CN111120009A - 具有槽形截面气膜孔排的带肋横流通道 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有槽形截面气膜孔排的带肋横流通道，在燃气透平动叶内部带肋横流通道中设置具有槽形截面的气膜孔排，气膜孔等价直径为D，气膜孔计量段的长宽比W/H在4‑7之间。带肋通道的气体横流方向与主流气体方向垂直，肋节距Prib为孔节距P的两倍。带肋通道横截面宽度Wrib在6D‑10D之间，带肋通道横截面高度Hrib在为6D‑10D之间。肋角度θ为45度，肋高度h为1.8D，肋宽度e为1.8D。气膜孔排进口中心与肋通道前后侧壁距离δ在1.0D‑2.0D之间。适用的气体横流速度为主流气体速度的30‑70％之间。一个肋节距内有两个气膜孔，气膜冷却效果一致性好，平均气膜冷却效果高。适用于燃气透平动叶压力面和吸力面具有气膜冷却的带肋通道。

Description

具有槽形截面气膜孔排的带肋横流通道

技术领域

本发明涉及燃气轮机透平冷却技术领域，尤其涉及一种具有槽形截面气膜孔排的垂直带肋横流通道。

背景技术

当前，世界重型燃气轮机技术取得了革命性进步。以E级和F级燃气轮机为代表的燃用天然气的联合循环发电技术已经成熟，以H级和J级燃气轮机为代表的燃气轮机正在成为主力机组，透平初温更高的未来级燃气轮机正在研发。目前已投入商业运行的典型H级和J级重型燃气轮机产品简单循环效率超过40％，联合循环效率超过60％。其中，最先进的重型燃气轮机简单循环热效率达42.7％，联合循环发电热效率达62.8％。从世界重型燃机技术发展趋势可以看出，重型燃机简单循环及其联合循环效率的提升，主要依靠不断提高透平进口初温来实现，已商业化的最先进重型燃机的透平进口温度已达到了1600℃。实际上，重型燃机的透平进口温度已远超叶片合金材料的耐温极限，除采用高性能合金材料和涂层技术外，必须采用先进的透平冷却技术来保障透平叶片长时间可靠运行。

燃气透平动叶冷却尤其重要，关系到整个燃气轮机的使用寿命。透平动叶始终工作在高温、高压、高转速环境，必须具备极佳的冷却性能才能保证长寿命要求。目前，透平动叶冷却主要依靠内部蛇形通道冷却和外部气膜冷却相结合的方式，其基本原理是从压气机引入冷却空气至叶片内腔，首先经过内部扰流肋的强化换热，之后冷却空气通过肋通道上的离散气膜孔流出并覆盖于叶片表面，在内外部冷却共同作用下可以大大降低叶片表面温度。目前，动叶内部带肋通道最常用的扰流肋是具有一定角度的倾斜肋，而最常用的气膜孔型是则是圆柱孔。由于带肋通道内部的冷气流动方向与气膜孔的出流方向大致呈垂直，因此通道内部的冷气横流对气膜冷却性能具有显著影响。

总体上，有关带肋横流通道中气膜冷却特性的研究主要集中在圆柱孔上，针对在带肋通道中布置圆柱气膜孔已提出了大量的布置方法。但进一步提高透平叶片总体冷却性能的发展方向有二，一是采用高效异型孔替代传统的圆柱孔，二是发展气膜孔的高效布置方法。目前，高效异型孔的研究异常活跃，已经提出了大量具备实际应用潜力的异型气膜孔，其气膜冷却效果均显著高于圆柱孔。但是，目前有关异型孔在带肋通道中的高效布置方法尚不多见。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种具有槽形截面气膜孔排的垂直带肋横流通道，用以削弱内部冷气横流对气膜孔进口流动的影响，提高带肋通道中离散气膜孔的气膜冷却效果。

(二)技术方案

本发明提供了一种具有槽形截面气膜孔排的带肋横流通道，在所述带肋横流通道中，包括一排多个肋片、气膜孔排；每两个肋片之间设置有两个气膜孔，气膜孔连通带肋通道内壁与叶片的外部被冷却表面，多个气膜孔呈直线排列，各肋片之间的气膜孔均位于同一直线上，各气膜孔之间的距离相同。

所述气膜孔均具有扁平状槽形截面，且沿气体流向具有扩张结构，即气体出口的横截面大于气体进口。

所述气体进口计量段的横截面宽度W与高度H的比例W/H在4-7之间。

气膜孔排在带肋横流通道靠近带肋通道前侧壁，或者，靠近带肋通道后侧壁。

当气膜孔排位于靠近带肋通道前侧壁或后侧壁位置时，气膜孔排中心距横流通道前侧壁或后侧壁的距离在1.0D-2.0D之间，D为单个气膜孔等价直径。

在横流通道中不同吹风比的条件下，气膜孔排在靠近横流通道前侧壁或后侧壁的位置时的冷却效果优于气膜孔排位于横流通道中心线的冷却效果。

带肋通道的气体横流方向与主流气体方向垂直，带肋通道横截面宽度Wrib在6D-10D之间，带肋通道横截面高度Hrib在为6D-10D之间。

带肋通道的肋节距Prib为孔节距P的两倍，肋高度h为1.8D，肋宽度e为1.8D，肋角度θ为45度。

带肋通道气体横流速度与主流气体速度的比值在30-70％之间。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的设置方法，不同于传统的气膜孔排布置在带肋通道中心线的方法，气膜孔排进口距离带肋通道前后侧壁较近，避开了横流速度最大的中心区，有利于削弱气膜孔进口的速度不均匀造成的影响。

