CN114562339A - 一种用于涡轮端壁带凸起的泄漏槽气膜冷却结构及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明一种用于涡轮端壁带凸起的泄漏槽气膜冷却结构及应用，属于燃气轮机涡轮导叶端壁的冷却技术领域；所述涡轮端壁上游设置有泄漏槽结构和泄漏槽供气腔，泄漏槽结构位于泄漏槽供气腔的出口，作为冷却气流的通道；所述泄漏槽结构远离涡轮叶片一侧的内壁沿展向均布有多个凸起结构，凸起结构与涡轮叶片4的吸力面前缘一一对应设置，使得大部分冷却气流从相邻凸起结构之间的通道流出，并在冷却壁面上形成气膜。本发明中由泄漏槽流出的冷却气流B在主流气流A的带动下沿主流方向流动，并且在冷却壁面区域形成气膜；该结构能极大的削弱在冷却壁面上由于压力梯度C对泄漏冷气射流的影响，其次，进一步均匀泄漏槽冷气在冷却壁面的覆盖区域。
Description
技术领域
本发明属于燃气轮机涡轮导叶端壁的冷却技术领域，具体涉及一种用于涡轮端壁带凸起的泄漏槽气膜冷却结构及应用。
背景技术
随着燃气轮机性能的改善,涡轮入口温度不断提高,现如今一些先进发动机的涡轮前进口温度已经达到2000K以上，因此，必须使用有效的冷却措施对涡轮导叶端壁进行保护，避免端壁受到高温腐蚀和损伤。气膜冷却是端壁上使用的典型冷却方式之一。气膜冷却就是在壁面附近以一定角度射入一股低温气流，用以将高温燃体与壁面隔离，达到对受热壁面的冷却保护作用。
对端壁的冷却方法主要包括气膜孔冷却和泄漏槽冷却，即通过涡轮与燃烧室之间的热间隙进行端壁的气膜冷效，该结构位于涡轮端壁上游，其宽度在2-4mm之间，冷气射流角度与主流方向呈90°分布，如图1所示。在端壁表面上排布圆柱形气膜孔是普遍的冷却方式，得到了广泛的应用和研究。但是在随后的研究中发现圆柱孔所形成的气膜无法对孔间区域形成冷却保护。随着端壁气膜冷却技术的发展发现，扇形气膜孔在展向的延伸，可显著改善孔间区域壁面的冷却效果，但是在导叶前缘上游区域气膜孔产生较差的冷却特性，因而很多学者通过利用端壁与燃烧室之间的热间隙结构，即泄漏流来改善端壁上游的气膜冷却效果，然而，在叶栅通道内由于压力面与吸力面的几何结构所导致的展向压力梯度对泄漏冷气有较大的影响，这导致冷气更倾向于从泄漏槽的吸力侧槽口流出，并聚集到吸力面附近区域，如图2所示[1]。随后，国内外学者相继提出了不同的泄漏槽宽带和射流角度以及泄漏槽到叶片前缘距离的泄漏冷却结构[2-4]，但是受到叶栅入口展向压力梯度的影响，依然有大量的泄漏冷气被推到吸力侧区域，从而导致压力侧端壁区域的冷却效率降低，从而在端壁表面造成过冷却和未冷却的分布现象，这对涡轮端壁的热防护是极其不利的。
参考文献：
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发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于涡轮端壁带凸起的泄漏槽气膜冷却结构及应用，本发明通过在涡轮端壁的泄漏槽设置凸起结构，以提高泄漏槽冷气的冷却特性，以及降低端壁表面二次流的影响，使得泄漏流在端壁上游表面处形成有效的气膜。
本发明的技术方案是：一种用于涡轮端壁带凸起的泄漏槽气膜冷却结构，所述涡轮端壁上游设置有泄漏槽结构1和泄漏槽供气腔5，泄漏槽结构1位于泄漏槽供气腔5的出口，作为冷却气流的通道；其特征在于：所述泄漏槽结构1远离涡轮叶片4一侧的内壁沿展向均布有多个凸起结构2，凸起结构2与涡轮叶片4的吸力面前缘一一对应设置，使得大部分冷却气流从相邻凸起结构2之间的通道流出，并在冷却壁面3上形成气膜。
本发明的进一步技术方案是：所述凸起结构2为圆弧状结构，其轴向平行于泄漏槽的槽壁；凸起结构2的上、下端面分别与泄漏槽的上、下壁面平齐。
