CN112922677A - 一种用于涡轮叶片前缘冷却的组合结构气膜孔 - Google Patents
一种用于涡轮叶片前缘冷却的组合结构气膜孔 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于涡轮叶片前缘冷却的组合结构气膜孔，包括从进口方向到出口方向依次连通的第一通孔和锥形孔，第一通孔与锥形孔非同轴设置，锥形孔的出口的横截面积大于第一通孔的横截面的面积；第一通孔的轴心线为一条直线；第一通孔的内壁面与锥形孔的内壁面均无棱角。本发明能在叶片前缘形成较好的冷却气膜，第一通孔实现对冷却空气流量的控制，锥形孔增大了气膜孔出口面积，降低了气膜孔出口冷却空气的速度，提高了冷却气流覆盖效果，显著提高叶片冷却效果，降低叶片前缘壁面温度，并钝化了气膜孔出口边缘的尖边，改善了气膜孔出口边缘应力集中系数，降低气膜孔出口边缘应力，有利于降低叶片壁面温度、提高叶片可靠性和使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于燃气轮机与航空发动机技术领域，具体涉及一种用于涡轮叶片前缘冷却的组合结构气膜孔。
背景技术
高性能燃气轮机中涡轮前燃气温度远高于涡轮叶片使用的材料温度，特别是涡轮叶片前缘感受的燃气温度最高，为降低叶片前缘区域壁面的温度，通常需要对燃气涡轮叶片的前缘进行气膜冷却。为保障叶片前缘冷却空气在各状态下均能通过气膜孔排出，通常选取较高的冷气压力裕度，但气膜孔排出的冷气压力需要与叶片外表面的燃气压力匹配，若冷气压力太低，冷气空气可能不能从气膜孔中排出，甚至产生燃气进入叶片内部，这时叶片在短时间内就会烧蚀并失效。目前燃气涡轮叶片前缘气膜孔普遍采用圆柱形气膜孔，其优点是结构简单，加工方便，但由于冷气压力与燃气压力难以匹配，存在冷却空气在叶片前缘区域难以形成有效气膜覆盖，气膜冷却效果较低。
为提高涡轮叶片前缘气膜冷却效果，需在保障叶片气膜孔冷却空气压力裕度的前提下，降低气膜孔出口冷却空气的流速，使冷却空气能较好的覆盖在叶片前缘壁面上。目前，在叶片前缘区域仍采用圆柱形气膜孔，而在叶片的盆、背区域常用了扩大气膜孔出口截面面积方法来降低气膜孔出口处冷却空气的流速，即将气膜孔出口形状由圆柱形结构逐渐扩展成长方形结构，使冷却气流出口速度大幅降低，提高了冷却气流在叶片盆、背区域外表面的覆盖效果。该结构气膜孔在先进高温燃气轮机中得到应用，但其不适用于叶片前缘区域的气膜冷却。因为叶片前缘区域型面曲率较大、直径较小，难以制成长方形结构的气膜孔，另外，长方形孔易出现应力集中，不适用于叶片前缘，特别不适用于转子叶片前缘气膜冷却。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于涡轮叶片前缘冷却的组合结构气膜孔，用以提高涡轮转子叶片前缘气膜冷却效果，解决叶片前缘圆柱形气膜孔气膜冷却存在的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于涡轮叶片前缘冷却的组合结构气膜孔，包括从进口方向到出口方向依次连通的第一通孔和锥形孔，第一通孔与锥形孔非同轴设置，且锥形孔的出口的横截面积大于第一通孔的横截面的面积；所述第一通孔的轴心线为一条直线；所述第一通孔的内壁面与锥形孔的内壁面均无棱角。
作为一种具体的实现方式，本实现方式中需要进一步说明的是，所述锥形孔是横截面为圆形结构的圆锥形孔。圆形通孔加工方便，且内壁面没有任何的棱角结构，当冷气进入圆形通孔状的第一通孔内时，不会产生额外的应力。
作为一种具体的实现方式，本实现方式中需要进一步说明的是，所述锥形孔的锥角不小于10°，具体可以是10°、30°、50°、70°、或80°等等，锥形孔的锥角通常是小于120°的，因此只要锥形孔的锥角在大于等于10°且小于120°的范围内均可，可以根据实际情况而定，不做具体的限定，在同等长度内可以加大出气口的直径，满足锥形孔出气口直径大于第一通孔的孔径的要求，从而在叶片前缘形成较好的冷却气膜，显著提高叶片冷却效果，降低叶片前缘壁面温度。
