CN112780356B - 带有表面凹陷的气膜冷却结构及涡轮叶片、涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带有表面凹陷的气膜冷却结构，包括：凹陷结构和气膜孔，气膜孔与凹陷结构平滑连接；气流通过气膜孔蔓延到凹陷结构形成气膜，气膜扩散至涡轮叶片表面；凹陷结构包括第一凹陷和第二凹陷，第一凹陷的内壁面上设置有第二凹陷，第二凹陷的内壁上设置有气膜孔；气膜孔的气膜孔口上设置有倒圆结构或者斜切结构；和/或，第一凹陷的后部边缘上设置有倒圆结构或者斜切结构。本发明还提供了一种涡轮叶片，涡轮叶片的壁面上设置有阵列排列的气膜冷却结构；凹陷抑制了下游壁面上气膜流动形成的反向涡对；气膜孔和双凹陷结构使得气膜孔流出的气流紧贴壁面。本发明比常规的斜孔，具有更高的气膜冷却效率、加工效率和更低的加工成本。

Description

带有表面凹陷的气膜冷却结构及涡轮叶片、涡轮机

技术领域

本发明涉及航空发电机和燃气轮机技术领域，具体地，涉及一种带有表面凹陷的气膜冷却结构及涡轮叶片、涡轮机。

背景技术

航空发动机和燃气轮机的燃气温度高达1500-1900℃，远超过金属材料的工作允许温度。燃气轮机的高温部件，如涡轮叶片、燃烧室等，需要采用内部对流冷却以及外部气膜冷却，以保持高温部件合适的工作温度。为提高航空发动机和燃气轮机的热效率和做功能力，发动机的燃气温度还在不断提高，迫切需要更高效的气膜冷却结构和气膜冷却技术，以维持涡轮叶片的壁面温度在许可范围之内，或减少冷却空气用量。气膜冷却结构冷却效率的提高，意味着可用较少的冷却空气实现冷却目标，这有利于提高发动机效率；或者用同量的冷却空气，能把涡轮叶片的温度维持更低，这有利于提高涡轮部件的工作寿命和可靠性。

气膜冷却用于涡轮叶片外部壁面，冷气由涡轮叶片内部从壁面上小孔喷出，并在叶片表面形成气膜以隔离高温燃气与涡轮叶片壁面，以减少外部高温燃气对涡轮叶片的传热。

经过检索，专利文献CN104234756A公开了一种跨音速型气膜冷却孔，涡轮叶片吸力面气膜冷却孔和压力面气膜冷却孔的中心线与叶片表面之间夹角为30°-60°，跨音速型气膜冷却孔总体结构分为收缩段、喉部和扩张段。跨音速型气膜冷却孔收缩段中心线长度l1为6～10倍喉部半径，从气膜冷却孔入口至喉部用维托辛斯基公式来计算壁面的型线；喉部是冷气从亚音速到超音速的过渡段，喉部截面积利用冷气流量来确定；从喉部到扩张段进行光滑过渡，采用一个基本相同的曲率半径，得到平滑的扩张段壁面，扩张段半顶角β为4°～6°，通过半顶角求得扩张段中心线长度l2。该现有技术采用的气膜冷却孔设计为收缩扩张形，其加工难度非常高，并且相当复杂。

专利文献CN109736898A公开了一种交错复合角的叶片前缘气膜冷却孔结构，包括第一组圆柱形气膜冷却孔和第二组圆柱形气膜冷却孔，第一组圆柱形气膜冷却孔和第二组圆柱形气膜冷却孔的进口固定在叶片内壁面上，出口固定在叶片外壁面上，叶顶位置布置冷气进口，叶片冷气前腔位于冷气进口下方，冷却气体从冷气进口进入经叶片冷气前腔流入第一组圆柱形气膜冷却孔和第二组圆柱形气膜冷却孔的进口，该现有技术采用圆柱形的气膜孔冷却的效率不高。

