CN112031877A - 一种展向非对称的凹坑气膜冷却孔型 - Google Patents

Abstract

一种展向非对称的凹坑气膜冷却孔型，用于燃气轮机透平叶片尤其是透平动叶冷却，其特征在于：所述气膜冷却孔型以圆柱孔为基孔，圆柱孔出口沿圆柱孔中心线的展向具有展向非对称凹坑结构。本发明通过调节坑状结构的深度、增大凹坑结构内冷垂直横流下游侧扩张宽度以及向内冷垂直横流下游侧移动凸台的方法，得到非对称的凹坑气膜冷却结构。增大内冷垂直横流下游侧出气边的展向宽度、合理调整凸台的展向位置，实现对内冷垂直横流下游侧高动量冷却射流的有效阻挡并降低冷气射入主流的高度，从而解决垂直内冷横流条件下的冷却射流展向分布不均匀、且冷却效率偏低的问题。

Description

一种展向非对称的凹坑气膜冷却孔型

技术领域

本发明涉及燃气轮机透平冷却技术领域，尤其涉及一种展向非对称的凹坑气膜冷却孔型。

背景技术

燃气轮机是一种广泛应用的热机装置，通过经由燃烧室燃烧后得到的高温高压燃气膨胀推动涡轮做功进而产生动力。随着对燃气轮机输出功率和效率要求的不断提升，透平进口温度已远超目前镍基金属叶片材料的耐温极限，因此，必须采用有效的冷却技术来降低透平叶片的热载荷，保证燃气涡轮的安全运行。

气膜冷却是一种高效的外部叶片冷却措施，透平叶片内部冷却腔室的冷气通过离散气膜孔流出而覆盖在叶片表面，使得叶片表面和高温主流相互隔绝，从而达到降低叶片表面温度的目的。通过对目前气膜冷却孔型进行调研，发现其孔型设计均基于冷气速度非常小的垂直冷气腔或冷气流动方向与主流流动方向平行的冷却流道，较少考虑其他流向冷却流道的影响，因此所设计得到的孔型通常沿圆柱孔中心线展向对称分布。实际上，燃气轮机叶片内冷通道的冷气流向较为复杂，尤其透平动叶内冷通道的冷气流向与主流流向多呈现为垂直关系。已有研究表明，内冷垂直横流条件下，将导致冷气射流产生一种非对称效应，即冷气射流在孔出口处被分为流动差别较大的两股流体，从而导致孔下游的壁面冷却效率沿展向分布不均匀并使得面积平均冷却效率有所减小。因此，需要针对内冷横流条件进行专门的气膜孔型设计。

目前在燃气轮机透平叶片冷却中得到实际应用的主要为圆截面的离散孔型，包括基本的圆柱孔型以及基于圆柱孔的出口扩张孔如扇形孔等。圆柱孔型的构造简单，但是在高吹风比下冷气的高动量使得冷气射流易吹离叶片表面，尤其是在远下游的表面冷却效率较低。相比于圆柱孔型，出口扩张孔型大幅提高了冷却效率但其加工难度比较大。基于圆柱孔型，近年来研究人员发展了一种高冷却效率凹坑型气膜孔，该孔型可以借助于热障涂层进行凹坑造型，易于加工，具有较好的应用前景。考虑到喷涂热障涂层进行凹坑造型的灵活性，可便于加工得到展向非对称的凹坑造型，进而克服内冷垂直横流条件下展向对称凹坑孔型的冷气分布不均和效率偏低的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种展向非对称的凹坑气膜冷却孔型，它能够解决现有技术的不足，用以控制内冷垂直横流条件下展向非对称的冷气射流，以获得更均匀的冷气覆盖和更高效的气膜冷却性能。

为了实现上述目标，本发明采用的技术解决方案为：一种展向非对称的凹坑气膜冷却孔型，用于燃气轮机透平叶片尤其是透平动叶冷却，其特征在于：所述气膜冷却孔型以圆柱孔为基孔，圆柱孔出口沿圆柱孔中心线的展向具有展向非对称凹坑结构。

