燃气涡轮静叶之间存在的槽缝冷却结构，用于引入冷却气流对下游的静叶通道端壁进行冷却，且槽缝冷却结构前表面和槽缝冷却结构后表面均采用过渡圆角结构与静叶通道端壁连接。

本发明进一步的改进在于，槽缝冷却结构后表面采用过渡圆角与静叶通道端壁连接，槽缝冷却结构后表面与静叶通道端壁的过渡圆角结构与静叶通道端壁在槽缝冷却结构后表面过渡圆角与静叶端壁切点相切。

本发明进一步的改进在于，槽缝冷却结构前表面采用过渡圆角结构与静叶通道端壁连接。

本发明进一步的改进在于，槽缝冷却结构前表面过渡圆角半径R₁与槽缝冷却结构后表面过渡圆角半径R₂相等R₁＝R₂，且槽缝冷却结构前表面过渡圆角半径R₁和槽缝冷却结构后表面过渡圆角半径R₂与槽缝出口宽度W的关系为：

本发明进一步的改进在于，燃烧室出口与静叶端壁高度差H与槽缝出口宽度W的关系为：

0.2W＜H＜0.5W。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明在槽缝入射段前后表面与静叶通道端壁面的接触段引入等半径的圆角结构相切过渡，同时提高燃烧室出口端壁相对于静叶通道端壁的高度。具体特征包括：

(1)槽缝入射段的前后表面和静叶通道端壁面的过渡圆角。由于燃烧室和涡轮各自独立加工制造，因此装配时在燃烧室出口和静叶出口端壁处形成槽缝冷却结构，将压气机高压段冷气引入既可以对下游静叶端壁进行冷却保护又可以防止高温燃气入侵。在槽缝前后表面与静叶通道端壁接触段引入过渡圆角可改变槽缝冷却射流进入主流区域时的方向，即过渡圆角使槽缝冷却射流进入主流时的入射角变小。

(2)提高燃烧室出口端壁相对于静叶通道端壁的高度。常规槽缝的前后端壁高度相等，槽缝冷却射流进入主流区域时会与燃烧室出口的具有高湍动能的高温燃气产生相互作用，一部分槽缝冷却射流会在主流的卷吸和拖拽作用下离开端壁面，从而使槽缝冷却射流的冷却效果减弱。提高提高燃烧室出口端壁相对于静叶通道端壁的高度，可减弱主流高温燃气与槽缝冷却射流之间的相互作用。

(3)过渡圆角与静叶端壁相切接触。在槽缝入射段的前后表面和静叶通道端壁面的接触段引入过渡圆角，同时过渡圆角和静叶通道端壁相切接触可减小冷却射流进入主流时的流动分离。

因此，本发明的总体技术思路是在燃烧室和涡轮之间的槽缝入射段的前后表面均引入过渡圆角，同时提高燃烧室出口端壁相对于涡轮进口处的静叶端壁高度。从压气机高压端引入的冷却射流，通过槽缝入射端的过渡圆角引导进入静叶上游的主流区域。冷却射流在过渡圆角的作用下紧贴槽缝端壁向下游移动，过渡圆角减弱了冷却射流进入主流时的分离，从而减小了端壁次流对冷却射流的卷吸和拖拽作用。此外，提高了燃烧室出口相对于涡轮进口端壁的高度能够显著减弱主流与冷却射流在槽缝出口处的相互作用。因此，采用燃烧室与涡轮间的槽缝冷却结构时，槽缝冷却射流紧贴静叶端壁对下游静叶通道端壁的冷却保护作用显著增强。

综上所述，本发明提供的具有提高静叶通道端壁冷却效率的槽缝冷却结构，在槽缝入射段过渡圆角结构的引导下可减小槽缝冷却射流进入主流时的流动分离，同时提高燃烧室出口端壁相对于静叶通道端壁的高度可减弱主流高温燃气与槽缝冷却射流的相互作用，从而显著提高静叶通道端壁的冷却效率，保证静叶通道端壁安全有效地工作。本发明的新型槽缝冷却结构对目前强化燃气涡轮中的静叶通道端壁冷却效果具有普遍适用性。