当前气膜冷却的问题在于常规的倾斜圆柱形气膜孔冷却效率不高，尤其是高吹风比下气膜冷却效率很低。当前的扩散形或扇形气膜冷却，显著提高了气膜冷却效率，尤其是在高吹风比下能够获得较高的气膜冷却效率。但是发散形气膜冷却的问题又在于，气膜孔的加工效率低，加工时间长，加工成本高，孔口结构参数对气膜冷却效率影响较大，因此，影响气膜冷却的可靠性，以及涡轮叶片的加工效率和成本。而扩散形气膜孔的孔口具有复杂的三维型面扩张，具有高度的复杂性和加工难度。

因此，亟需研发一种加工简单且冷却效率高的气膜冷却结构。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种带有表面凹陷的气膜冷却结构、涡轮叶片及涡轮机，解决了现有技术中低吹风比和高吹风比情况下的气膜冷却效率低，加工成本高，工艺难度大的技术问题。

根据本发明提供的一种带有表面凹陷的气膜冷却结构，包括：凹陷结构和气膜孔，气膜孔与凹陷结构平滑连接；气流通过气膜孔蔓延到凹陷结构形成气膜，气膜扩散至涡轮叶片表面；凹陷结构包括第一凹陷和第二凹陷，第一凹陷的内壁面上设置有第二凹陷，第二凹陷的内壁上设置有气膜孔；气膜孔的气膜孔口上设置有倒圆结构或者斜切结构；和/或，第一凹陷的后部边缘上设置有倒圆结构或者斜切结构。

优选地，第一凹陷的直径与气膜孔的直径比为1.2-10，第一凹陷的深度与第一凹陷的直径比为0.1-0.5。

优选地，第二凹陷的直径与气膜孔的直径比为1.1-5，第二凹陷的深度与第二凹陷的直径比为0.1-0.5。

优选地，第二凹陷的直径小于第一凹陷的直径；第二凹陷位于第一凹陷的内壁面上，且包含第一凹陷的底部。

优选地，第一凹陷上的倒圆结构或者斜切结构设置在第一凹陷的后部边缘上。

优选地，气膜孔上的倒圆结构或者斜切结构设置在气膜孔口的边缘。

优选地，第一凹陷的后部边缘的倒圆结构两侧的倒圆半径小于、等于或者大于倒圆结构中间的倒圆半径；第二凹陷的壁面与第一凹陷的壁面平滑过渡。

根据本发明提供的一种涡轮叶片，包含上述的带有表面凹陷的气膜冷却结构。

优选地，涡轮叶片本体的壁面上设置有阵列排列的气膜冷却结构；

凹陷结构抑制相邻壁面之间形成的反向涡对；

气膜孔和凹陷结构的倒圆结构或者斜切结构使得气膜孔流出的气流附着在壁面上流动。

根据本发明提供的一种涡轮机，使用上述的涡轮叶片进行冷却。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过在涡轮叶片上设置双凹陷结构，在凹陷内壁面设置气膜孔，在气膜孔或者凹陷上设置倒圆结构或者斜切结构，能够实现涡轮叶片在低吹风比和高吹风比下，具有更高的气膜冷却效率、更高的加工效率和更低的加工成本。

2、本发明通过设置第一凹陷和第二凹陷，其中第二凹陷能够解决凹陷内部气膜孔出口冷气(气膜)流动分离；从而起到外部主流与第一凹陷壁面的相互作用，产生横向扩展的涡流，并携带冷气也横向扩展开来，提高了气膜横向覆盖，提高了气膜冷却效率。

3、本发明通过气膜冷却结构的设计，能够实现凹陷涡使得气膜流动横向扩展，提高了壁面上气膜冷却效率，另一方面，凹陷抑制了下游壁面上方的反向涡对，使得冷气能更好地贴近壁面，并减少了外部高温燃气与壁面附近冷气的掺混。

