CN111042872A - 一种横向扩张子午收缩槽形气膜孔 - Google Patents

Abstract

一种横向扩张子午收缩槽形气膜孔，涉及燃气轮机高温透平冷却技术。本发明气膜孔构建于槽形横截面，沿流动方向具有横向扩张和子午收缩结构；槽形横截面总体上呈矩形，四角由圆弧组成，圆弧对应的直径d在0.2D至0.4D之间，D为基准圆孔直径。本发明气膜孔的优点：一、孔进口面积扩大，进口喷射效应减弱；二、孔内流动加速，不易出现分离区，出流系数增加；三、孔出口气膜分布均匀，下游旋涡尺度和强度减弱，掺混损失小；四、出口宽度大，气膜覆盖面积增加；五、冷气出口速度高，与主流掺混过程短，远下游冷却效果高。本发明的气膜孔用于燃气透平叶片冷却，适用于透平叶片的压力面、吸力面以及上下端壁面。

Description

一种横向扩张子午收缩槽形气膜孔

技术领域

本发明涉及燃气轮机高温透平冷却技术领域，尤其涉及一种横向扩张子午收缩槽形气膜孔。

背景技术

提高透平进口温度是提高燃气轮机整机效率的最直接方法。目前，地面重型燃机和大推力航空发动机的透平进口温度已远超透平叶片合金材料的耐温极限，比如J级重型燃机，透平进口温度已达1600℃，叶片材料可靠运行温度约900℃，考虑热障涂层降温(约100-150℃)，需靠冷却技术降温600-650℃。离散孔气膜冷却是燃气轮机透平叶片普遍采用的高效冷却技术，其基本原理是从压气机引入冷却空气至透平叶片内腔，冷却空气通过密布于叶片上的离散气膜孔流出并覆盖于叶片表面，从而达到隔绝高温主流与金属叶片表面的目的，降低叶片表面温度。

离散孔气膜冷却最常用的孔型是圆柱孔，其具有结构简单、叶片强度高、热应力小、加工方便等优点，因此在燃气透平叶片上应用广泛。但圆柱孔的缺点也非常明显，比如：冷却效果低、气膜覆盖面积小、高吹风比下易吹离壁面、掺混损失大等。目前除叶片前缘或动叶叶顶等局部区域外，先进燃气透平叶片(吸力面、压力面、端壁)已大量使用异型气膜孔代替圆柱孔。近二十年来，国内外技术人员提出了大量新颖的气膜冷却结构或孔型，以提高气膜冷却效果。代表性的有：扩张孔、双喷射孔、姐妹孔、沟槽孔、槽孔、收缩缝孔等。上述孔型均比圆柱孔大幅提高了气膜冷却性能。其中以扇形孔为代表的扩张出口孔已在实际燃机的透平叶片上获得广泛应用。

现有气膜孔结构设计有两种趋势，一是由进口至出口采用扩张结构，孔内流动减速，好处是可以降低气膜孔出口冷气动量，气膜不易脱离；二是由进口至出口采用收缩结构，孔内流动加速，这种结构出口速度高，需配合宽出口使用，优势是可以扩大气膜覆盖面积，同时提高远下游的冷却效果。目前扩张型气膜孔已广泛用于实际透平冷却，但收缩型气膜孔具有获得高冷却性能的潜力，重点在于结构设计。现有的收缩型气膜孔主要基于圆形截面设计，不利于发挥孔内流动加速的优点。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种横向扩张子午收缩槽形气膜孔，以期至少部分地解决上述提及的技术问题的至少之一。

本发明的技术方案，提供了一种横向扩张子午收缩槽形气膜孔，用于燃气透平叶片本体或叶片端壁的气膜冷却，所述气膜孔沿气流流动方向具有横向扩张且子午收缩结构，并且所述气膜孔的横截面为槽形。

从上述技术方案可以看出，本发明相对于现有技术，至少具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：

1、本发明的气膜冷却孔，将槽形截面与子午收缩结构结合，具有横向扩张与子午收缩特点。槽形截面宽度大高度小，冷气趋于在横向均匀分布，横向扩张结构进一步扩大了气膜的横向覆盖面积，子午收缩使得孔内不易出现流动分离，利于增大出口流动均匀性。

2、本发明提供的离散气膜冷却孔，有别于目前已知的气膜冷却孔，具有的优点如下：一、孔进口面积大，进口喷射效应减弱；二、孔内流动加速，不易出现分离区，出流系数增加；三、出口宽度大，气膜覆盖面积增加；四、孔出口气膜分布均匀，下游旋涡尺度和强度减弱，掺混损失小；五、冷气出口速度高，与主流掺混过程短，远下游冷却效果高。