本发明的进一步技术方案是：所述凸起结构2的圆弧面的圆弧角为β，取值范围为26-50°。
本发明的进一步技术方案是：所述泄漏槽结构1两侧壁面之间的宽度为W1，其与一个叶栅周期所对应的展向长度为H1；在该周期内的凸起结构2的弦长H2取值范围为1/4H1-1/2H1，其圆弧面中点到所在泄漏槽槽壁的之间的高度W2取值范围为0.4W1-0.6W1。
本发明的进一步技术方案是：所述泄漏槽结构1的宽度W1取值范围为2.48-2.61mm，长度H1为46mm。
一种用于涡轮端壁带凸起的泄漏槽气膜冷却结构的应用，其特征在于：所示凸起结构2应用于矩形泄漏槽、收缩泄漏槽、扩张泄漏槽中，能够削弱涡轮冷却壁面上压力梯度的影响，增大泄漏冷气的展向出流，还能够避免大量冷却气流集中射入主流造成冷气损失。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明中由泄漏槽流出的冷却气流B在主流气流A的带动下沿主流方向流动，并且在冷却壁面区域形成气膜；泄漏槽中沿展向成周期性设置有多个凸起结构，该凸起结构的周期与叶栅周期一致，每个周期内的凸起结构与该周期内的涡轮叶片的吸力面前缘对应设置，使得大部分冷却空气从相邻凸起结构之间的通道流出，即从无凸起结构的泄漏槽口流出；该结构能极大的削弱在冷却壁面上由于压力梯度C对泄漏冷气射流的影响，其次，进一步均匀泄漏槽冷气在冷却壁面的覆盖区域。因此，在展向压力梯度C的作用下，带凸起结构的泄漏槽气膜孔冷却结构，不仅能均匀泄漏冷气的出流，还能增大泄漏冷气的覆盖范围，具有非常好的冷却效果。
1.本发明带凸起的泄漏槽气膜冷却结构具有较高的冷气射流均匀性，可以有效降低端壁表面受到展向压力梯度对泄漏槽出流状态的影响，避免大量冷却气流集中从吸力侧槽口流出，造成冷气损失；
2.本发明较为均匀的泄漏槽冷气出流，能同时减弱泄漏冷气在端壁表面压力侧的未冷却区域和吸力侧的过冷却覆盖范围，使端壁冷却更加均匀；
3.本发明均匀冷气出流的同时也减弱了冷气的射流动量，使冷气更好的覆盖在端壁表面，相比与传统的泄漏槽冷却结构，冷却有明显改善，如图3所示。
4.本发明限定了在横向上(横流方向，即压力梯度方向C)，一个叶栅周期内所对应的的凸起结构2的弦长H2(横向特征)取值范围为1/4H1-1/2H1。当H2<1/4H1时，较短的凸起结构对泄漏冷气射流和端壁气膜冷却几乎无法起到积极的作用，而当H2>1/2H1时,较长的凸起结构对泄漏槽冷气射流影响过大，从而无法起到均匀泄漏冷气射流以及抑制端壁横流的特征。同理，在纵向上，为了使凸起结构可以满足泄漏冷气均匀出流，高效的气膜冷却的特点，圆弧面中点到所在泄漏槽槽壁的之间的高度W2(纵向特征)取值范围为0.4W1-0.6W1。凸起结构2圆弧角度的设计取值为26-50°，是在凸起结构横向和纵向先确定的基础上，为了满足泄漏冷气光滑流动，降低流动损失而确定。
5.图3展示了在MFR＝1％时，带凸起泄漏槽的端壁气膜冷却效率分布云图。对于传统的无凸起泄漏槽结构，泄漏冷气只能从靠近吸力侧的泄漏槽口流出，较高的冷气射流动量使得在该区域只有略微的气膜覆盖。相比于传统无凸起泄漏槽结构，有凸起的泄漏槽结构使冷气在展向有较明显的扩散，凸起结构导致泄漏冷气抑制了通道展向压力梯度的影响，从而使冷气均匀出流，扩大了冷气的覆盖范围，端壁的气膜冷效提高，特别是实施例三。
图4展示了区域-0.32<X/Cax<0.67的涡轮端壁展向平均气膜冷效分布，对比无凸起泄漏槽结构的实验结果，数值结果的冷却分布趋势与其相似。很明显，有凸起的泄漏槽实例(实施实例1-实施实例3)的展向平均冷效高于无凸起传统泄漏槽结构的结果，实施实例1和实施实例2的结果几乎相同，而实施实例3的平均冷效分布冷却略高于其他实例，这可能是展向较长，纵向较短的凸起结构更加有利于均匀出流导致的。