4、本发明通过气膜冷却结构的设计，在高吹风比下，气膜孔边缘倒圆以及第二凹陷的壁面，使得气膜孔口喷出的冷气减速扩散开来，降低了气膜孔出流动量，抑制了凹陷内部流动分离，并保护了气膜出流免受外部主流的侵扰；第一凹陷后部边缘倒圆，使气膜流动蔓延至下游壁面，以对下游壁面提供较好的气膜保护；外部主流与第一凹陷的壁面相互作用后产生横向扩展流动，并使冷气横向扩展开来，从而有利于获得较高的气膜冷却效率。

5、本发明通过设计气膜孔口边缘倒圆，以及凹陷边缘倒圆，也降低了气膜孔流动阻力，以及降低了外部高温燃气流过凹陷时对凹陷边缘的冲击带来的气动损失以及传热。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中带有表面双凹陷气膜冷却结构的截面图；

图2为本发明中带有表面双凹陷气膜冷却结构的整体结构示意图；

图3为本发明中带有表面双凹陷气膜冷却结构的整体结构中的气膜流动原理图。

图中：

第一凹陷1；第二凹陷2；气膜孔3；第一倒圆4；第二倒圆5；横向扩展流动10；冷气12。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-3所示，本发明提供了一种带有表面凹陷的气膜冷却结构，包括：凹陷结构和气膜孔3，气膜孔3与凹陷结构平滑连接；气流通过气膜孔3蔓延到凹陷结构形成气膜，气膜扩散至涡轮叶片表面；凹陷结构包括第一凹陷1和第二凹陷2，第一凹陷1的内壁面上设置有第二凹陷2，第二凹陷2的内壁上设置有气膜孔3；气膜孔3的气膜孔口上设置有倒圆结构或者斜切结构；和/或，第一凹陷1的后部边缘上设置有倒圆结构或者斜切结构。

本发明的优选例，作进一步说明。

基于上述结构，本发明中的第一凹陷1的直径与气膜孔3的直径比为1.2-10，第一凹陷1的深度与第一凹陷1的直径比为0.1-0.5。

基于上述结构，本发明中的第二凹陷2的直径与气膜孔3的直径比为1.1-5，第二凹陷2的深度与第二凹陷2的直径比为0.1-0.5。

基于上述结构，本发明中的第二凹陷2的直径小于第一凹陷1的直径；第二凹陷2位于第一凹陷1的内壁面上，且包含第一凹陷1的底部，气膜孔3从第二凹陷2的中心吹出；气膜孔3与外部壁面水平流动方向夹角10-90度。