附图说明

图1是一种传统燃烧室—涡轮子午面剖视图和涡轮叶栅及端壁示意图；

图2是带有本发明的槽缝冷却结构的燃烧室—涡轮子午面剖视图和涡轮叶栅及端壁示意图。

图3和图4为图2在本发明槽缝冷却结构的局部放大图。

图5是带有本发明的槽缝冷却结构的涡轮叶栅及端壁冷却结构示意图。

图6为本发明的槽缝冷却结构示意图。

图7是本发明的槽缝冷却结构前后表面的过渡圆角与下游静叶通道端壁相切过渡示意图；

图8是带有本发明的槽缝冷却结构的涡轮端壁附近流动结构实体图；

图9是带有本发明的槽缝冷却结构的涡轮端壁附近流动结构相对位置示意图；

图中：1-燃气涡轮动叶，2-轮缘密封，3-燃气涡轮静叶，4-燃烧室与涡轮间的上端壁槽缝，5-燃烧室壁面气膜孔，6-燃烧室，7-燃烧室出口下游端壁，8-槽缝冷却结构，9-静叶端壁气膜孔，10-静叶通道端壁，11-槽缝出口宽度W，12-槽缝冷却结构前表面，13-槽缝冷却结构后表面，14-燃烧室出口与静叶端壁高度差H，15-燃烧室出口突扩台阶侧面，16-槽缝冷却结构前表面过渡圆角弧度α(即传统槽缝下的槽缝冷却射流入射角)，17-槽缝冷却结构前表面过渡圆角半径R₁，18-槽缝冷却结构后表面过渡圆角与静叶端壁切点，19-槽缝冷却结构后表面过渡圆角半径R₂，20-静叶前缘马蹄涡核心，21-静叶前缘马蹄涡核心距端壁高度H₁，22-静叶前缘三次涡核心，23-静叶前缘三次涡核心高度H₂，24-静叶前缘二次涡核心，25-静叶前缘二次涡核心高度H₃。

具体实施方式

以下结合附图和技术原理对本发明作进一步的详细说明。本发明的具体结构参见附图2～9，设计思路如下：

参见图2至图4，与图1中传统传统槽缝冷却结构相比，本发明的槽缝冷却结构8在槽缝冷却结构前表面12和-槽缝冷却结构后表面13与静叶通道端壁10接触段引入过渡圆角且产生槽缝上游的燃烧室出口与静叶端壁高度差H 14即燃烧室出口突扩台阶侧面15高度。其中，燃烧室出口与静叶端壁高度差H 14的确定与槽缝冷却结构的槽缝出口宽度W 11有关。

参见图5和图6，本发明的槽缝冷却结构8由槽缝冷却结构前表面12和槽缝冷却结构后表面13组成。槽缝冷却结构前表面12和槽缝冷却结构后表面13分别在燃烧室出口下游端壁7和涡轮静叶端壁10独立加工后组装。

参见图7，本发明的槽缝冷却结构前表面12和槽缝冷却结构后表面13与静叶端壁接触段的过渡圆角半径分别为槽缝冷却结构前表面过渡圆角半径R₁17和槽缝冷却结构后表面过渡圆角半径R₂19，为了保证槽缝内冷却流通道面积保持不变，因此前后表面与端壁面的过渡圆角半径相等(R₁＝R₂)，过渡圆角半径(R₁＝R₂)大小的确定与槽缝冷却结构的槽缝出口宽度W 11有关。槽缝冷却结构前表面过渡圆角弧度α16由槽缝射流方向与静叶通道端壁10的设计夹角决定。

参见图8，采用本发明的槽缝冷却结构后静叶上游端壁附近的流动结构示意图。本发明槽缝冷却结构提高了马蹄涡和二次涡以及三次涡距静叶端壁的距离。

参见图9，发明的槽缝冷却结构使静叶前缘马蹄涡核心20距静叶前缘马蹄涡核心距端壁高度H₁21，静叶前缘三次涡核心22距静叶前缘三次涡核心高度H₂23，静叶前缘二次涡核心24距静叶前缘二次涡核心高度H₃25提高。静叶前缘马蹄涡核心距端壁高度H₁21，静叶前缘三次涡核心高度H₂23和静叶前缘二次涡核心高度H₃25的变化与具体的流动边界条件和燃烧室出口与静叶端壁高度差H14有关。

本发明在实施中，首先通过数值模拟确定采用传统槽缝冷却结构时槽缝冷却射流进入主流时在静叶通道端壁10的流动分离程度，再根据给定的槽缝出口宽度W11，来确定过渡圆角半径R₁和R₂，由于槽缝的通流面积保持不变，因此槽缝冷却结构前表面12、槽缝冷却结构后表面13的过渡圆角半径相等R₁＝R₂。数值模拟结果显示在槽缝射流吹风比M＝1.0时，W＜R₁＝R₂＜1.5W时可显著减弱冷却射流进入主流时在静叶通道端壁10上的流动分离，且过渡圆角使槽缝冷却射流进入主流时的入射角变小。即采用本发明的槽缝冷却结构时，槽缝冷却射流的入射角小于槽缝与下游端壁夹角α(传统端壁下槽缝冷却射流的入射角)。此外，燃烧室出口端壁抬升高度0.2W＜H＜0.5W时主流高温燃气对槽缝冷却射流的拖拽和卷吸作用最弱。

