CN110529191A - 一种用于改善涡轮冷却效果的冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于改善涡轮冷却效果的冷却结构，包括设置在涡轮叶片和涡轮端壁上的气膜孔，在气膜孔出口沿主流流向的上游设置有与该气膜孔相对应的类鳍型凸起，所述类鳍型凸起迎着主流来流方向的一侧为迎风面、背对着主流来流方向的一侧为背压面，所述迎风面和背压面都为圆弧面，所述类鳍型凸起设置在涡轮叶片表面或涡轮端壁壁面上，所述类鳍型凸起的凸起高度H＝0.5D～2D，流向长度L＝1D～2D，展向宽度W＝1D～2D，且与相对应的气膜孔出口之间的距离S＝0.5D～5D，其中D为与类鳍型凸起对应的气膜孔的展向宽度。冷却结构中的类鳍型凸起，结构简单，方便加工，工艺要求及生产成本较低，能够改善气膜冷却的总体效果。

Description

一种用于改善涡轮冷却效果的冷却结构

技术领域

本发明涉及涡轮冷却领域，具体涉及一种用于改善涡轮冷却效果的冷却结构。

背景技术

气膜冷却是广泛应用在涡轮机(航空发动机和燃气轮机等)叶片上的冷却技术，即从压气机中部或者末级抽取高压冷气输运到涡轮叶片内部冷却通道7，参考图1所示，冷气通过强化对流换热将叶片内部一部分热量带走，一部分冷气从涡轮叶片2或者涡轮端壁1上的气膜孔流出，冷气由于流动的作用会粘附在涡轮叶片2表面附近，形成温度较低的冷气层，从而起到良好的高温隔离作用并使叶片不被高温燃气烧蚀。

自20世纪90年代以来，人们对气膜孔的研究方向开始由圆形孔转向各类异形孔及各类改善流动的结构(例如加入弧形、方形扰流板等)，这些孔都是在一定程度上会减弱冷却气对于主流的穿透的能力并且改善冷气出流的覆盖效果。针对气膜孔出口处上游扰流结构对流动涡结构的影响进行的分析研究，发现主流气体由于扰流结构的作用会在气膜孔出口附近形成二次流肾型涡，从而减少了冷气的射流穿透，影响气膜孔的冷却效率。因此，提出了不同形状的气膜孔上游结构并详细分析其流动特征。申请号为201721095167.6的中国发明专利公开了“一种改善冷却效果的新结构”，由于在气膜孔出口处增加了整流罩的结构，冷却气流经过后更加不容易穿透主流气体，从而能够提高气膜冷却效果。申请号为201510993385.0的中国发明专利公开了“一种提高组件外部冷却效果的上游结构”，通过在端壁壁面上气膜孔出口上游增加两个长条形凸台结构，改善气膜孔冷气出流的展向分布及其均匀性，可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，但加工难度大成本高，在实际涡轮中不易采用。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种用于改善涡轮气膜冷却效果的冷却结构，结构简单，工艺要求及成本较低。

为实现上述目的，本发明提供一种用于改善涡轮冷却效果的冷却结构，包括设置在涡轮叶片和涡轮端壁上的气膜孔，在气膜孔出口沿主流流向的上游设置有与该气膜孔相对应的类鳍型凸起，所述类鳍型凸起迎着主流来流方向的一侧为迎风面、背对着主流来流方向的一侧为背压面，所述迎风面和背压面都为圆弧面，所述类鳍型凸起设置在涡轮叶片表面或涡轮端壁壁面上，所述类鳍型凸起的凸起高度H＝0.5D～2D，流向长度L＝1D～2D，展向宽度W＝1D～2D，且与相对应的气膜孔出口之间的距离S＝0.5D～5D，其中D为与类鳍型凸起对应的气膜孔的展向宽度。

进一步地，所述类鳍型凸起的迎风面直径R1＝2D～10D，背压面直径R2＝0.1R1～0.5R1。

进一步地，所述类鳍型凸起位于其对应的气膜孔出口正上游。

进一步地，所述类鳍型凸为在展向宽度上对称的对称结构，且其对称中心面平行于流向方向。

进一步地，所述气膜孔为圆孔。

进一步地，设置在涡轮端壁上的气膜孔为圆柱直孔，且与主流流向之间的倾角α为0～90°。

进一步地，设置在涡轮端壁上的类鳍型凸起与涡轮端壁为一体式的、且类鳍型凸起与涡轮端壁之间平顺过度。

进一步地，设置在涡轮叶片上的类鳍型凸起与涡轮叶片为一体式的、且类鳍型凸起与涡轮叶片之间平顺过度。

进一步地，所述气膜孔包括叶片压力面气膜孔、叶片吸力面气膜孔、以及端壁气膜孔。

如上所述，本发明涉及的冷却结构，具有以下有益效果：

通过在气膜孔沿主流流向的上游设置类鳍型凸起，类鳍型凸起的尺寸规格根据其对应的气膜孔的展向宽度D确定，类鳍型凸起能够加强对贴近涡轮端壁壁面或涡轮叶片表面的气流流动的扰动，在气膜孔出口及下游产生反向抑制涡，以达到减弱气膜孔出口冷气对主流气流的掺混作用，改善气膜冷却的总体效果。本发明中的冷却结构中的类鳍型凸起，结构简单，方便加工，工艺要求及生产成本较低。

