CN114412580B - 涡轮叶片气膜冷却结构及采用该冷却结构的燃气轮机 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及主题涡轮叶片气膜冷却结构及采用该冷却结构的燃气轮机，气膜冷却结构包括开设于涡轮叶片壁面的气膜通道，所述气膜通道包括：一个入口，用于输入冷却工质，一个出口，用于将冷却工质送入高温燃气与叶片壁面之间形成气膜；所述入口与出口之间设置有截面尺寸突然扩大的流体震荡发生器，冷却工质于流体震荡发生器内部产生周期性震荡流动且于出口处产生周期性摆动，本申请具有扩大气膜对涡轮叶片的覆盖范围、提高涡轮叶片的冷却效效果。
Description
技术领域
本申请涉及涡轮叶片冷却的领域，尤其是涉及涡轮叶片气膜冷却结构及采用该冷却结构的燃气轮机。
背景技术
随着燃气轮机设计技术水平的提高，燃气轮机涡轮进口燃气温度不断提高，涡轮叶片所面临的热负荷极高，早已超过高温材料能够承受的极限。为了保证涡轮叶片安全可靠工作，需要对其进行复杂的冷却设计，以使涡轮叶片的温度和应力分布保持在合理的水平。
目前，对于涡轮叶片的冷却多采用气膜冷却技术，即通过在高温燃气与涡轮叶片表面之间喷射冷却工质，从而将高温燃气和涡轮叶片隔离，降低涡轮叶片表面的温度。
相关技术中，如公开号为CN113513371A的中国专利申请，公开了一种双层壁冷却叶片、应用该冷却叶片的涡轮及燃气轮机，其冷却叶片采用双层壁结构，包括叶片内壁和叶片外壁，叶片内壁围绕形成高压腔室，叶片内壁与叶片外壁质检形成环形腔室，叶片外壁开设有冷气孔，叶片内壁开设有冲击孔，冷却空气在高压腔室内流动，由冲击孔进入环形腔室内，并从冷气孔排出，在叶片外壁的表面形成一层气膜，以对涡轮叶片进行降温保护。
然而在应用过程中，从加工制造成本最低的角度来看，冷气孔一般设置为圆形孔或扇形孔，圆形冷气孔很容易在较低的吹风比下即脱离叶片表面，无法起到隔离叶片与高温燃气的作用；扇形冷气孔可以在很高的吹风比下仍能保持贴壁流动形成气膜，但是气膜向下游发展过程中很容易和高温燃气参混，从而经过很短距离后即失去对叶片的保护作用。
综上所述，发明人认为相关技术中的气膜对于涡轮叶片的覆盖范围小、冷却保护能力较差。
发明内容
为了扩大气膜对涡轮叶片的覆盖范围、提高涡轮叶片的冷却效果，本申请提供一种涡轮叶片气膜冷却结构及采用该冷却结构的燃气轮机。
一方面，本申请提供一种涡轮叶片气膜冷却结构，采用如下的技术方案：
一种涡轮叶片气膜冷却结构，包括开设于涡轮叶片壁面的气膜通道，所述气膜通道包括：一个入口，用于输入冷却工质，一个出口，用于将冷却工质送入高温燃气与叶片壁面之间形成气膜；所述入口与出口之间设置有截面尺寸突然扩大的流体震荡发生器，冷却工质于流体震荡发生器内部产生周期性震荡流动且于出口处产生周期性摆动。
通过采用上述技术方案，冷却工质从入口进入流体震荡发生器内部，当冷却工质进入流体震荡发生器后，由于流通面积突然扩张，会产生周期性的分离流动，周期性的分离流动将导致出口的气流方向发生周期性变化，从而在叶片壁面上产生周期性的气膜覆盖，并且气膜覆盖的范围大大提高。
可选的，所述流体震荡发生器的内截面可以为矩形、三角形或其他任意形状。
可选的，所述气膜通道的截面可以为圆形、方形或其他不规则形状。
可选的，所述气膜通道的出口形状可以为扇形孔、圆锥形孔或圆孔。
可选的，所述入口至流体震荡发生器的距离大于出口至流体震荡发生器的距离。
通过采用上述技术方案，冷却工质进入流体震荡发生器内部发生周期性震荡后，通过出口排出以在叶片壁面形成冷却气膜；出口至流体震荡发生器的距离不宜过长，否则在流体震荡发生器内部震荡后的气流会由于长时间的管道内流动再次丧失震荡状态，因此将出口至流体震荡发生器的距离设置成小于进口至流体震荡发生器的距离，可以使得震荡气流顺利、全面地覆盖叶片壁面。
另一方面，本申请提供一种燃气轮机，包括至少一个采用上述气膜冷却结构的涡轮叶片。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.通过在气膜通道的入口与出口之间设置一个截面面积突然增大的流体震荡发生器，使得冷却工质能够在震荡发生器内部发生震荡后从出口排出，进而在叶片壁面形成一层更大范围的冷却气膜；
2.通过将进口至流体震荡发生器的距离设置为大于出口至流体震荡发生器的距离，使得震荡后的冷却工质不会被过度削弱震荡性能，确保冷却工质从出口排出后对叶片壁面的覆盖范围足够大；