作为一种具体的实现方式，本实现方式中需要进一步说明的是，所述锥形孔的横截面为椭圆形结构。椭圆形结构的锥形孔同样方便加工，内壁面没有任何的棱角结构，当冷气进入椭圆形结构的锥形孔内时，不会产生额外的应力，且椭圆形结构的锥形孔的孔径较大的一端作为其出气端，孔径较小的一端作为其进气端，椭圆形结构的锥形孔的进气端与第一通孔的出气端相连通，在保证气体稳定流通且气膜孔出气端变大的基础上，使得加工更加方便。
作为一种具体的实现方式，本实现方式中需要进一步说明的是，所述第一通孔是横截面为圆形结构的圆形通孔，此处的横截面优选为经过第一通孔1的中心轴的中点的一个横截面，避免第一通孔1两端的部分为一个倾斜面。圆形通孔加工方便，且内壁面没有任何的棱角结构，当冷气进入圆形通孔状的第一通孔内时，不会产生额外的应力。
作为一种具体的实现方式，本实现方式中需要进一步说明的是，所述第一通孔的横截面为椭圆形结构，此处的横截面优选为经过第一通孔的中心轴的中点的一个横截面，避免第一通孔两端的部分为一个倾斜面。椭圆形结构的第一通孔加工方便，且内壁面没有任何的棱角结构，当冷气进入椭圆形结构的第一通孔内时，不会产生额外的应力。
作为一种具体的实现方式，本实现方式中需要进一步说明的是，所述第一通孔的内壁面包括多个第一平面和多个过渡曲面，任意两个第一平面之间均通过一个过渡曲面相连接，且每个第一平面均与其两侧的过渡曲面相切，此时每个过渡曲面的弧度均为45°，这种实现方式也可以达到内壁面没有任何的棱角结构，当冷气进入椭圆形结构的第一通孔内时，不会产生额外的应力的效果。
作为一种具体的实现方式，本实现方式中需要进一步说明的是，所述第一通孔上设置有第一完整圆切面和第二完整圆切面，第一完整圆切面上的一个点与第一通孔进气端的孔沿上的一个点重合，即第一完整圆切面经过且仅经过第一通孔进气端的孔沿上的一个点，第二完整圆切面上的一个点与第一通孔出气端的孔沿上的一个点重合，即第二完整圆切面经过且仅经过第一通孔出气端的孔沿上的一个点，且第一通孔的轴线均垂直于第一完整圆切面和第二完整圆切面，保证第一完整圆切面和第二完整圆切面在第一通孔上切割的部分与第一通孔的孔面是对应的，也就是说当第一通孔为圆形时，第一完整圆切面和第二完整圆切面在第一通孔上切割的部分是与第一通孔相对应的圆形，当第一通孔为椭圆形时，第一完整圆切面和第二完整圆切面在第一通孔上切割的部分是与第一通孔相对应的椭圆形，此时，第一完整圆切面和第二完整圆切面之间的间距不小于0.3mm，这样可以有效控制冷却空气流量。
有益效果：本发明采用第一通孔和锥形孔组合的气膜孔，能在叶片前缘形成较好的冷却气膜，第一通孔实现对冷却空气流量的控制，锥形孔增大了气膜孔出口面积，降低了气膜孔出口冷却空气的速度，提高了冷却气流覆盖效果，显著提高叶片冷却效果，降低叶片前缘壁面温度，并钝化了气膜孔出口边缘的尖边，改善了气膜孔出口边缘应力集中系数，降低气膜孔出口边缘应力，有利于降低叶片壁面温度、提高叶片可靠性和使用寿命；本发明结构简洁，工艺性好，具有很高的应用价值和广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明中组合结构气膜孔位于的涡轮叶片前缘部分的结构示意图；
图2为本发明中一个组合结构气膜孔部位剖视后的结构示意图。
附图标记：1-第一通孔；2-锥形孔；3-涡轮叶片。
具体实施方式
实施例一：