所述展向非对称凹坑结构是在展向对称凹坑气膜冷却孔型的基础上，通过改变凹坑结构某侧的外形以实现凹坑气膜冷却孔型的展向非对称分布。

所述展向非对称凹坑结构均由凹坑扩张结构和凸台构成。

所述展向非对称凹坑结构为展向非对称凹坑扩张结构或者展向非对称的扩张凸台结构。

所述展向非对称凹坑扩张结构是从圆柱孔出口展向中心线两端沿展向非对称扩张；内冷垂直横流下游侧的凹坑展向扩张结构的宽度W _t比上游侧的凹坑展向扩张结构的宽度W _o大，二者之间的比值满足1.0<W _t/W ₀≤1.5。

所述展向非对称的扩张凸台结构为在圆柱孔下游出气边有一圆弧形扩张凸台结构，凸台向内冷垂直横流下游侧偏移，凸台前端和圆柱孔流向中心线之间的展向偏移距离K与凸台展向宽度F的比值满足0<K/F≤0.5。

所述展向非对称凹坑结构的深度H与圆柱孔孔径D的比值满足0.5≤H/D≤0.8。

本发明的优越性在于：1、本发明的凹坑气膜冷却孔型，具有沿展向非对称的特点。在原有凹坑气膜冷却孔型的基础上，通过调节坑状结构的深度、增大凹坑结构内冷垂直横流下游侧扩张宽度以及向内冷垂直横流下游侧移动凸台的方法，得到非对称的凹坑气膜冷却结构。增大内冷垂直横流下游侧出气边的展向宽度、合理调整凸台的展向位置，实现对内冷垂直横流下游侧高动量冷却射流的有效阻挡并降低冷气射入主流的高度，从而解决垂直内冷横流条件下的冷却射流展向分布不均匀、且冷却效率偏低的问题。2、本发明的展向非对称凹坑气膜冷却孔型，区别于已知的凹坑气膜冷却孔型，在内冷垂直横流条件下，具有的优点如下：一、凹坑结构内冷垂直横流下游侧面积增大，使得气膜展向覆盖面积有所增加；二、凸台的阻挡作用进一步放大，使得孔出口的冷气动量减小且射入主流的高度降低。

附图说明

图1-1、图1-2为现有技术中展向对称凹坑气膜冷却孔型结构示意图。

图2-1、图2-2为本发明实施例1中展向非对称的凹坑气膜冷却孔型的结构示意图。

图3-1、图3-2为本发明实施例2中展向非对称凹坑气膜冷却孔型的结构示意图。

图4为本发明实施例1、实施例2与原始展向对称凹坑气膜冷却孔型在吹风比M=0.5时的展向平均冷却效率分布对比。

图5为本发明实施例1、实施例2与原始展向对称凹坑气膜冷却孔型在吹风比M=1.5时的展向平均冷却效率分布对比。

图6为本发明实施例1、实施例2与原始展向对称凹坑气膜冷却孔型的在吹风比M=2.5时的展向平均冷却效率分布对比。

图7为本发明实施例1、实施例2与原始展向对称凹坑气膜冷却孔型在不同吹风比下M=0.5、1.5和2.5的面积平均冷却效率分布对比。

其中，1为圆柱孔，2为凹坑扩张结构，3为凸台。

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，下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步详细说明。

图1-1、图1-2是原始展向对称凹坑气膜冷却孔型结构图，圆柱孔的长度、直径和喷射角分别用L、D和α表示，凹坑结构的下沉深度、展向扩张宽度和流向扩张长度分别用H、W和B表示，凸台前端与圆柱孔1出气边的流向距离用λ表示，凸台展向宽度用F表示。该孔型出口凹坑扩张结构2和凸台3均以普通圆柱孔1流向中心线为对称轴左右对称。值得注意的是，在本发明的实施例中，X轴代表主流流向，Y轴代表展向，Z轴代表待冷却平面的法向；内冷垂直横流的流动方向为由Y ^-侧流向Y ⁺侧。