附图说明

图1为本发明中的气膜孔的结构示意图。

图2为本发明中的类鳍型凸起的结构布置示意图。

图3为本发明中的类鳍型凸起的结构布置示意图，该图为沿展向方向观察的视图。

图4为本发明中的类鳍型凸起的结构布置示意图，该图为沿高度方向观察的视图。

图5为本发明中的类鳍型凸起的结构布置示意图，该图为沿流向方向观察的视图。

元件标号说明

1 涡轮端壁

2 涡轮叶片

3 叶片内部冷却通道

4 叶片压力面气膜孔

5 叶片吸力面气膜孔

6 端壁气膜孔

7 类鳍型凸起

71 迎风面

72 背压面

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书附图所绘的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

参见图1至图5，本发明提供了一种用于改善涡轮冷却效果的冷却结构，包括设置在涡轮叶片2和涡轮端壁1上的气膜孔，在气膜孔出口沿主流流向的上游设置有与该气膜孔相对应的类鳍型凸起7，类鳍型凸起7迎着主流来流方向的一侧为迎风面71、背对着主流来流方向的一侧为背压面72，迎风面71和背压面72都为圆弧面，类鳍型凸起7设置在涡轮叶片2表面或涡轮端壁1壁面上，类鳍型凸起7的凸起高度H＝0.5D～2D，流向长度L＝1D～2D，展向宽度W＝1D～2D，且与相对应的气膜孔出口之间的距离S＝0.5D～5D，其中D为与类鳍型凸起7对应的气膜孔的展向宽度。类鳍型凸起7为轮廓呈鳍型的凸起结构，其表面为曲面，平滑过渡。

具体地，参见图1，涡轮叶片2设有叶片内部冷却通道3，设置在涡轮叶片2上的气膜孔包括叶片压力面气膜孔4和叶片吸力面气膜孔5，两者的出口位于叶片表面，设置在涡轮端壁1上的气膜孔为端壁气膜孔6，其出口位于涡轮端壁1的壁面。

本发明的冷却结构中，设置在涡轮叶片2和涡轮端壁1上的气膜孔可多个，其大小尺寸也可以有所不同，类鳍型凸起7的尺寸规格根据其对应的气膜孔确定，气膜孔的形状可以采用多种形状，优选为圆孔。下面以涡轮端壁1上的类鳍型凸起7为例，进行说明。

参见图2至图5，图2至图5给出了设置在涡轮端壁1上的类鳍型凸起7与其对应的端壁气膜孔6的布置示意，参见图2，其中X轴为主流流向，即主流气体的流向，Y轴为展向方向，Z轴为垂直高度方向。在本实施例中，端壁气膜孔6优选为直径为D的圆柱孔，也即端壁气膜孔6的展向宽度为D，其对应的类鳍型凸起7的凸起高度H＝0.5D～2D(即沿Z轴方向凸起于涡轮端壁1壁面的高度)，流向长度L＝1D～2D，展向宽度W＝1D～2D，且与端壁气膜孔6出口距离S＝0.5D～5D，参见图3至图5。类鳍型凸起7能够加强对贴近涡轮端壁1壁面的气流流动的扰动，在端壁气膜孔6出口及下游产生反向抑制涡，以达到减弱气膜出口冷气对主流的掺混作用，改善气膜冷却的总体效果。其中，端壁气膜孔6优选倾斜布置，与主流流向之间的倾角α为0～90°，当然端壁气膜孔6也可以垂直于主流流向。类鳍型凸起7的结构简单，加工方便，生产制造成本低。

作为优选设计，参见图2至图5，在本实施例中，类鳍型凸起7的迎风面71直径R1＝2D～10D，背压面72直径R2＝0.1R1～0.5R1，类鳍型凸起7的所起的效果好，提高气膜冷却效果。优选地，参见图4，类鳍型凸起7在流动法向截面中的轮廓为圆弧，且其直径R3根据实际情况确认，确保类鳍型凸起7从前端到后端平滑过渡。在本发明中，类鳍型凸起7的流动法向截面是指垂直于流向方向的截面。

本发明中，类鳍型凸起7优选为在展向宽度上对称的对称结构，其对称中心面平行于主流流向方向X。类鳍型凸起7优先位于其对应的气膜孔出口正上游，类鳍型凸起7正对于气膜孔，也即类鳍型凸的对称中心面与气膜孔轴线重叠，以此类鳍型凸起7能够起到最好的效果。类鳍型凸起7的对称中心面与气膜孔轴线也可以具有一定偏差，也即类鳍型凸起7的位置可以适当地偏移于气膜孔出口正上游。

