CN110080828A - 一种带线轴型扰流柱及双倒圆出口的网格缝气膜冷却结构 - Google Patents

一种带线轴型扰流柱及双倒圆出口的网格缝气膜冷却结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带线轴型扰流柱及双倒圆出口的网格缝气膜冷却结构，由唇板、线轴型扰流柱、底板组成，唇板与底板形成二维缝结构，在二维缝结构中设置线轴型扰流柱用来导流和强化结构；线轴型扰流柱采用顺排或叉排布置方式，网格缝出口处为双倒圆结构，唇板和底板的外部型面平齐，减小对叶片气动性能的影响。线轴型扰流柱消除了扰流柱后的低速回流涡，有效提高网格缝内部的换热强度；线轴型扰流柱使得网格缝内的换热面积极大增加，网格缝内的换热增强；有效地减小缝内冷气的气动损失、增强冷气的流向覆盖效果。网格缝出口双倒圆结构，使得冷气离开网格缝后不会直接射入主流，有效地贴附在壁面附近区域，增强缝后气膜的贴附能力。

Description

一种带线轴型扰流柱及双倒圆出口的网格缝气膜冷却结构
技术领域
本发明涉及燃气轮机涡轮叶片冷却技术领域，具体地说，涉及一种带线轴型扰流柱及双倒圆出口的网格缝气膜冷却结构。
背景技术
随着燃气轮机性能的改善，涡轮入口温度不断提高，现有某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，用以将高温燃气与壁面隔离，实现对受热壁面的冷却保护作用。
圆柱气膜孔是最早出现的气膜孔型，国内外大量学者对其进行了广泛深入的研究发现将圆柱形孔布置在涡轮叶片上可有效提升叶片的冷却效果。2003年C.Yuen等人(Filmcooling characteristics of rows of round holes at various streamwise anglesin a crossflow:Part I.Effectiveness.International Journal of Heat&MassTransfer,2003，46(2),221-235.)在随后的研究中发现圆柱孔射流的展向覆盖能力较弱，而且射流气体抬高使得近壁面无法形成有效的气膜覆盖。1969年S.C.Kacker等人(AnExperimental Investigation of the Influence of Slot-Lip-Thickness on theImperviousWall Effectiveness of the Uniform Density Two Dimensional WallJet.International Journal of Heat&Mass Transfer,1969,12(9):1196-1201.)二维缝结构可以提供均匀覆盖的冷却射流，是一种更为有效的叶片外部冷却方式。随着气膜冷却技术的发展，Bunker等(A Study of Mesh-Fed Slot Film Cooling.Journal ofTurbomachinery,2011,133(1):011022.)提出一种网格缝气膜冷却结构并研究了其气膜冷却效率分布特性，其结构特点是在缝内布置扰流柱连接缝的底板和唇板，以增加结构强度，同时扰流柱还可以起到增强内部换热的效果。