实施例1：在本发明的第一个实施例中，提供了一种增大凹坑扩张结构2内冷垂直横流下游侧展向扩张宽度的展向非对称凹坑气膜冷却孔型结构，图2-1、图2-2为本发明实施例1展向非对称凹坑气膜冷却孔型几何结构图。如图2-1所示，所述展向非对称凹坑结构是从圆柱孔1出口两侧沿展向非对称扩张的凹坑扩张结构2，内冷垂直横流下游侧展向扩张宽度用W _t表示，内冷垂直横流上游侧展向扩张宽度用W ₀表示，W _t/W ₀=1.25是该展向非对称凹坑气膜冷却孔型实施例1区别于原始展向对称凹坑气膜冷却孔型的主要特征。

在本发明的实施例1中，相比于原始展向对称凹坑气膜冷却孔型，保持内冷垂直横流上游侧展向扩张宽度不变，下游侧展向扩张宽度的有所增加，如图2-1所示。在内冷垂直横流条件下，展向对称凹坑气膜冷却孔型的冷气射流主要集中于内冷垂直横流下游侧的凹坑区域，而实施例1中下游侧凹坑区域较大的扩张宽度可以有效增加该侧的孔出口面积进而降低流经该侧冷气的动量，使得冷却效率的均匀性提升，同时增强冷气的展向覆盖，提高面积平均冷却效率。本发明实施例1中，内冷垂直横流下游侧展向扩张宽度和上游侧展向扩张宽度之间的取值W _t/W ₀=1.25。

此外，实施例1中凹坑的下沉深度H直接影响凹坑出气边和扩张形凸台对冷气的阻挡作用，一定范围内较大的下沉深度可减小在孔出口的冷气动量、降低冷气射入主流的高度进而提升冷却性能，但过大的下沉深度将导致内冷垂直横流上游侧低动量冷气无法贴近凹坑孔出气边流出从而降低冷却性能。本发明实施例1中，凹坑的下沉深度H与圆柱孔孔径D的比值H/D=0.5。

实施例2：在本发明的第二个实施例中，提供了一种偏置凹坑结构下游出气口处的扩张形凸台从而实现的展向非对称凹坑气膜冷却孔型结构，图3-1、图3-2为本发明实施例2的结构图，所述展向非对称凹坑结构在凹坑出气边有一圆弧形扩张凸台3，凸台3向内冷垂直横流下游侧偏移。扩张形凸台3位置在展向上呈现非对称分布是本发明实施例2中区别于原始展向对称凹坑气膜冷却孔型的主要特征，凸台3前端和圆柱孔1流向中心线之间的展向偏移距离K与凸台3展向宽度F的比值K/F=0.25。

在本发明的实施例2中，相比于原始展向对称凹坑气膜冷却孔型，保持孔扩张出口的凹坑扩张结构2总展向宽度不变，扩张形凸台3大部分结构位于内冷垂直横流下游侧的凹凹坑扩张结构2区域内，由于内冷垂直横流条件下更多的冷气从下游侧凹坑扩张结构2区域流出，因此实施例2中将凸台向内冷垂直横流下游侧移动能够更加有效地阻挡冷却射流，同时减弱了上游侧凹坑扩张结构2出气边对低速冷气的阻挡，使上游侧凹坑扩张结构2内的冷气射流能够紧贴凹坑扩张结构2出气口流出，从而使得冷气覆盖面积和面积平均冷却效率增大。本发明实施例2中，凹坑扩张结构2的下沉深度H的要求与实施例1相同。

数值模拟性能对比

将本发明实施例1、实施例2中的展向非对称凹坑气膜冷却孔型与原始展向对称凹坑气膜冷却孔型的冷却性能进行对比分析，如图4-图7所示。数值模拟的边界条件设置为：主流马赫数Ma _m=0.6，主流温度T _tm=550K，主流湍流度Tu _m=3.5%，冷气马赫数Ma _c=0.3，冷气温度T _tc=300K，冷气湍流度Tu _c=1.0%，通过改变冷气出口静压来调节得到不同的吹风比M。图4-图7中， Ref表示原始展向对称凹坑气膜冷却孔型，Case 1表示实施例1展向非对称凹坑气膜冷却孔型，Case 2表示实施例2展向非对称凹坑气膜冷却孔型。