附图说明

图1a为本发明实施例1横向扩张子午收缩槽形气膜孔几何结构图；

图1b为图1a中的A-A截面示意图；

图1c为本发明实施例1横向扩张子午收缩槽形气膜孔子午结构成型过程示意图；

图1d为本发明实施例1横向扩张子午收缩槽形气膜孔横向结构成型过程示意图；

图2为本发明实施例1横向扩张子午收缩槽形气膜孔排成一列时的结构示意图；

图3为本发明实施例2横向扩张子午收缩槽形气膜孔一段式几何结构示意图；

图4为现有技术的对比例1的扇形孔几何结构图；

图5为现有技术的对比例2的半圆侧壁矩形扩张孔几何结构图；

图6为本发明实施例1和实施例2的横向扩张子午收缩槽形气膜孔与现有技术对比例2半圆侧壁矩形扩张孔横向冷却效果分布对比图。

具体实施方式

为了改善收缩型气膜孔的性能，本发明从截面形式着手，通过横截面形状控制孔内和孔下游流动，最终提高气膜冷却性能。本发明提供一种横向扩张子午收缩槽形气膜孔，可以大幅提高燃气涡轮叶片的气膜冷却效果，获得更加均匀的气膜覆盖和更小的掺混损失，适用于燃气透平叶片通道中需要冷却的表面。本发明设计的主要目的为用以提高离散气膜孔的冷却效果、扩大气膜覆盖面积、增加下游气膜均匀性。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

在本发明的第一个示例性实施例中，提供一种横向扩张子午收缩槽形气膜孔，用于燃气透平叶片本体或叶片端壁的气膜冷却，图1a为本发明实施例1横向扩张子午收缩槽形气膜孔几何结构图；如图1a所示，气膜孔沿气流流动方向具有横向扩张且子午收缩结构，并且气膜孔的横截面为槽形。

值得一提的是，其中气膜孔的横截面具体是指：与气膜孔中心线垂直且贯穿孔宽度方向的截面。另外，子午面具体是指：通过气膜孔中心线的纵剖面。更为具体的是，在附图中标示坐标轴，如图1a所示，在本发明实施例中，坐标轴X指流向，Y指横向，Z指厚度方向。

在本发明的实施例中，本发明气膜孔孔型结合了横向扩张、横截面为槽形的优点，并且增加设计了在子午面收缩结构。由于子午收缩，孔内流动加速，因此在气流流动方向的进口段横向宽度W一致的条件下，本发明气膜孔孔型的横向扩张角度γ可以比现有扩张孔的大，也不会导致孔内流动分离，故本发明孔型的出口宽度Wout可以明显扩大，有利于扩大下游的横向覆盖宽度及面积。因此，本发明的气膜孔的横向扩张角γ适宜范围在10度至20度之间。

另外，本发明通过优化孔型中各个参数，如气膜孔沿气流流动方向的进口宽度、气膜孔沿气流流动方向的流向宽度等，实现进一步提高冷却效果的目的。

在本发明实施例中，气膜孔沿气流流动方向的进口宽度W在1D至3D之间；气膜孔沿气流流动方向的流向宽度λ在0.5D至1.6D之间，其中D为基准圆孔直径。

值得一提的是，本发明中涉及的流向宽度λ具体是指：气膜孔出口在X方向的宽度。

其中，在本发明中涉及的基准圆孔直径D是指，在一定厚度h的平板上打孔时，平板厚度的1/3h为D，本发明孔型的几何尺寸均以基准圆孔直径D换算，可以在通常的孔型与非圆形截面孔之间建立关联，便于对比。

在本发明的实施例中，如图1a所示，气膜孔的子午收缩角ψ在1度至5度之间。

更为具体地是，本发明气膜孔的子午收缩强度可以通过收缩角ψ控制，收缩角度越大，气膜孔进口的速度越低，喷射效应导致的进口流动加速影响越弱，因此，本发明的气膜孔的子午收缩角ψ适宜范围在1度至5度之间。

另一方面，在本发明的实施例中，因本发明的气膜孔设置为子午收缩，还具有的效果有，孔内气流流动加速，不易出现分离区，出流系数增加。

在本发明实施例中，如图1a所示，气膜孔的喷射角α范围在30度至60度之间。

在本发明的实施例中，图1b为本发明实施例1横向扩张子午收缩槽形孔横截面示意图；横截面位置为图1a中的A-A截面。如图1b所示，气膜孔的槽形横截面具体为，整体呈矩形，且矩形的四角有导圆(即圆弧)；导圆对应的圆直径d在0.2D至0.4D之间，其中，D为基准圆孔直径。

实际上，四角的圆弧代表了电火花(EDM)加工时的电极。该气膜孔的成形可以通过电极的横向移动获得。如图1c和图1d所示，进一步显示了本发明孔型在横向和子午面的移动示意图，通过按给定的几何移动电极，即可获得本发明孔型。考虑电极尺寸限制，横截面四角圆弧直径d在0.2D至0.4D之间合适。

