CN109424367A - 适合于燃气轮机的高压涡轮的冷却结构 - Google Patents

Abstract

一种适合于燃气轮机的高压涡轮的冷却结构，其不仅可以使冷气沿槽缝的出流更加均匀，防止燃气倒灌入侵，另外也加强了端壁前缘近压力面侧的冷却换热。该冷却结构包括叶片端壁的前端面靠近涡轮叶片的吸力面侧布置的阻隔肋；以及叶片端壁的前端面上靠近涡轮叶片的压力面侧布置的多个气膜孔；其中，气膜孔以通孔的形式连接叶片端壁背面的冷却腔，P为涡轮叶片的节距，将0％P作为前端面上轴向对应一个涡轮叶片压力面的前缘侧位置，将100％P作为相对的相邻涡轮叶片的吸力面的前缘侧位置，阻隔肋在周向上分布在前端面上50％～100％P范围内，气膜孔在周向上分布在前端面上0％～50％P范围内。

Description

适合于燃气轮机的高压涡轮的冷却结构

技术领域

本发明涉及燃气轮机高压涡轮的叶片端壁的冷却结构。

背景技术

随着现代燃气轮机技术的不断发展，为了提高发动机的效率，燃气轮机高压涡轮进口温度也不断提高，目前先进发动机的高压涡轮进口温度均在1700--1850K之间，远远超过金属熔点。为保护高压涡轮叶片，延长其寿命，需要采用多种冷却方式冷却涡轮叶片。

对于涡轮叶片冷却，按冷却部位分为叶片型面冷却和叶片边缘区冷却。叶片边缘区域是指涡轮叶片的端壁、前缘、尾缘以叶顶等流动和换热复杂的区域，这其中尤其又以端壁的流动、换热和冷却设计最为复杂。在先进航空发动机的高压级涡轮中通常采用高负荷设计，叶栅展弦比较低，其端壁面积占到了整个叶栅通道面积的大部分，因此随着涡轮进口燃气温度的提高，再加之现代高效预混低NOx燃烧室出口径向温度剖面更加平缓，这就使得高压级涡轮端壁部位的换热与冷却问题更加突出。

在现代高性能燃气轮机和先进航空发动机中，气膜冷却是常用的冷却技术。在现有的对涡轮叶片端壁的冷却技术中，端壁主流侧冷却方案一般采用端壁上游槽缝泄漏流冷却和端壁通道中离散气膜冷却的组合方案。泄漏流因对端壁上游区域具有较好的冷却效果，近年来已成为端壁冷却研究领域的一个热点，受到了燃气轮机研究者和设计者的广泛关注。在发动机中，泄漏流通常起到两方面的作用：其一，是防止间隙处高温燃气的倒灌入侵，起到密封作用；其二，是对端壁的某些区域起到冷却保护作用。研究表明，槽缝出口面积较大，冷气出流具有更低的动量，并且在叶栅入口上游，主流流动相对简单，冷气与主流掺混更弱，掺混后也不会形成圆柱形气膜孔射流后对气膜冷却性能不利的肾形涡对，因此槽缝泄漏流的冷却效果要远远好于通道中的离散气膜孔，这也是近年来端壁泄漏流冷却被广泛关注的重要原因。端壁上游泄漏流冷却的区域恰好是端壁前缘马蹄涡和通道涡形成和开始迁移的区域，因此槽缝射流也极易受到这两个涡系的影响。泄漏流离开槽缝后大部分泄漏流立刻会朝向叶片吸力面迁移，造成泄漏流对通道压力面的冷却不足。同时，槽缝距离端壁通道入口较近时，由于槽缝出口压力分布非常不均匀，泄漏流沿通道压力面的出流更加困难，这表明槽缝在靠近端壁的压力面侧存在主流倒灌入侵的情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适合于燃气轮机的高压涡轮的冷却结构，其不仅可以使冷气沿槽缝的出流更加均匀，防止燃气倒灌入侵，另外也加强了端壁前缘近压力面侧的冷却换热。

根据本发明的适合于燃气轮机的高压涡轮的冷却结构，该燃气轮机的燃烧室内环承力壁和位于高压涡轮的叶片端壁的前端面之间的间隙构成了泄漏流冷却用槽缝，所述叶片端壁背面具有接受冷却气流的冷却腔，