(2)本发明的设置方法，有别于目前已知的方法，具有的优点如下：气膜孔进口垂直与气膜孔轴线方向的速度分量小、气膜孔进口轴线两侧的速度不对称弱、一个肋节距内两个气膜孔的冷却效果一致性好、一个肋节距内两个气膜孔总平均气膜冷却效果高。

附图说明

图1为带肋通道中槽型截面气膜孔排结构示意图。

图2a为本发明的槽型截面气膜孔结构示意图。

图2b为本发明带肋通道与槽形截面孔组合结构截面图。

图2c为本发明带肋通道与槽形截面孔组合结构俯视图。

图3a为槽型截面气膜孔排进口设置在肋通道中心线时的结构示意图。

图3b为槽型截面气膜孔排进口设置在带肋通道靠近前侧壁时的结构示意图。

图3c为槽型截面气膜孔排进口设置在到肋通道靠近后侧壁时的结构示意图。

图4a、图4b、图4c为槽型截面气膜孔排设置在不同流向位置时的对比图。

图5a、图5b、图5c为三个吹风比下气膜孔排设置在肋通道中不同流向位置的横向平均气膜冷却效果对比。

图6a、图6b、图6c为正反横流下不同流向位置设置气膜孔排的横向平均气膜冷却效果对比。

图7为三个气膜孔排布置位置的空间平均气膜冷却效果对比。

符号说明

1 横流通道横截面

2 扰流肋片

3 槽形截面气膜孔

4 气膜孔进口

5 横流通道后侧壁

6 横流通道前侧壁

7 外部被冷却表面

8 带肋横流通道

Vm 主流气体速度

Vc 带肋通道气体横流速度

in-line/counter 冷气横流进入方向

W 气膜孔横截面宽度

H 气膜孔横截面高度

Y 气膜孔横向扩张角

α 气膜孔倾斜角

L 气膜孔长度

Lt 气膜孔直段长度

P 气膜孔节距

Wrib 带肋通道横截面宽度

Hrib 带肋通道横截面高度

Prib 肋节距

h 肋高度

e 肋宽度

θ 肋角度

具体实施方式

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，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明提供了一种具有槽形截面气膜孔排的垂直带肋横流通道，适用于燃气透平动叶带肋通道内壁具有气膜孔的结构，如图1所示，在带肋横流通道中，包括一排多个肋片、气膜孔排。每两个肋片之间设置有两个气膜孔，气膜孔连通带肋通道内壁与叶片的外部被冷却表面7。气膜孔排包括多个气膜孔，多个气膜孔呈直线排列，且各个肋片之间的气膜孔均处于同一直线上，各个气膜孔之间的距离相同。

如图2a所示，所述气膜孔排的单个气膜孔均具有槽形截面，且沿气体流向具有扩张结构，即气体出口的横截面大于气体进口，其中，用于计算气膜孔吹风比的气体进口计量段(气膜孔进口的直管段即Lt)的横截面宽度为W，高度为H，宽度与高度的比例W/H在4-7之间。气膜孔横向扩张角为Y，典型值为14度。气膜孔倾斜角度为α，倾斜角α典型值为30度。气膜孔长度为L，L典型值为6D。气膜孔直段长度Lt，Lt典型值为2D。由于单个气膜孔横截面呈扁平状态，使得气膜孔排在气体横流通道中的设置位置可以靠近横流通道的前后侧壁。

如图2b及图2c所示，为本发明一种典型的带肋通道与槽形截面气膜孔组合结构示意图，图中所示集合参数均为本发明设置方法中的典型值，其中气膜孔中心距横流通道前后侧壁的距离δ值在1.0D-2.0D之间，典型值为1.5D，带肋通道横截面宽度Wrib在6D-10D之间，带肋通道横截面高度Hrib在为6D-10D之间，D为气膜孔等价直径。肋节距Prib为孔节距P的两倍，肋高度h的典型值为1.8D，肋宽度e的典型值为1.8D，肋角度θ为45度。

在本发明的一些实施例中，所述槽形截面气膜孔排可在带肋横流通道中具有三种定位方式，如图3a所示，为槽形截面气膜孔的进口设置在带肋横流通道中心线时的结构示意图；如图3b所示，为槽形截面孔的进口设置在带肋横流通道前侧壁时的结构示意图；如图3c所示，为槽形截面孔的进口设置在带肋横流通道后侧壁时的结构示意图。其中，槽形截面气膜孔排定位在带肋横流通道中心是当前在带肋通道中设置气膜孔排的常规设计方法，对于槽形截面气膜孔，由于高度H较小，将气膜孔排靠近横流通道侧壁设置可以避免打孔时与侧壁的干扰。如图4a、图4b、图4c所示，为槽形截面气膜孔排进口定位在带肋通道不同位置时的俯视图。