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种带线轴型扰流柱及双倒圆出口的网格缝气膜冷却结构；该网格缝气膜冷却结构可增强网格缝结构内部换热强度，减弱甚至消除扰流柱后的低速回流涡，提高冷却气体展向覆盖面积，使得缝后形成的气膜覆盖更加均匀；减小缝内冷气的气动损失，增强冷气的流向覆盖效果，使得冷气离开网格缝后能对下游较远区域形成均匀有效的气膜覆盖，增强缝后气膜的贴附能力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括唇板、线轴型扰流柱、底板、网格缝出口，所述唇板为燃气侧，所述底板为冷气侧，唇板与底板形成二维网格缝结构，网格缝结构中设置有线轴型扰流柱用来导流和强化结构，网格缝出口采用双倒圆结构，网格缝的两端分别形成气流的出口和入口，并与叶片内冷通道相通；所述线轴型扰流柱为若干，线轴型扰流柱阵列为叉排设置，或顺排布设，线轴型扰流柱的外盘直径D取值范围为0.6～1mm，线轴型扰流柱的腰盘直径d取值范围为0.4～0.6mm，线轴型扰流柱外盘倒圆角半径R取值范围为0.08d～0.12d，线轴型扰流柱腰盘倒圆角半径r取值范围为0.1d～0.14d；线轴型扰流柱的展向间距P取值范围为3d～6d，线轴型扰流柱的流向间距S取值范围为4d～8d，网格缝气膜冷却结构的缝高H取值范围为0.9d～1.1d，下游后排线轴型扰流柱距唇板边缘距离L取值范围为0.9d～1.3d，唇板厚度I取值范围为0.8d～1.2d；
所述网格缝出口为双倒圆结构，网格缝出口的两个倒圆角的半径分别为T1和T2，其中倒圆角的半径T1和倒圆角的半径T2大小相等，取值范围均为3d～5d，网格缝出口的顶部倒圆角的半径T3取值范围为0.4d～0.8d。
所述唇板和底板的外部型面平齐。
有益效果
本发明提出的一种带线轴型扰流柱及双倒圆出口的网格缝气膜冷却结构，通过在二维网格缝结构中设置线轴型扰流柱，线轴型扰流柱采用顺排或叉排两种布置方式，为了提高冷却气体的贴附效果，网格缝出口处采用双倒圆结构，网格缝气膜冷却结构中的唇板和底板的外部型面平齐，减小对叶片气动性能的影响。线轴型扰流柱有效减弱甚至消除了扰流柱后的低速回流涡，有效提高网格缝内部的换热强度；线轴型扰流柱使得网格缝内的换热面积大大增加，网格缝内的换热增强；带线轴型扰流柱及双倒圆出口的网格缝气膜冷却结构可以有效地减小缝内冷气的气动损失、增强冷气的流向覆盖效果，使得冷气离开网格缝后能够对下游较远区域形成均匀有效的气膜覆盖。网格缝出口双倒圆结构的扰流效果，使得冷气离开网格缝后不会直接射入主流，而是有效地贴附在壁面附近区域。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种带线轴型扰流柱及双倒圆出口的网格缝气膜冷却结构作进一步详细说明。
图1为本发明带线轴型扰流柱及双倒圆出口的网格缝气膜冷却结构示意图。
图2为本发明带线轴型扰流柱及双倒圆出口的网格缝气膜冷却结构俯视图。
图3为本发明带线轴型扰流柱及双倒圆出口的网格缝气膜冷却结构侧视图。
图4为本发明网格缝气膜冷却结构的线轴型扰流柱示意图。
图5为本发明网格缝气膜冷却结构应用于涡轮叶片上的位置示意图。
图中
1.唇板 2.线轴型扰流柱 3.底板 4.内冷通道 5.吸力面靠近叶片前缘的网格缝结构 6.内冷通道 7.压力面网格缝结构 8.内冷通道
9.压力面靠近叶片尾缘的网格缝结构
A.冷却气流 B.主流燃气 C.冷却气膜
D.线轴型扰流柱的外盘直径 d.线轴型扰流柱的腰盘直径
R.线轴型扰流柱外盘倒圆角半径 r.线轴型扰流柱腰盘倒圆角半径
P.线轴型扰流柱的展向间距 S.线轴型扰流柱的流向间距
H.网格缝气膜冷却结构的缝高 L.下游后排扰流柱距唇板边缘距离 I.唇板厚度T1.网格缝出口的倒圆角的半径 T2.网格缝出口的底板处倒圆角的半径
T3.网格缝出口的唇板顶部倒圆角的半径
具体实施方式
本实施例是一种带线轴型扰流柱及双倒圆出口的网格缝气膜冷却结构。