图4为吹风比M=0.5时本发明实施例1和实施例2中的展向非对称凹坑气膜冷却孔型与原始展向对称凹坑气膜冷却孔型的展向平均冷却效率沿流向方向的分布曲线对比。可知，在较低的吹风比M=0.5时，实施例1在孔出口近下游区域内（0<X/D<8）的展向平均冷却效果高于原始对称凹坑孔型，其它流向位置处的冷却效率与原始对称凹坑孔型基本相同；实施例2的展向平均冷却效率整体上低于原始展向对称凹坑孔型。

图5和图6为本发明实施例1和实施例2中的展向非对称凹坑气膜冷却孔型与原始展向对称凹坑气膜冷却孔型在中等吹风比M=1.5、高吹风比M=2.5时的展向平均冷却效率沿流向的分布曲线对比。可知，实施例1在吹风比M=1.5时在孔出口近下游区域（0<X/D<8）高于原始对称凹坑孔型，而在远下游区域内（X/D>8）低于原始凹坑孔型；在吹风比M=2.5时，实施例1仅在孔出口下游中间区域内（7< X/D <14）低于原始凹坑孔型，其余区域内均高于原始凹坑孔型；实施例2在不同强度的吹风比下孔下游各流向位置处的展向平均冷却效率均高于原始对称凹坑孔型。

图7为本发明实施例1和实施例2中的展向非对称凹坑气膜冷却孔型与原始展向对称凹坑气膜冷却孔型在不同吹风比M=0.5、1.5和2.5的面积平均冷却效率分布。可知，实施例1在任意吹风比下的面积平均冷却效率均有小幅增加，相对而言，在高吹风比下的提升幅度稍大；实施例2在较大吹风比下具有较大的面积平均冷却效率，相比于原始对称凹坑孔型提升约0.10。

上述结果表明，本发明提出的展向非对称凹坑气膜冷却孔型能够较好地处理内冷垂直横流所带来的冷气射流非对称效应造成的影响，在提升冷却性能尤其是高吹风比的冷却性能方面具有相当的优势。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，设计得到应对内冷垂直横流的各种展向非对称凹坑气膜冷却变形和改进孔型，均应落入本发明专利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种展向非对称的凹坑气膜冷却孔型，其特征在于：所述气膜冷却孔型以圆柱孔为基孔，圆柱孔出口沿圆柱孔中心线的展向具有展向非对称凹坑结构。

2.根据权利要求1所述一种展向非对称的凹坑气膜冷却孔型，其特征在于：所述展向非对称凹坑结构是在展向对称凹坑气膜冷却孔型的基础上，通过改变凹坑结构某侧的外形以实现凹坑气膜冷却孔型的展向非对称分布。

3.根据权利要求1所述一种展向非对称的凹坑气膜冷却孔型，其特征在于：所述展向非对称凹坑结构均由凹坑扩张结构和凸台构成。

4.根据权利要求1、2或3所述一种展向非对称的凹坑气膜冷却孔型，其特征在于：所述展向非对称凹坑结构为展向非对称凹坑扩张结构或者展向非对称的扩张凸台结构。

5.根据权利要求4所述一种展向非对称的凹坑气膜冷却孔型，其特征在于：所述展向非对称凹坑扩张结构是从圆柱孔出口展向中心线两端沿展向非对称扩张；内冷垂直横流下游侧的凹坑展向扩张结构的宽度W _t比上游侧的凹坑展向扩张结构的宽度W _o大，二者之间的比值满足1.0<W _t/W ₀≤1.5。

6.根据权利要求4所述一种展向非对称的凹坑气膜冷却孔型，其特征在于：所述展向非对称的扩张凸台结构为在圆柱孔下游出气边有一圆弧形扩张凸台结构，凸台向内冷垂直横流下游侧偏移，凸台前端和圆柱孔流向中心线之间的展向偏移距离K与凸台展向宽度F的比值满足0<K/F≤0.5。

7.根据权利要求1、2或3所述一种展向非对称的凹坑气膜冷却孔型，其特征在于：所述展向非对称凹坑结构的深度H与圆柱孔孔径D的比值满足0.5≤H/D≤0.8。

8.根据权利要求1所述一种展向非对称的凹坑气膜冷却孔型，其特征在于：用于燃气轮机透平叶片尤其是透平动叶冷却。

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