CN108729953A - 一种在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮 - Google Patents

一种在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮 Download PDF

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高杰
刘学峥
周云
董平
郑群
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Abstract

本发明提供一种在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮，包括机匣、叶片和轮毂，在机匣和轮毂之间沿圆周方向均匀安装涡轮叶片，在涡轮叶片之间的轮毂端壁上开有一系列气膜孔，在气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构。本发明设计的在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮能明显增加气膜孔冷气出流的横向铺展面积和气膜均匀性，从而提高涡轮轮毂端壁气膜冷却效果，同时还可略微提高涡轮端区气动性能，并且具有良好的工作可靠性。

Description

一种在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮
技术领域
本发明涉及一种涡轮，尤其涉及一种在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮。
背景技术
现代燃气轮机/航空发动机的工作温度已经远远超过金属材料的可承受温度。气膜冷却作为一种高效的先进冷却方式，被广泛应用于燃气轮机/航空发动机的高温部件冷却，包括涡轮叶片表面、轮毂端壁等位置的冷却。气膜冷却是将从压气机相应级中抽出的压缩冷却气体从一个或多个离散孔中喷射，在壁面形成一层气体薄膜以保护壁面不被高温气体烧蚀，而气膜冷却效果的高低直接影响到所需冷气量的多少，进而影响到燃气轮机/航空发动机整机的效率和性能。提高气膜冷却效果的关键是限制冷气从气膜孔喷射出后被高温气体吹离，同时扩大冷却气体在壁面的覆盖面积，特别是扩大冷气的横向铺展面积。气膜冷却最常用的冷却孔是圆柱孔，圆柱孔具有结构简单、不影响叶片强度、加工容易等优点，因此在工程中得到了广泛的应用，但随着涡轮进口温度的提高，圆柱孔气膜冷却效果偏低、冷气覆盖面积小等劣势越来越明显。由于现有技术的不足，人们一直希望有一种能有效提高圆柱孔气膜冷却效果的涡轮。
发明内容
本发明的目的是为了能明显增加气膜孔冷气出流的横向铺展面积和气膜均匀性，提高涡轮轮毂端壁气膜冷却效果，同时还可略微提高涡轮端区气动性能而提供一种在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮。
本发明的目的是这样实现的：包括机闸、轮毂、涡轮叶片，且涡轮叶片设置在机闸与轮毂之间且均匀沿圆周方向设置，在相邻的两个涡轮叶片之间的轮毂短臂上设置有一列气膜孔，在每列气膜孔的上游布置新月形沙丘凸台结构，新月形沙丘凸台结构的凸台内侧宽度小于其最大厚度位置距尾侧的宽度，其最大厚度位置距尾侧的宽度小于凸台整个宽度，凸台整个宽度与其最大厚度位置距尾侧的宽度之差大于凸台最大厚度位置距尾侧的宽度与凸台内侧宽度之差。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述新月形沙丘凸台单元数为气膜孔数的0.8～1.2倍。
2.所述新月形沙丘凸台距下游孔中心的距离为气膜孔直径的2～4倍。
3.所述新月形沙丘凸台的高度为端壁边界层厚度的0.2～3倍。
4.所述新月形沙丘凸台的单元宽度为气膜孔直径的2～6倍，新月形沙丘凸台内侧宽度、最大厚度位置距尾侧的宽度和凸台整个宽度分别为气膜孔直径的0.5～1.5倍、1～3倍和2～6倍。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明受到新月形沙丘结构的空气动力学特性研究方面工作的启发，在涡轮叶片轮毂端壁气膜孔上游布置一系列新月形沙丘凸台单元结构。由于新月形沙丘凸台单元会使主流产生一对与气膜孔出流所形成肾形涡的旋转方向相反的涡。该主流涡抑制了肾形涡的形成和膨胀，使得冷气出流的流动分离减小并更贴近轮毂端壁壁面，同时增加了冷气出流的横向铺展面积和气膜均匀性；同时，由于该单元的自然流线型结构特点，该单元自身带来的分离损失特别微小，且考虑到该单元对气膜孔出流分离流动的减小，因此，总体上该单元结构的引入能略微提高涡轮端区气动性能；此外，本发明结构简单，加工和工程应用也比较方便。
附图说明
图1是在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮子午视图；
图2是在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮示意图；
图3是端壁气膜孔上游新月形沙丘凸台结构的俯视图；
图4是图3中的A-A剖面图。
图中：c为新月形沙丘凸台距下游孔中心的距离，h为新月形沙丘凸台的高度，w为新月形沙丘凸台的宽度，l1、l2和l3分别为新月形沙丘凸台内侧宽度、最大厚度位置距尾侧的宽度和凸台整个宽度。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1～2，本发明由机匣1、涡轮叶片2和轮毂3组成，在机匣和轮毂之间沿圆周方向均匀安装涡轮叶片2，在涡轮叶片之间的轮毂端壁上开有一系列气膜孔4，在气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构5。新月形沙丘凸台单元数为气膜孔数的0.8～1.2倍。新月形沙丘凸台距下游孔中心的距离为气膜孔直径的2～4倍。新月形沙丘凸台的高度为端壁边界层厚度的0.2～3倍。新月形沙丘凸台的单元宽度为气膜孔直径的2～6倍，新月形沙丘凸台内侧宽度、最大厚度位置距尾侧的宽度和凸台整个宽度分别为气膜孔直径的0.5～1.5倍、1～3倍和2～6倍，且凸台内侧宽度小于其最大厚度位置距尾侧的宽度，其最大厚度位置距尾侧的宽度小于凸台整个宽度。
结合图3～4，制造本发明的在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮，首先采用传统设计方法设计好带端壁气膜孔的涡轮，然后对于给定的涡轮叶片及气膜孔具体结构和气动参数以及运行工况范围等情况，设计新月形沙丘凸台结构。
具体的设计步骤如下：
(1)根据涡轮叶片来流攻角范围、涡轮叶片及气膜孔结构和气动参数情况，确定新月形沙丘凸台距下游孔中心的距离c、新月形沙丘凸台的高度h、新月形沙丘凸台内侧宽度l1、最大厚度位置距尾侧的宽度l2和凸台整个宽度l3；
(2)根据涡轮叶片通道内流动情况和实际结构等因素，确定新月形沙丘凸台的宽度w及单元数，并借助试验或数值模拟等研究方法对其实际三维结构进行细微调整。
需注意的是，所述新月形沙丘凸台的单元数应与下游气膜孔数相当，但考虑到某些情况下下游气膜孔数可能较多，受气膜孔间距所限制，新月形沙丘凸台单元数也可比下游气膜孔数少一些，综合实际情况，所述新月形沙丘凸台单元数为气膜孔数的08～1.2倍。
根据新月形沙丘凸台结构下游旋涡的发展情况，所述新月形沙丘凸台距下游孔中心的距离c为气膜孔直径的2～4倍。对于新月形沙丘凸台的具体尺寸，凸台的高度如果过大则对涡轮端区的流动干扰较大，带来较大的损失，如果高度过小，则对下游气膜出流的影响较小，起不到相应的控制作用，总体上，所述新月形沙丘凸台的高度h为端壁边界层厚度的0.2～3倍；同样地，所述新月形沙丘凸台的单元宽度w为气膜孔直径的2～6倍，新月形沙丘凸台内侧宽度l1、最大厚度位置距尾侧的宽度l2和凸台整个宽度l3分别为气膜孔直径的0.5～1.5倍、1～3倍和2～6倍，且凸台内侧宽度l1小于其最大厚度位置距尾侧的宽度l2，其最大厚度位置距尾侧的宽度l2小于凸台整个宽度l3，凸台整个宽度l3与其最大厚度位置距尾侧的宽度l2之差大于凸台最大厚度位置距尾侧的宽度l2与凸台内侧宽度l1之差。
本发明的具体结构加工可采用传统的铸造方法进行，因此本发明结构简单，加工和工程应用也比较方便。
综上，本发明的目的在于提供一种在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮，包括机匣、叶片和轮毂，在机匣和轮毂之间沿圆周方向均匀安装涡轮叶片，在涡轮叶片之间的轮毂端壁上开有一系列气膜孔，在气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构。本发明设计的在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮能明显增加气膜孔冷气出流的横向铺展面积和气膜均匀性，从而提高涡轮轮毂端壁气膜冷却效果，同时还可略微提高涡轮端区气动性能，并且具有良好的工作可靠性。