参阅图1～图5，本实施例带线轴型扰流柱及双倒圆出口的网格缝气膜冷却结构应用在涡轮叶片上，包括唇板1、线轴型扰流柱2、底板3、网格缝出口；其中，唇板1为燃气侧，底板3为冷气侧，唇板1与底板3形成二维网格缝结构，网格缝结构中设置有线轴型扰流柱2用来导流和强化结构；唇板1和底板3的外部型面平齐。网格缝出口采用双倒圆结构，网格缝的两端分别形成气流的出口和入口，并与叶片内冷通道相通。本实施例中，线轴型扰流柱2为若干，线轴型扰流柱阵列采用叉排设置，或顺排布设。线轴型扰流柱的外盘直径D取值范围为0.6～1mm，线轴型扰流柱的腰盘直径d取值范围为0.4～0.6mm，线轴型扰流柱外盘倒圆角半径R取值范围为0.08d～0.12d，线轴型扰流柱腰盘倒圆角半径r取值范围为0.1d～0.14d。线轴型扰流柱的展向间距P取值范围为3d～6d，线轴型扰流柱的流向间距S取值范围为4d～8d。网格缝气膜冷却结构的缝高H取值范围为0.9d～1.1d，下游后排线轴型扰流柱距唇板边缘距离L取值范围为0.9d～1.3d，唇板厚度I取值范围为0.8d～1.2d。本实例中网格缝出口为双倒圆结构，网格缝出口的两个倒圆角的半径分别为T1和T2，其中倒圆角的半径T1和倒圆角的半径T2大小相等，取值范围均为3d～5d；网格缝出口的顶部倒圆角的半径T3取值范围为0.4d～0.8d。
实施例一
本实施例应用在涡轮导向叶片上；在涡轮叶片的吸力面靠近叶片前缘布置带线轴型扰流柱和吸力面靠近叶片前缘的网格缝结构5，由内冷通道4供气；其中，唇板1和底板3形成的二维网格缝结构中设置线轴型扰流柱2，线轴型扰流柱2采用叉排布置，网格缝出口处采用双倒圆结构。带线轴型扰流柱及双倒圆出口的网格缝气膜冷却结构中的唇板1和底板3的外部型面平齐。线轴型扰流柱外盘直径D的取值为0.6mm；线轴型扰流柱2腰盘直径d的取值为0.4mm；线轴型扰流柱2外盘倒圆角半径R的取值为0.1d，线轴型扰流柱2腰盘倒圆角半径r的取值为0.12d。线轴型扰流柱2展向间距P的取值为3d，线轴型扰流柱2流向间距S取值为4d，网格缝气膜冷却结构的缝高H的取值为1d；下游后排扰流柱2距唇板1边缘距离L的取值为1.1d。唇板厚度I的取值为1d。网格缝出口的两个倒圆角的半径T1和T2的取值均为3d。网格缝出口顶部的倒圆角半径T3的取值为0.6d。本实例中，线轴型扰流柱2外盘直径D和腰盘直径d的取值范围属于较小的值，轴型扰流柱2的展向间距P和流向间距S取值最小的值，这样保证网格缝内部换热强度不会因为线轴型扰流柱2外盘直径D和线轴型扰流柱2腰盘直径d较小而减弱，而且增加扰流柱阵列的排布密度有效提高网格缝的强度，较小的线轴型扰流柱2外盘直径D和腰盘直径d，有效减小冷却气体的流动阻力，通过减小网格缝出口的两个倒圆角的半径，可使得冷气离开网格缝后不会直接射入主流，而是贴附在壁面附近区域。
实施例二
本实施例是应用在涡轮导向叶片上的带线轴型扰流柱及双倒圆出口的网格缝气膜冷却结构。在涡轮叶片的压力面布置带线轴型扰流柱和压力面网格缝结构7，由内冷通道6供气。其中，唇板1和底板3形成的二维网格缝结构中设置有线轴型扰流柱2，线轴型扰流柱采用顺排布置，网格缝出口部位采用双倒圆结构。带线轴型扰流柱及双倒圆出口的网格缝气膜冷却结构中的唇板和底板的外部型面平齐。线轴型扰流柱2外盘直径D的取值为0.9mm，线轴型扰流柱2腰盘直径d的取值为0.6mm，线轴型扰流柱2外盘倒圆角半径R的取值为0.12d，线轴型扰流柱2腰盘倒圆角半径r的取值为0.12d。线轴型扰流柱2展向间距P的取值为5d，线轴型扰流柱2流向间距S取值为6d，网格缝气膜冷却结构的缝高H的取值为1d，下游后排扰流柱距唇板1边缘距离L的取值为1d；唇板厚度I的取值为1d。本实例中，网格缝出口的两个倒圆角的半径分别为T1和T2，其中倒圆角的半径T1和倒圆角的半径T2大小相等，取值均为4d。网格缝出口顶部的倒圆角半径T3的取值为0.6d。本实例中，线轴型扰流柱2外盘直径D和腰盘直径d的取值较大，线轴型扰流柱2的展向间距P和流向间距S取值适中，由于线轴型扰流柱2外盘直径D和腰盘直径d的取值增加，可有效增加网格缝结构内部的换热面积，增强了网格缝内的换热强度和结构强度。本实例中线轴型扰流柱采用顺排布置，但是配合较大的线轴型扰流柱2外盘直径D和腰盘直径d有效提高了冷气离开网格缝后的展向覆盖范围，且减小了冷气的气动损失。适中的线轴型扰流柱2展向间距P和流向间距S可减小扰流柱造成的气动损失，使得冷却气体离开网格缝后沿流向覆盖范围更大。