如图1和图2所示，为提高涡轮转子叶片前缘气膜冷却效果，解决叶片前缘圆柱形气膜孔气膜冷却存在的问题，本实施例提供了一种用于涡轮叶片前缘冷却的组合结构气膜孔，包括从进口方向到出口方向依次连通的第一通孔1和锥形孔2，第一通孔1和锥形孔2组合成组合结构气膜孔，贯穿涡轮叶片3前缘，其中，第一通孔1与锥形孔2非同轴设置，能在涡轮叶片3前缘形成较好的冷却气膜，显著提高涡轮叶片3的冷却效果，降低涡轮叶片3前缘壁面温度，且锥形孔2的出口的横截面积大于第一通孔1的横截面的面积，此处第一通孔1的横截面优选为经过第一通孔1的中心轴的中点的一个横截面，大一点的出口可以钝化组合结构气膜孔出气口边缘的锐角，减小孔壁的应力，对涡轮叶片3起到保护作用，从而延长其使用寿命；所述第一通孔1的轴心线为一条直线，进而保证第一通孔1是一个一通到底的通孔，而不是一个弯折的孔，也就避免了采用弯折孔时产生的制造工艺难度和可能的应力集中，对涡轮叶片3起到良好的保护作用；所述第一通孔1的内壁面与锥形孔2的内壁面均无棱角，进而也就使得经过组合结构气膜孔的气体在第一通孔1与锥形孔2内没有不必要棱角来产生应力。需要说明的是，正常工作时，冷却空气是从涡轮叶片的底部进入，穿过涡轮叶片的内腔，然后进入第一通孔1，再从锥形孔2流通出去。
本申请采用第一通孔1和锥形孔2组合的气膜孔，能在叶片前缘形成较好的冷却气膜，第一通孔1实现对冷却空气流量的控制，锥形孔2增大了气膜孔出口面积，降低了气膜孔出口冷却空气的速度，提高了冷却气流覆盖效果，显著提高叶片冷却效果，降低叶片前缘壁面温度，并钝化了气膜孔出口边缘的尖边，改善了气膜孔出口边缘应力集中系数，降低气膜孔出口边缘应力，有利于降低叶片壁面温度、提高叶片可靠性和使用寿命；本申请结构简洁，工艺性好，具有很高的应用价值和广泛的应用前景。
作为一种具体的实现方式，本实现方式中需要进一步说明的是，所述锥形孔2是横截面为圆形结构的圆锥形孔。圆锥形孔方便加工，内壁面没有任何的棱角结构，当冷气进入锥形孔2内时，不会产生额外的应力，且圆锥形孔的孔径较大的一端作为其出气端，孔径较小的一端作为其进气端，圆锥形孔的进气端与第一通孔1的出气端相连通，在保证气体稳定流通且气膜孔出气端变大的基础上，使得加工更加方便。
作为一种具体的实现方式，本实现方式中需要进一步说明的是，所述第一通孔1是横截面为圆形结构的圆形通孔，此处第一通孔1的横截面优选为经过第一通孔1的中心轴的中点的一个横截面，避免第一通孔1两端的部分为一个倾斜面。圆形通孔加工方便，且内壁面没有任何的棱角结构，当冷气进入圆形通孔状的第一通孔1内时，不会产生额外的应力。
实施例二：
本实施例是在实施例一基础上做出的进一步改进，本实施例与实施例一的具体区别是：
作为一种具体的实施方式，本实施方式中需要进一步说明的是，所述锥形孔2的锥角不小于10°，具体可以是10°、30°、50°、70°、80°或110°等等，因为锥形孔2的锥角是小于120°的，因此只要锥形孔2的锥角在大于等于10°且小于120°的范围内均可，可以根据实际情况而定，不做具体的限定，在同等长度内可以加大出气口的直径，满足锥形孔2出气口直径大于第一通孔1的孔径的要求，从而在叶片前缘形成较好的冷却气膜，显著提高叶片冷却效果，降低叶片前缘壁面温度。
实施例三：
本实施例是在实施例一基础上做出的进一步改进，本实施例与实施例一的具体区别是：
作为一种具体的实施方式，本实施方式中需要进一步说明的是，与实施例一所不同的是，所述锥形孔2的横截面为椭圆形结构。椭圆形结构的锥形孔2同样方便加工，内壁面没有任何的棱角结构，当冷气进入椭圆形结构的锥形孔2内时，不会产生额外的应力，且椭圆形结构的锥形孔2的孔径较大的一端作为其出气端，孔径较小的一端作为其进气端，椭圆形结构的锥形孔2的进气端与第一通孔1的出气端相连通，在保证气体稳定流通且气膜孔出气端变大的基础上，使得加工更加方便。
实施例四：
本实施例是在实施例一至实施例三中任一实施例基础上做出的进一步改进，本实施例与实施例一至实施例三中任一实施例的具体区别是：
作为一种具体的实施方式，本实施方式中需要进一步说明的是，与实施例一至实施例三中任一实施例不同的是，所述第一通孔1的横截面为椭圆形结构，此处的横截面优选为经过第一通孔1的中心轴的中点的一个横截面，避免第一通孔1两端的部分为一个倾斜面。椭圆形结构的第一通孔1加工方便，且内壁面没有任何的棱角结构，当冷气进入椭圆形结构的第一通孔1内时，不会产生额外的应力。