3.通过增加流体震荡发生器，在不增加总冷却空气量的情况下，通过采用流体震荡原理，利用气膜射流的非定常扫掠效应，提高叶片壁面的气膜覆盖和冷却效果，从而最大限度地提高涡轮叶片冷却效率。
附图说明
图1是对比例1中传统圆形气膜通道出口的涡轮叶片冷却结构的示意图；
图2是对比例1中传统圆形出口的涡轮叶片冷却结构的俯视透视图；
图3是对比例1中距离气膜通道出口下游一定距离的冷气覆盖效果CFD数值结果图；
图4是对比例2中传统扇出口的涡轮叶片冷却结构的示意图；
图5是对比例2中传统扇形出口的涡轮叶片冷却结构的俯视透视图；
图6是对比例2中距离气膜通道出口下游一定距离的冷气覆盖效果CFD数值结果图；
图7是实施例1中带有矩形结构的流体震荡发生器的叶片剖视图；
图8是实施例1中带有带有矩形结构的流体震荡发生器的叶片俯视透视图；
图9是实施例1中流体震荡分流示意图；
图10是实施例1中距离气膜通道出口下游一定距离的冷气覆盖效果CFD数值结果图；
图11是实施例2中环形的流体震荡发生器的叶片俯视透视图；
图12是实施例2中流体震荡分流示意图；
图13是实施例2中距离气膜通道出口下游一定距离的冷气覆盖效果CFD数值结果图。
附图标记说明：1、叶片壁面；2、气膜通道；21、入口；22、出口；3、流体震荡发生器；4、高温燃气；5、冷却工质；6、出口冷气；7、进口冷气；8、流体震荡发生器内流动结构下分支；9、流体震荡发生器内流动结构上分支。
具体实施方式
以下结合附图1-13对本申请作进一步详细说明。
下面结合对比例以及具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但需要注意的是，下述的对比例或实施例仅用于说明本发明的技术方案，但本发明并不限于此。
对比例1
如图1和图2所示，传统的涡轮叶片的叶片壁面1开设有气膜通道2，气膜通道2呈倾斜设置，气膜通道2包括一个入口21和一个出口22，其中，冷却工质5自气膜通道2的入口21流入，从气膜通道2的出口22流出，并且出口22处为涡轮叶片紧邻高温燃气4的外壁面。
冷却工质5自入口21进入气膜通道2内部，在气膜通道2内部较为均匀地流动，然后从出口2排出形成出口冷气6，出口冷气6在叶片外壁面与高温燃气4之间形成气膜覆盖，起到保护叶片壁面1的作用。
本对比例中，气膜通道2采用常规的圆柱形通道，且入口21、出口22截面均为圆形，结合图3的冷气覆盖效果CFD数值结果可知，传统圆柱形气膜通道2的局部覆盖效果较好，但是气膜覆盖范围仅仅局限于±0.5倍孔径范围内。
对比例2
如图4和图5所示，为另一种形式的涡轮叶片，涡轮叶片的叶片壁面1开设有气膜通道2，气膜通道2呈倾斜设置，气膜通道2包括一个入口21和一个出口22，冷却工质5自入口2流入，自出口22流出，出口22处为涡轮叶片紧邻高温燃气4的外壁面。
本对比例与对比例1的区别在于气膜通道2的出口22为扇形，冷却工质5自出口2流出后，由于出口22为扇形，能够在叶片壁面进行扩散，形成扩散后的出口冷气6，使得出口冷气6覆盖范围较广，从而在叶片壁面1进行较大范围的气膜覆盖。
结合图6的冷气覆盖效果CFD数值结果可知，传统扇形出口流出的冷却工质5对叶片壁面1的局部覆盖范围相较于传统圆形出口的局部覆盖效果更好，覆盖范围在±1.2倍孔径范围内。
以上两个对比例的主要问题是，在气膜冷却设计技术应用过程中，出口22设置为圆形加工制造成本最低，但是冷却工质5容易在较低的吹风比（吹风比=冷却工质速度*冷却工质密度/高温燃气速度*高温燃气密度）下即脱离叶片壁面1，无法起到隔离叶片壁面1和高温燃气4的作用；而出口22设置为扇形，冷却工质5可以在很高的吹风比下仍能贴着叶片壁面1流动，但是冷却工质5在持续流动过程中很容易和高温燃气4掺混，从而经过很短距离后即失去保护作用；并且，从上述的两种不同出口形式流出的冷却工质横向的保护范围明显偏小。
实施例1
如图7和图8所示，为一种涡轮叶片气膜冷却结构，包括开设于涡轮叶片表面的气膜通道2，气膜通道2呈倾斜设置，气膜通道2包括一个入口21和一个出口22，入口21紧邻冷却工质5，出口22紧邻高温燃气4。
在入口21与出口22之间设置有流体震荡发生器3，流体震荡发生器3的截面尺寸大于气膜通道2的截面尺寸，且流体震荡发生器3的截面尺寸为突然增大。本实施例中，流体震荡发生器3截面为矩形，且流体震荡发生3器距离入口21的距离大于流体震荡发生器3到出口22的距离。