基于上述结构，本发明中的第一凹陷1上的倒圆结构或者斜切结构设置在第一凹陷1的后部边缘上。

基于上述结构，本发明中的气膜孔3上的倒圆结构或者斜切结构设置在气膜孔口3的边缘。

基于上述结构，本发明中的第一凹陷1的后部边缘的倒圆结构两侧的倒圆半径小于、等于或大于倒圆结构中间的倒圆半径；第二凹陷2的壁面与第一凹陷1的壁面平滑过渡。

基于上述结构，本发明中的气膜孔口后部边缘的倒圆结构的倒圆半径范围为0-0.3Df，Df是气膜孔直径。

基于上述结构，本发明中的第一凹陷1的后部边缘的倒圆结构的倒圆半径范围0-0.3D1,D1是第一凹陷1的直径。

本发明中的第一凹陷1和第二凹陷2可以都加工在涡轮叶片本体壁面上；也可以第一凹陷1加工在热障涂层中，第二凹陷2及气膜孔3加工在叶片本体壁面上。

凹陷形状可以是球面、圆锥面，或圆柱面等。

加工方式及工作原理：

本发明中的气膜冷却结构先通过熔模铸造的方法加工涡轮叶片，在涡轮叶片表面或叶片壁面的热障涂层表面采用精密铸造、激光或精密机加工第一凹陷1和第二凹陷2结构，加工效率较高；然后再以激光或电火花在第二凹陷2的内部壁面以及涡轮叶片本体壁面上加工气膜孔3。另外，由于要加工的气膜孔3限制在凹陷结构内部，气膜孔3与凹陷结构表面夹角更大，这降低了气膜孔3加工难度，气膜孔口加工误差对气膜冷却效率的影响更小。同时这也解决了扩散形气膜孔小倾角条件下加工不精确，难控制，难操作的问题。第二凹陷2扩散了气膜出口冷气12流动，并在第一凹陷1中进一步降低了冷气12流速；第一凹陷1促进了气膜横向扩展流动10。

本发明还提供了一种涡轮叶片，包含上述的气膜冷却结构。涡轮叶片本体的壁面上设置有阵列排列的气膜冷却结构；双凹陷结构抑制下游壁面上形成的反向涡对；在高吹风比下，气膜孔口边缘3和第一凹陷1的后部边缘倒圆结构或者斜切结构使得气膜孔3流出的气流紧贴壁面。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种带有表面凹陷的气膜冷却结构，其特征在于，包括：凹陷结构和气膜孔(3)，所述气膜孔(3)与所述凹陷结构平滑连接；

气流通过所述气膜孔(3)蔓延到所述凹陷结构形成气膜，所述气膜扩散至涡轮叶片表面；

所述凹陷结构包括第一凹陷(1)和第二凹陷(2)，所述第一凹陷(1)的内壁面上设置有所述第二凹陷(2)，所述第二凹陷(2)的内壁上设置有所述气膜孔(3)；

所述气膜孔(3)的气膜孔口上设置有倒圆结构或者斜切结构；

和/或，所述第一凹陷(1)的后部边缘上设置有倒圆结构或者斜切结构；

所述第一凹陷(1)的直径与所述气膜孔(3)的直径比为1.2-10，所述第一凹陷(1)的深度与所述第一凹陷(1)的直径比为0.1-0.5；

所述第二凹陷(2)的直径与所述气膜孔(3)的直径比为1.1-5，所述第二凹陷(2)的深度与所述第二凹陷(2)的直径比为0.1-0.5。

2.根据权利要求1所述的带有表面凹陷的气膜冷却结构，其特征在于，所述第二凹陷(2)的直径小于所述第一凹陷(1)的直径；

所述第二凹陷(2)位于所述第一凹陷(1)的内壁面上，且包含所述第一凹陷(1)的底部。

3.根据权利要求1所述的带有表面凹陷的气膜冷却结构，其特征在于，所述第一凹陷(1)上的倒圆结构或者斜切结构设置在所述第一凹陷(1)的后部边缘上。

4.根据权利要求1所述的带有表面凹陷的气膜冷却结构，其特征在于，所述气膜孔(3)上的倒圆结构或者斜切结构设置在气膜孔口的边缘。

5.根据权利要求1所述的带有表面凹陷的气膜冷却结构，其特征在于，所述第一凹陷(1)的后部边缘的倒圆结构两侧的倒圆半径小于、等于或者大于倒圆结构中间的倒圆半径；

所述第二凹陷(2)的壁面与所述第一凹陷(1)的壁面平滑过渡。

6.一种涡轮叶片，其特征在于，包含权利要求1-5中任一项所述的带有表面凹陷的气膜冷却结构。

7.根据权利要求6所述的涡轮叶片，其特征在于，涡轮叶片本体的壁面上设置有均匀排列的气膜冷却结构；

所述凹陷结构抑制相邻壁面之间形成的反向涡对；

所述气膜孔(3)和所述凹陷结构的倒圆结构或者斜切结构使得气膜孔(3)流出的气流附着在壁面上流动。

8.一种涡轮机，其特征在于，使用权利要求6所述的涡轮叶片进行冷却。

Images