在本发明的一些实施例中，不同吹风比对气膜孔排在带肋通道中的横向平均气膜冷却效果不同，带肋通道气体横流速度Vc与主流气体速度Vm的比值在30-70％之间。如图5a、图5b、图5c所示，为三种吹风比条件下，气膜孔排在带肋通道中不同定位时的横向平均气膜冷却效果对比。本实施例通过低速平板实验，在主流气体速度Vm＝34m/s，冷气横流速度Vc＝0.5Vm的条件下，实验采用气膜孔的等价直径D＝3mm，基于气膜孔径的主流雷诺数Re_D＝7500，该环境为可以反映燃气透平的典型条件。本实验采用压力敏感漆(PSP)测量方法获得气膜冷却效果，Fore表示气膜孔排靠近横流通道前侧壁的数据，Rear表示气膜孔排靠近横流通道后侧壁的数据，Center表示气膜孔在横流通道中心线的数据，根据对比结果显示，当气体横流方向为in-line时，气膜孔排在靠近横流通道前侧壁和横流通道靠近后侧壁的方案比气膜孔排处于横流通道中心线的冷却效果有所提高，尤其在高吹风比M＝2.5时，气膜孔排靠近横流通道后侧壁的横向平均气膜冷却效果显著高于气膜孔排处于横流通道中心线的方案。

在本发明的一些实施例中，横流通道中的横流气体方向会对气膜孔排的横向平均冷却效果造成影响，如图6a、图6b、图6c所示，为正反方向横流气体下在不同气体流向位置设置气膜孔排的横向平均冷却效果对比图。相对于气膜孔排处于横流通道中心线的方案，在不同的吹风比下，气体横流方向对气膜孔排横向平均冷却效果的影响较小，对于气膜孔排靠近横流通道前侧壁和横流通道后侧壁的方案，气体横流方向为in-line时的横向平均冷却效果在三个典型吹风比下均高于气体横流方向为counter的方案，得到当气膜孔排靠近横流通道两侧壁设置时，横流方向应选择in-line方向更佳。

如图7所示，为气膜孔排设置在带肋横流通道中三个不同位置时的空间平均气膜冷却效果对比图。空间大小为气体流向方向长40D和气体流向横向方向长14D形成的矩形区域，气膜孔排靠近横流通道两侧壁的方案在横流气体进气方向为in-line时的空间平均冷却效果均显著高于气膜孔排处于中心线的方案，气膜孔排靠近后侧壁的方案比气膜孔排处于中心线的方案的空间平均冷却效果提高约20％，可见本发明的方法在提高总体冷却效果上的优势。

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，所应理解的是，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 (8)

1.一种具有槽形截面气膜孔排的带肋横流通道，其特征在于，在所述带肋横流通道中，包括一排多个肋片和气膜孔排；每两个肋片之间设置有两个气膜孔，气膜孔连通带肋通道内壁与叶片的外部被冷却表面，多个气膜孔呈直线排列，各肋片之间的气膜孔均位于同一直线上，各气膜孔之间的距离相同。

2.根据权利要求1所述的一种具有槽形截面气膜孔排的带肋横流通道，其特征在于，所述气膜孔均具有扁平状槽形截面，且沿气体流向具有扩张结构，即气体出口的横截面大于气体进口。

3.根据权利要求2所述的一种具有槽形截面气膜孔排的带肋横流通道，其特征在于，所述气体进口计量段的横截面宽度W与高度H的比例W/H在4-7之间。

4.根据权利要求1所述的一种具有槽形截面气膜孔排的带肋横流通道，其特征在于，气膜孔排在带肋横流通道靠近带肋通道前侧壁，或者，靠近带肋通道后侧壁。

5.根据权利要求4所述的一种具有槽形截面气膜孔排的带肋横流通道，其特征在于，当气膜孔排位于靠近带肋通道前侧壁或后侧壁位置时，气膜孔排中心距横流通道前侧壁或后侧壁的距离在1.0D-2.0D之间，D为单个气膜孔等价直径。

6.根据权利要求1所述的一种具有槽形截面气膜孔排的带肋横流通道，其特征在于，带肋通道的气体横流方向与主流气体方向垂直，带肋通道横截面宽度Wrib在6D-10D之间，带肋通道横截面高度Hrib在为6D-10D之间。

7.根据权利要求1所述的一种具有槽形截面气膜孔排的带肋横流通道，其特征在于，带肋通道的肋节距Prib为孔节距P的两倍，肋高度h为1.8D，肋宽度e为1.8D，肋角度θ为45度。

8.根据权利要求1所述的一种具有槽形截面气膜孔排的带肋横流通道，其特征在于，带肋通道气体横流速度与主流气体速度的比值在30-70％之间。

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