结合图9和图10，在对涡轮叶片进行持续降温的过程中，冷却工质5自入口21进入气膜通道2后进入流体震荡发生器3内部，在流体震荡发生器3内部，冷却工质5发生周期性震荡，从而使得出口位置的出口冷气6的方向发生周期性震荡，出口冷气6在叶片壁面1紧邻高温燃气4的侧壁面形成周期性气膜覆盖，起到更好的保护叶片壁面1的作用。结合数值模拟结果可标明，基于流体震荡的气膜冷却的局部冷气覆盖范围加大，在±2倍孔径范围内均有冷气覆盖。
本实施例中，流体震荡发生器3内的流体震荡主要是由分离流动产生的，结合图9，进口冷气7进入流体震荡发生器3后，由于流通面积突然扩张，产生了周期性的流动分离，这种分离类似圆柱绕流的卡门涡街，会产生周期性的不稳定流动。在一定时间段内流体震荡发生器内流动结构下分支8起主导作用，此时出口冷气向下折转；在一定时间段内流体震荡发生器内流动结构上分支9起主导作用，此时出口冷气6向上折转，从而在叶片壁面1上产生周期性的气膜覆盖。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：流体震荡发生器3垂直于气膜通道2的两侧设置为圆弧状（如图11）。
如图11和图12所示，冷却工质5自入口21进入流体震荡发生器3，并在流体震荡发生器3内部发生周期性震荡，从而使得气膜通道2的出口22位置的出口冷气6的方向发生周期震荡，出口冷气6在叶片壁面1紧邻高温燃气4侧壁面形成周期性气膜覆盖，起到更好的保护叶片壁面1的作用。
如图13所示，数值模拟结果表明，基于流体震荡的气膜冷却孔的局部冷气覆盖范围加大，在±2.5倍孔径范围内均有较好的冷气覆盖。
实施例2中，流体震荡发生器3内的流体震荡主要是由流动分离以及抽吸作用产生的。如图12所示，进口冷气7进入流体震荡发生器3后，由于流通面积突然扩张，产生了周期性的流动分离，这种分离类似圆柱绕流的卡门涡街，会产生周期性的不稳定流动。在一定时间段内流体震荡发生器内流动结构下分支8起主导作用，下分支通过侧臂的流体通道进行抽吸流动，进一步强化流体震荡发生器内流动结构下分支，此时出口冷气向下折转；在一定时间段内流体震荡发生器内流动结构上分支9起主导作用，上分支通过侧臂的流体通道进行抽吸流动，进一步强化流体震荡发生器3内流动结构上分支，此时出口冷气向上折转，从而在叶片壁面1上产生周期性的气膜覆盖。
当然，流体震荡发生器3的内截面可以设置为其他的各种形状，如三角形，同样地，气膜通道2的截面可以为圆形、方形或其他任意不规则形状，气膜通道2的出口22形状除了为扇形、圆形，也可以是圆锥形、方形等形状。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种涡轮叶片气膜冷却结构，包括开设于叶片壁面（1）的气膜通道（2），所述气膜通道（2）包括：
一个入口（21），用于输入冷却工质（5），
一个出口（22），用于将冷却工质（5）送至叶片壁面（1）形成气膜；冷却工质（5）自入口（21）进入气膜通道（2）内部，在气膜通道（2）内部较为均匀地流动，然后从出口（22）排出形成出口冷气（6），出口冷气（6）在叶片壁面（1）外形成气膜；
其特征在于：所述入口（21）与出口（22）之间设置有截面尺寸突然扩大的流体震荡发生器（3），冷却工质（5）于流体震荡发生器（3）内部产生周期性震荡流动且于出口处产生周期性摆动；流体震荡发生器（3）内的流体震荡是由分离流动产生，最终使流体形成卡门涡街状周期性摆动；
所述流体震荡发生器（3）的内截面为矩形、三角形或其他任意形状；
所述气膜通道（2）的截面为圆形、方形或其他不规则形状；
所述气膜通道（2）的出口（22）形状为扇形孔、圆锥形孔或圆孔；
所述入口（21）至流体震荡发生器（3）的距离大于出口（22）至流体震荡发生器（3）的距离；
流体震荡发生器（3）内的流体震荡主要是由分离流动产生：即在一定时间段内流体震荡发生器（3）内流动结构下分支（8）起主导作用，此时出口冷气（6）向下折转；在一定时间段内流体震荡发生器（3）内流动结构上分支（9）起主导作用，此时出口冷气（6）向上折转，从而在叶片壁面（1）上产生周期性的气膜覆盖。
2.一种燃气轮机，其特征在于，包括含有如权利要求1所述的涡轮叶片气膜冷却结构的涡轮叶片。
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| 燃气轮机叶片气膜冷却研究进展;戴萍;林枫;;热能动力工程(01);第5-10页 * |
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| CN114412580A (zh) | 2022-04-29 |
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