本发明的技术原理如下：

参见图1，在燃气涡轮中，采用传统的槽缝冷却结构8和静叶端壁气膜孔9对静叶通道端壁10进行冷却保护。参见图8，大量研究表明高温燃气在静叶上游产生边界层分离形成马蹄涡，在马蹄涡的诱导下产生了二次涡。此外，在槽缝冷却射流和马蹄涡的作用下产生了三次涡。大量研究显示：强烈的端壁次流作用下，槽缝冷却射流被卷吸和拖拽脱离静叶通道端壁10导致静叶通道端壁部分区域的热负荷显著增大。研究表明：通过减少冷却射流在端壁面上的流动分离和减弱冷却射流进入主流区域时与主流高温燃气的相互作用可显著提高静叶通道端壁的冷却效率。本发明的槽缝冷却结构8通过增大燃烧室出口与静叶端壁高度差H 14来减弱槽缝冷却射流进入主流区域时与高温燃气的相互作用，此外在槽缝的前后表面引入过渡圆角结构可减小槽缝冷却射流进入主流时的入射角和冷却射流在静叶通道端壁10上的流动分离。因此，采用本发明的槽缝冷却结构可显著提高静叶前缘附近端壁的冷却效率。

本发明的槽缝冷却结构8通过适当增大燃烧室出口下游端壁7相对静叶通道端壁10的燃烧室出口与静叶端壁高度差H 14避免了槽缝冷却射流进入主流时与高温燃气在槽缝出口处的强烈相互作用，同时使得槽缝下游的马蹄涡和二次涡以及三次涡核心距静叶端壁的距离增大，从而减弱了涡流对槽缝下游静叶端壁面上冷却流体的卷吸和拖拽作用；另一方面，在槽缝前后表面引入过渡圆角结构能够明显减弱甚至消除槽缝冷却射流进入主流区域时在静叶通道端壁10上产生的流动分离同时过渡圆角使槽缝冷却射流进入主流时的入射角变小，因此更多的槽缝冷却射流能够紧贴壁面向下游移动，提高下游端壁的冷却效率。

数值模拟结果已初步证明了本发明的槽缝冷却结构8能够明显减弱主流与槽缝冷却射流在槽缝出口处的相互作用，同时大幅减少槽缝冷却射流脱离端壁减小槽缝冷却射流进入主流时的入射角，从而显著提高静叶通道端壁的冷却效率。

Claims (1)

1.一种具有提高静叶通道端壁冷却效率的槽缝冷却结构，其特征在于，燃烧室出口下游端壁(7)高于静叶通道端壁(10)，即燃烧室出口下游端壁(7)与静叶通道端壁(10)存在燃烧室出口与静叶端壁高度差H(14)，形成燃气涡轮的燃烧室(6)与燃气涡轮静叶(3)之间存在的槽缝冷却结构(8)，用于引入冷却气流对下游的静叶通道端壁(10)进行冷却，且槽缝冷却结构前表面(12)和槽缝冷却结构后表面(13)均采用过渡圆角结构与静叶通道端壁(10)连接；

槽缝冷却结构后表面(13)采用过渡圆角与静叶通道端壁(10)连接，槽缝冷却结构后表面(13)与静叶通道端壁(10)的过渡圆角结构与静叶通道端壁(10)在槽缝冷却结构后表面过渡圆角与静叶端壁切点(18)相切；槽缝冷却结构前表面(12)采用过渡圆角结构与静叶通道端壁(10)连接；

槽缝冷却结构前表面过渡圆角半径R₁(17)与槽缝冷却结构后表面过渡圆角半径R₂(19)相等R₁＝R₂，且槽缝冷却结构前表面过渡圆角半径R₁(17)和槽缝冷却结构后表面过渡圆角半径R₂(19)与槽缝出口宽度W(11)的关系为：

W＜R₁＝R₂＜1.5W

燃烧室出口与静叶端壁高度差H(14)与槽缝出口宽度W(11)的关系为：

0.2W＜H＜0.5W。

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