实施例三
本实施例是应用在涡轮导向叶片上的带线轴型扰流柱及双倒圆出口的网格缝气膜冷却结构。在涡轮叶片的压力面靠近叶片前缘布置带线轴型扰流柱和压力面靠近叶片尾缘的网格缝结构9，由内冷通道8供气；其中，唇板1和底板3形成的二维网格缝结构中设置有线轴型扰流柱2，线轴型扰流柱2采用叉排布置，网格缝出口处为双倒圆结构。网格缝气膜冷却结构中的唇板1与底板3的外部型面平齐。线轴型扰流柱2外盘直径D的取值为1mm，线轴型扰流柱2腰盘直径d的取值为0.4mm，线轴型扰流柱2外盘倒圆角半径R的取值为0.12d，线轴型扰流柱2腰盘倒圆角半径r的取值为0.14d。线轴型扰流柱展向间距P的取值为6d，线轴型扰流柱流向间距S取值为6d。网格缝气膜冷却结构的缝高H取值为0.9d。下游后排扰流柱距唇板边缘距离L的取值为1.2d。唇板厚度I的取值为1d。网格缝出口的两个倒圆角的半径分别为T1和T2，其中倒圆角的半径T1和倒圆角的半径T2大小相等，取值均为5d。网格缝出口顶部的倒圆角半径T3的取值为0.8d。本实施例与实施例一和实施例二相比，本实施例通过增加线轴型扰流柱外盘直径D，减小线轴型扰流柱腰盘直径d，提高了网格缝内部的换热面积，增强网格缝内部的换热强度；同时较大的线轴型扰流柱外盘直径D和腰盘直径d，减小了线轴型扰流柱后的低速回流涡，进一步提高了网格缝内的换热强度，同时减小冷却气体的气动损失，配合较大的线轴型扰流柱展向间距P，使冷却气体的气动损失进一步降低，保证了冷却气体离开网格缝后流向覆盖范围更大。经验证，本实施例中较大的线轴型扰流柱外盘直径D明显增加了冷气离开网格缝后的展向覆盖范围。在网格缝出口处设置较大的倒圆角半径可使冷却气体平缓过度，使得冷气离开网格缝后有效地贴附在壁面附近区域，提高缝后区域的气膜冷却效率。

Claims (2)

1.一种带线轴型扰流柱及双倒圆出口的网格缝气膜冷却结构，其特征在于:包括唇板、线轴型扰流柱、底板、网格缝出口，所述唇板为燃气侧，所述底板为冷气侧，唇板与底板形成二维网格缝结构，网格缝结构中设置有线轴型扰流柱用来导流和强化结构，网格缝出口采用双倒圆结构，网格缝的两端分别形成气流的出口和入口，并与叶片内冷通道相通；所述线轴型扰流柱为若干，线轴型扰流柱阵列为叉排设置，或顺排布设，线轴型扰流柱的外盘直径D取值范围为0.6～1mm，线轴型扰流柱的腰盘直径d取值范围为0.4～0.6mm，线轴型扰流柱外盘倒圆角半径R取值范围为0.08d～0.12d，线轴型扰流柱腰盘倒圆角半径r取值范围为0.1d～0.14d；线轴型扰流柱的展向间距P取值范围为3d～6d，线轴型扰流柱的流向间距S取值范围为4d～8d，网格缝气膜冷却结构的缝高H取值范围为0.9d～1.1d，下游后排线轴型扰流柱距唇板边缘距离L取值范围为0.9d～1.3d，唇板厚度I取值范围为0.8d～1.2d；
所述网格缝出口为双倒圆结构，网格缝出口的两个倒圆角的半径分别为T1和T2，其中倒圆角的半径T1和倒圆角的半径T2大小相等，取值范围均为3d～5d，网格缝出口的顶部倒圆角的半径T3取值范围为0.4d～0.8d。
2.根据权利要求1所述的带线轴型扰流柱及双倒圆出口的网格缝气膜冷却结构，其特征在于:所述唇板和底板的外部型面平齐。
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