以下给出设置在涡轮端壁1上的类鳍型凸起7和端壁气膜孔6的一个具体示例：参见图3，在涡轮端壁1壁面设置有端壁气膜孔6，其出口的上游设置类鳍型凸起7，端壁气膜孔6为沿主流流向(X向)倾斜的圆柱孔，其倾角为α＝35°，圆柱直径为D＝0.8mm，不具有展向(Y向)倾角。类鳍型结构的凸起高度H＝1.25D＝1mm，流向长度L＝1.5D＝1.2mm，展向宽度W＝1.25D＝1mm，距离气膜孔出口S＝1.25D＝1mm。类鳍型凸起7的迎风面71直径R1＝5D＝4mm，背压面72直径R2＝0.25R1＝1mm，类鳍型凸起7位于端壁气膜孔6出口正上游，展向宽度W＝1.25D＝1mm，整个凸起结构与壁面平顺过渡，使得类鳍型凸起7前缘造成的流动阻力减弱，同时两侧分别产生方向抑制涡，从而直接影响端壁气膜孔6出口处射入主流气体流动，使其冷却的展向范围更大并更加不容易穿透主流区域，冷却效果得到了明显提高。

设置在涡轮叶片2表面上对应于涡轮叶片2的气膜孔的类鳍型凸起7，与上述设置在涡轮端壁1上的类鳍型凸起7的设计原理一致，因此不再累述。

本发明中，类鳍型凸起7根据需要设置在涡轮叶片2表面或者和涡轮端壁1壁面上，优选地，设置在涡轮端壁1上的类鳍型凸起7与涡轮端壁1为一体式的、且类鳍型凸起7与涡轮端壁1之间平顺过度，设置在涡轮叶片2上的类鳍型凸起7与涡轮叶片2为一体式、且类鳍型凸起7与涡轮叶片2之间平顺过度。

本发明的冷却结构，类鳍型凸起7结构简单，工艺要求及生产成本较低。通过设置类鳍型凸起7，能够加强对贴近涡轮端壁1壁面和涡轮叶片2表面的主流流动的扰动，在气膜孔出口及下游产生反向抑制涡，以达到减弱气膜孔出口冷气对主流的掺混作用，并使得冷却气体在主流的作用下更好地贴近壁面，同时抑制涡可以增加展向方向上的速度分量从而扩大气膜覆盖的效果，最终达到改善气膜冷却的总体效果。在航空发动机及燃气轮机高温部件中较多圆柱形气膜孔结构的表面均可以采用类鳍型凸起7，从而有效地提高气膜冷却效率，提升涡轮叶片2、缸体等部件的工作可靠性及寿命。

综上所述，发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种用于改善涡轮冷却效果的冷却结构，包括设置在涡轮叶片(2)和涡轮端壁(1)上的气膜孔，其特征在于：在气膜孔出口沿主流流向的上游设置有与该气膜孔相对应的类鳍型凸起(7)，所述类鳍型凸起(7)迎着主流来流方向的一侧为迎风面(71)、背对着主流来流方向的一侧为背压面(72)，所述迎风面(71)和背压面(72)都为圆弧面，所述类鳍型凸起(7)设置在涡轮叶片(2)表面或涡轮端壁(1)壁面上，所述类鳍型凸起(7)的凸起高度H＝0.5D～2D，流向长度L＝1D～2D，展向宽度W＝1D～2D，且与相对应的气膜孔出口之间的距离S＝0.5D～5D，其中D为与类鳍型凸起(7)对应的气膜孔的展向宽度。

2.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于：所述类鳍型凸起(7)的迎风面(71)直径R1＝2D～10D，背压面(72)直径R2＝0.1R1～0.5R1。

3.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于：所述类鳍型凸起(7)位于其对应的气膜孔出口正上游。

4.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于：所述类鳍型凸(7)为在展向宽度上对称的对称结构，且其对称中心面平行于流向方向。

5.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于：所述气膜孔为圆孔。

6.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于：设置在涡轮端壁(1)上的气膜孔为圆柱直孔，且与主流流向之间的倾角α为0～90°。

7.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于：设置在涡轮端壁(1)上的类鳍型凸起(7)与涡轮端壁(1)为一体式的、且类鳍型凸起(7)与涡轮端壁(1)之间平顺过度。

8.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于：设置在涡轮叶片(2)上的类鳍型凸起(7)与涡轮叶片(2)为一体式的、且类鳍型凸起(7)与涡轮叶片(2)之间平顺过度。

9.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于：所述气膜孔包括叶片压力面气膜孔(4)、叶片吸力面气膜孔(4)、以及端壁气膜孔(6)。