Claims (9)

1.一种在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮，包括机闸、轮毂、涡轮叶片，且涡轮叶片设置在机闸与轮毂之间且均匀沿圆周方向设置，其特征在于：在相邻的两个涡轮叶片之间的轮毂短臂上设置有一列气膜孔，在每列气膜孔的上游布置新月形沙丘凸台结构，新月形沙丘凸台结构的凸台内侧宽度小于其最大厚度位置距尾侧的宽度，其最大厚度位置距尾侧的宽度小于凸台整个宽度，凸台整个宽度与其最大厚度位置距尾侧的宽度之差大于凸台最大厚度位置距尾侧的宽度与凸台内侧宽度之差。
2.根据权利要求1所述的一种在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮，其特征在于：所述新月形沙丘凸台单元数为气膜孔数的0.8～1.2倍。
3.根据权利要求1或2所述的一种在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮，其特征在于：所述新月形沙丘凸台距下游孔中心的距离为气膜孔直径的2～4倍。
4.根据权利要求1或2所述的一种在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮，其特征在于：所述新月形沙丘凸台的高度为端壁边界层厚度的0.2～3倍。
5.根据权利要求3所述的一种在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮，其特征在于：所述新月形沙丘凸台的高度为端壁边界层厚度的0.2～3倍。
6.根据权利要求1或2所述的一种在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮，其特征在于：所述新月形沙丘凸台的单元宽度为气膜孔直径的2～6倍，新月形沙丘凸台内侧宽度、最大厚度位置距尾侧的宽度和凸台整个宽度分别为气膜孔直径的0.5～1.5倍、1～3倍和2～6倍。
7.根据权利要求3所述的一种在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮，其特征在于：所述新月形沙丘凸台的单元宽度为气膜孔直径的2～6倍，新月形沙丘凸台内侧宽度、最大厚度位置距尾侧的宽度和凸台整个宽度分别为气膜孔直径的0.5～1.5倍、1～3倍和2～6倍。
8.根据权利要求4所述的一种在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮，其特征在于：所述新月形沙丘凸台的单元宽度为气膜孔直径的2～6倍，新月形沙丘凸台内侧宽度、最大厚度位置距尾侧的宽度和凸台整个宽度分别为气膜孔直径的0.5～1.5倍、1～3倍和2～6倍。
9.根据权利要求5所述的一种在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮，其特征在于：所述新月形沙丘凸台的单元宽度为气膜孔直径的2～6倍，新月形沙丘凸台内侧宽度、最大厚度位置距尾侧的宽度和凸台整个宽度分别为气膜孔直径的0.5～1.5倍、1～3倍和2～6倍。
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