所述冷却结构包括：

所述叶片端壁的前端面靠近涡轮叶片的吸力面侧布置的阻隔肋；以及

所述叶片端壁的前端面上靠近涡轮叶片的压力面侧布置的多个气膜孔；

其中，所述气膜孔以通孔的形式连接所述叶片端壁背面的冷却腔，

P为涡轮叶片的节距，将0％P作为所述前端面上轴向对应一个涡轮叶片压力面的前缘侧位置，将100％P作为所述前端面上轴向对应与该涡轮叶片压力面相对的相邻涡轮叶片的吸力面的前缘侧位置，所述阻隔肋在周向上分布在前端面上50％～100％P范围内，所述气膜孔在周向上分布在所述前端面上0％～50％P范围内。

根据本发明的一个实施例，所述阻隔肋的周向长度为40％P，所述气膜孔周向上分布长度为42％P。

根据本发明的一个实施例，所述气膜孔的孔径为1～1.2mm。

根据本发明的一个实施例，所述气膜孔中心距离端壁表面的垂直距离为1.5d。

根据本发明的一个实施例，所述阻隔肋的肋高约为所述槽缝轴向宽度的40％～45％。

根据本发明的一个实施例，阻隔肋(7)的肋宽为1.2倍于所述阻隔肋的肋高。

前述技术方案借助于阻隔肋减少了前端面上吸力面侧的冷气出流，使得冷气从压力面侧的出流有所提高，还借助于气膜孔通过从端壁背面的冷却腔引气的方式向前端面压力面侧又补充了部分冷气，不但防止了压力面侧的燃气倒灌入侵，同时也增加了槽缝出流冷气量，因此加强了端壁整个前缘区域的气膜覆盖效果，因此解决了涡轮叶片端壁在前缘靠近压力面侧冷却不足以及槽缝存在燃气倒灌问题，可以使冷气沿槽缝的出流更加均匀，防止燃气倒灌入侵，另外也加强了端壁前缘近压力面侧的冷却换热。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为燃气轮机的燃烧室与涡轮局部装配的示意图。

图2为根据本发明的适合于燃气轮机的高压涡轮的冷却结构的示意图。

图3为图2所示的冷却结构的俯视图。

图4为图2中I处的局部放大视图。

图5为端壁槽原冷却结构对应的端壁温度场的云图。

图6为根据本发明的适合于燃气轮机的高压涡轮的冷却结构对应的端壁温度场的云图。

图7为冷却结构在改进前和根据本发明改进后的端壁温度沿轴向分布曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

如图1所示，燃烧室内环承力壁1和位于涡轮叶片2下方的叶片端壁3的端面之间的间隙构成了槽缝4。图2、3、4、5为根据本发明的适合于燃气轮机的高压涡轮的冷却结构的示意图，其改进包括但不限于：在叶片端壁3的前端面6上靠近一个涡轮叶片2(图2中右下侧的涡轮叶片)的吸力面侧布置阻隔肋7；在叶片端壁3的前端面6上靠近该涡轮叶片的压力面侧布置多个气膜孔8。靠近的含义在后面将详细讨论，但通过接下来阻隔肋7和气膜孔8的功能描述，靠近的含义也能由本领域技术人员充分理解并相应地做出各种选择。首先，阻隔肋7减少了前端面6上吸力面侧的冷气出流，使得冷气从压力面侧的出流有所提高；其次，气膜孔8通过从叶片端壁3背面的冷却腔5引气的方式向前端面6压力面侧又补充了部分冷气，不但防止了压力面侧的燃气倒灌入侵，同时也增加了槽缝4出流冷气量，因此加强了叶片端壁3整个前缘区域的气膜覆盖效果。

结合图3和图4，P为高压涡轮的涡轮叶片的节距，将0％P作为前端面6上轴向对应一个涡轮叶片(图3中位于下方的叶片)压力面前缘侧的位置，将100％P作为前端面6上轴向对应与该涡轮叶片压力面前缘侧相对的涡轮叶片即相邻涡轮叶片(图3中位于上方的叶片)吸力面前缘侧的位置。在一个实施例中，阻隔肋7在周向上分布在前端面(6)上50％～100％P范围内；多个气膜孔8在周向上分布在前端面6上0％～50％P范围内。在此范围内设置阻隔肋7和气膜孔8，阻隔肋7能更有效地减少前端面6上吸力面侧的冷气出流，并且气膜孔8能更有效地通过从叶片端壁3背面的冷却腔5引气的方式向前端面6压力面侧又补充部分冷气。在优选的实施例中，阻隔肋7周向长度s为40％P，气膜孔(8)周向分布长度f为42％P。