在本发明的不同实施例中，气膜孔沿气流流动方向从进口至出口包括一段或二段。在本发明实施例中，如图1a所示，本发明孔型为沿气流流向分为二段。

在本发明实施例中，如图1a所示，气膜孔的孔长L在4D至8D之间，其中，D为基准圆孔直径。

在本发明的实施例中，多个气膜孔在燃气透平叶片本体或叶片端壁上呈离散设置；相邻两个气膜孔之间的间距为S，间距S与基准圆孔直径D的比值S/D大于等于6。

更为具体地，图2为本发明实施例1横向扩张子午收缩槽型孔排成一列时的结构示意图。如图2所示，由于本发明孔型出口宽度大，因此排成一列时，孔间距S至少不小于6D，其中D为基准圆孔直径。

至此，本发明的第一实施例横向扩张子午收缩槽形气膜孔介绍完毕。

实施例2

在本发明的第二个示例性实施例中，提供一种一段式横向扩张子午收缩槽形气膜孔；图3为本发明实施例2横向扩张子午收缩槽形气膜孔一段式几何结构示意图。如图3所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：本发明实施例的横向扩张子午收缩槽形气膜孔沿气流流动方向由进口至出口为一段式。

至此，本发明的第二实施例一段式横向扩张子午收缩槽形气膜孔介绍完毕。

对比例1

图4为现有的对比例1的扇形孔几何结构图。如图4所示，对比例1提供一种扇形孔，其扇形孔具体为：横截面为圆形，但出口扩张段只有横向扩张，并没有涉及子午收缩结构。

对比例2

图5为现有的对比例2半圆侧壁矩形扩张孔几何结构图。如图5所示，对比例2提供一种半圆侧壁矩形扩张孔，其半圆侧壁矩形扩张孔具体为：横截面为槽形，但出口扩张段只有横向扩张，没有子午收缩结构。

性能测试

将本发明实施例1和实施例2的横向扩张子午收缩槽形气膜孔与对比例2的半圆侧壁矩形扩张孔进行冷却效果对比，图6为本发明实施例1和实施例2的气膜孔与现有对比例2的半圆侧壁矩形扩张孔横向冷却效果分布对比。该结果为数值模拟结果，模拟的孔径D为10mm，主流马赫数Mam＝0.3，主流湍流度Tum＝5％，冷气与主流密度比为DR＝I.75，吹风比为M＝2.0。模拟的孔间距S为6D。上述模拟条件基本可以反映实际燃气透平的流动状态。图6中Rec表示图5所示孔型，1-sect表示图3所示的一段式孔型，2-sect表示图1a所示的二段式孔型。从对比结果可以看出，本发明孔型无论一段式还是二段式，均比没有子午收缩的孔型提高了气膜冷却效果，近下游提高大，远下游三种孔型趋于接近。二段式比一段式的表现好，近下游二段式比Rec孔提高近30％，整体上提高约15％左右。

上述结果表明，本发明孔型在提高冷却效果上具有优势，通过优化孔型参数，本发明孔型可以进一步获得高的冷却效果，比如：减小气膜孔出口的流向宽度λ、扩大进口宽度W、增大横向扩张角γ等方式。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种横向扩张子午收缩槽形气膜孔，用于燃气透平叶片本体或叶片端壁的气膜冷却，其特征在于：所述气膜孔沿气流流动方向具有横向扩张且子午收缩结构，并且所述气膜孔的横截面为槽形。

2.如权利要求1所述的横向扩张子午收缩槽形气膜孔，其特征在于：所述气膜孔的槽形横截面具体为，整体呈矩形，且矩形的四角有导圆；导圆对应的圆直径d在0.2D至0.4D之间，其中，D为基准圆孔直径。

3.如权利要求1所述的横向扩张子午收缩槽形气膜孔，其特征在于，所述气膜孔的横向扩张角γ在10度至20度之间。

4.如权利要求1所述的横向扩张子午收缩槽形气膜孔，其特征在于：所述气膜孔的子午收缩角ψ在1度至5度之间。

5.如权利要求1所述的横向扩张子午收缩槽形气膜孔，其特征在于：所述气膜孔沿气流流动方向的进口宽度W在1D至3D之间；所述气膜孔沿气流流动方向的流向宽度λ在0.5D至1.6D之间，其中D为基准圆孔直径。

6.如权利要求1所述的横向扩张子午收缩槽形气膜孔，其特征在于：所述气膜孔沿气流流动方向从进口至出口包括一段或二段。

7.如权利要求1所述的横向扩张子午收缩槽形气膜孔，其特征在于：所述气膜孔的孔长L在4D至8D之间，其中，D为基准圆孔直径。

8.如权利要求1所述的横向扩张子午收缩槽形气膜孔，其特征在于：所述气膜孔的喷射角α范围在30度至60度之间。

9.如权利要求1所述的横向扩张子午收缩槽形气膜孔，其特征在于，多个所述气膜孔呈离散设置；相邻两个所述气膜孔之间的间距为S，间距S与基准圆孔直径D的比值S/D大于等于6。

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