实施例五：
本实施例是在实施例一至实施例三中任一实施例基础上做出的进一步改进，本实施例与实施例一至实施例三中任一实施例的具体区别是：
作为一种具体的实施方式，本实施方式中需要进一步说明的是，与实施例一至实施例三中任一实施例不同的是，所述第一通孔1的内壁面包括多个第一平面和多个过渡曲面，任意两个第一平面之间均通过一个过渡曲面相连接，且每个第一平面均与其两侧的过渡曲面相切，此时每个过渡曲面的弧度均为45°，这种实现方式也可以达到内壁面没有任何的棱角结构，当冷气进入椭圆形结构的第一通孔1内时，不会产生额外的应力的效果。
作为一种具体的实现方式，本实现方式中需要进一步说明的是，所述第一通孔1上设置有第一完整圆切面101和第二完整圆切面102，第一完整圆切面101上的一个点与第一通孔1进气端的孔沿上的一个点重合，即第一完整圆切面101经过且仅经过第一通孔1进气端的孔沿上的一个点，第二完整圆切面102上的一个点与第一通孔1出气端的孔沿上的一个点重合，即第二完整圆切面102经过且仅经过第一通孔1出气端的孔沿上的一个点，且第一通孔1的轴线均垂直于第一完整圆切面101和第二完整圆切面102，保证第一完整圆切面101和第二完整圆切面102在第一通孔1上切割的部分与第一通孔1的孔面是对应的，也就是说当第一通孔1为圆形时，第一完整圆切面101和第二完整圆切面102在第一通孔1上切割的部分是与第一通孔1相对应的圆形，当第一通孔1为椭圆形时，第一完整圆切面101和第二完整圆切面102在第一通孔1上切割的部分是与第一通孔1相对应的椭圆形，此时，第一完整圆切面101和第二完整圆切面102之间的间距不小于0.3mm，这样可以有效控制冷却空气流量。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于涡轮叶片前缘冷却的组合结构气膜孔，其特征在于，包括从进口方向到出口方向依次连通的第一通孔（1）和锥形孔（2），第一通孔（1）与锥形孔（2）非同轴设置，且锥形孔（2）的出口的横截面积大于第一通孔（1）的横截面的面积；所述第一通孔（1）的轴心线为一条直线；所述第一通孔（1）的内壁面与锥形孔（2）的内壁面均无棱角。
2.根据权利要求1所述的一种用于涡轮叶片前缘冷却的组合结构气膜孔，其特征在于，所述锥形孔（2）是横截面为圆形结构的圆锥形孔。
3.根据权利要求1所述的一种用于涡轮叶片前缘冷却的组合结构气膜孔，其特征在于，所述锥形孔（2）的锥角不小于10°。
4.根据权利要求1所述的一种用于涡轮叶片前缘冷却的组合结构气膜孔，其特征在于，所述锥形孔（2）的横截面为椭圆形结构。
5.根据权利要求1所述的一种用于涡轮叶片前缘冷却的组合结构气膜孔，其特征在于，所述第一通孔（1）是横截面为圆形结构的圆形通孔。
6.根据权利要求1所述的一种用于涡轮叶片前缘冷却的组合结构气膜孔，其特征在于，所述第一通孔（1）的横截面为椭圆形结构。
7.根据权利要求1所述的一种用于涡轮叶片前缘冷却的组合结构气膜孔，其特征在于，所述第一通孔（1）的内壁面包括多个第一平面和多个过渡曲面，任意两个第一平面之间均通过一个过渡曲面相连接，且每个第一平面均与其两侧的过渡曲面相切。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种用于涡轮叶片前缘冷却的组合结构气膜孔，其特征在于，所述第一通孔（1）上设置有第一完整圆切面（101）和第二完整圆切面（102），第一完整圆切面（101）上的一个点与第一通孔（1）进气端的孔沿上的一个点重合，第二完整圆切面（102）上的一个点与第一通孔（1）出气端的孔沿上的一个点重合，且第一通孔（1）的轴线均垂直于第一完整圆切面（101）和第二完整圆切面（102），第一完整圆切面（101）和第二完整圆切面（102）之间的间距不小于0.3mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20210608 |