本领域技术人员可以根据前述实施例的特征、效果的描述对气膜孔8、阻隔肋7进行更为详细的设计，例如气膜孔8的孔径d设置为1～1.2mm，数量视周向分布长度f合理布置，气膜孔8中心距离端壁3表面的垂直距离为1.5d；阻隔肋7的肋高h约为槽缝轴向宽度b的40％～45％，阻隔肋7的肋宽e为1.2h。

在图5、图6中，横轴x代表端壁的轴向位置，纵轴y代表端壁的周向位置，x轴和y轴都是无量纲值，即相对于1个Cax或者1个P的比值。例如，x轴上的0.5表示0.5Cax，y轴上的0.5表示0.5P，P为该高压涡轮的叶片节距，Cax为该涡轮叶片的轴向弦长。根据前述实施例的优化方案相对于原方案冷气用量保持不变，将原方案用于通道中部气膜冷却质量流量的15％通过端壁前端面的气膜孔出流，从图5、图6所示的温度场云图可以看出，根据前述实施例改进后的冷却结构使得叶片端壁的温度分布更加均匀，并且冷却效果得到提高。图7是叶片端壁温度沿轴向分布对比曲线图。在图7中，x轴与图5、6中x轴含义相同，纵轴为温度T，其是x值相同的平行于纵轴的直线上温度的线性平均值，同时结合图5、图6，可以看出，相对于原方案，优化方案的前缘压力面侧在靠近槽缝位置处的高温区域得到了消除，这说明燃气不会产生倒灌入侵。同时，由于槽缝整体出流冷却气量的增加，端壁前缘靠近压力面侧由于马蹄涡作用形成的高温角区大大缩小。虽然，优化方案由于减少了通道中部用于气膜冷却的冷气量，使得端壁中后部分的温度场相比原方案有所提高，但从端壁整体温度分布来看，由于前缘高温区域得到槽缝出流冷却，优化方案的端壁沿轴向的温度分布更为均匀、合理。

根据前述描述，可以理解到根据前述实施例提出的冷却结构，在叶片端壁前端吸力面侧采用阻隔肋、压力面侧采用气膜孔的冷却结构形式，可以解决槽缝存在燃气倒灌以及端壁前缘靠近压力面侧冷却不足的问题。

此外，还可以理解到，根据本发明的冷却结构形式简单，无需增加额外的冷却构件，完全利用现有的涡轮叶片冷却结构加工方法。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适合于燃气轮机的高压涡轮的冷却结构，该燃气轮机的燃烧室内环承力壁和位于高压涡轮的叶片端壁的前端面之间的间隙构成了泄漏流冷却用槽缝，所述叶片端壁背面具有接受冷却气流的冷却腔，

其特征在于，

所述冷却结构包括：

所述叶片端壁的前端面靠近涡轮叶片的吸力面侧布置的阻隔肋；以及

所述叶片端壁的前端面上靠近涡轮叶片的压力面侧布置的多个气膜孔；

其中，

所述气膜孔以通孔的形式连接所述叶片端壁背面的冷却腔，

P为涡轮叶片的节距，将0％P作为所述前端面上轴向对应一个涡轮叶片压力面的前缘侧位置，将100％P作为所述前端面上轴向对应与该涡轮叶片压力面相对的相邻涡轮叶片的吸力面的前缘侧位置，所述阻隔肋在周向上分布在前端面上50％～100％P范围内，所述气膜孔在周向上分布在所述前端面上0％～50％P范围内。

2.如权利要求1所述的冷却结构，其特征在于，所述阻隔肋的周向长度为40％P，所述气膜孔周向上分布长度为42％P。

3.如权利要求1所述的冷却结构，其特征在于，所述气膜孔的孔径为1～1.2mm。

4.如权利要求1所述的冷却结构，其特征在于，所述气膜孔中心距离端壁表面的垂直距离为1.5d。

5.如权利要求1所述的冷却结构，其特征在于，所述阻隔肋的肋高约为所述槽缝轴向宽度的40％～45％。

6.如权利要求5所述的冷却结构，其特征在于，阻隔肋(7)的肋宽为1.2倍于所述阻隔肋的肋高。