三个实施例中分别列举了三种尺寸的凸起结构，相比与传统的无凸起泄漏槽冷却结构，气膜冷却效率分别提高了1.625、1.525、1.975倍，因此冷却效果有明显改善，如表1所示。
附图说明
图1涡轮端壁泄漏槽气膜冷却结构；
图2泄漏流吹风比对端壁气膜冷却分布的影响；
图3带凸起泄漏槽结构端壁气膜冷却云图；
图4带凸起泄漏槽结构端壁气膜冷却展向平均图；
图5带凸起泄漏槽局部结构图；
图6带凸起泄漏槽俯视图；
图7带凸起泄漏槽剖视图；
图8涡轮端壁带凸起泄漏槽结构位置示意图；
图9涡轮端壁带凸起泄漏槽俯视图；
图10涡轮端壁带凸起泄漏槽剖视图；
附图标记说明：1、泄漏槽结构；2、凸起结构；3、冷却壁面；4、涡轮叶片；5、泄漏槽供气腔；A、主流气流方向；B、冷却气流方向；C、压力梯度方向；H1、泄漏槽长度；H2、凸起弦长；W1、泄漏槽宽度；W2、凸起高度；S、泄漏槽边缘到叶片前缘间距；β、凸起弧长所对应的角度。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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发明和简化描述，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发明的限制。
本实施例是带凸起泄漏槽冷却结构在涡轮导叶端壁上的具体实施案例。
参阅图3-图10和表1对带凸起泄漏槽气膜冷却结构在涡轮导叶端壁上的应用布置位置以及带凸起泄漏槽气膜冷却结构进行详细介绍。
参照图5-10所示，本发明一种用于涡轮端壁带凸起的泄漏槽气膜冷却结构，所述涡轮端壁上游设置有泄漏槽结构1和泄漏槽供气腔5，泄漏槽结构1位于泄漏槽供气腔5的出口，作为冷却气流的通道；所述泄漏槽远离涡轮叶片一侧的内壁沿展向均布有多个凸起结构2，凸起结构2与涡轮叶片4的吸力面前缘一一对应设置，使得大部分冷却气流从相邻凸起结构2之间的通道流出，并在冷却壁面3上形成气膜。
进一步，所述凸起结构2为圆弧状结构，其轴向平行于泄漏槽的槽壁；凸起结构2的上、下端面分别与泄漏槽的上、下壁面平齐。
所述泄漏槽结构1两侧壁面之间的宽度为W1，其与一个叶栅周期所对应的展向长度为H1；所述凸起结构2的圆弧面的圆弧角为β。
实施例一:
本实施例一种用于涡轮端壁带凸起的泄漏槽气膜冷却结构，所述泄漏槽内壁上凸起结构2的弦长为1/4H1。在涡轮冷却壁面3上游的泄漏槽结构1内部，沿泄漏槽高度方向贯穿布置0.6W1宽度的环状凸起2，以及泄漏槽供气腔5。在泄漏槽结构1内部布置凸起结构2，凸起结构2沿吸力面向压力面成周期性布置，泄漏槽冷气射流方向与端壁表面垂直。
泄漏槽结构1对应一个叶栅周期的展向长度H1为46mm，宽度W1为2.48mm，冷气流动方向与主流垂直。
凸起结构2呈圆弧结构，弦长为H2，其取值为1/4H1，高度为W2，其取值为0.6W1，弧长所对应的角度为26°。
涡轮导叶4前缘到泄漏槽结构1边缘的间距为S，其值为10mm。
本实施例中，泄漏槽结构1宽度W1为2.48mm，凸起结构2弦长为11.5mm，高度W2为1.48mm，弧长所对应的角度β为26°，在长度取值范围内属于较小，宽度取值范围内属于较大。此时，凸起可以有效减弱由于从压力面到吸力面的压力梯度所造成的冷气出流分布不均匀的情况，使冷气在展向上有较大的覆盖范围，降低了泄漏槽气膜冷却效率在吸力侧的过冷却和压力侧的未冷却的现象，相比与传统无凸起的泄漏槽结构，气膜冷却效率提高了1.625倍，见表1。
实施例二:
本实施例一种用于涡轮端壁带凸起的泄漏槽气膜冷却结构，所述泄漏槽内壁上凸起结构2的弦长为3/8H1。在涡轮冷却端壁3上游的泄漏槽结构1内部，沿泄漏槽高度方向贯穿布置0.5W1宽度的环状凸起2，以及泄漏槽供气腔5。在泄漏槽结构1内部布置凸起结构2，凸起结构2沿吸力面向压力面成周期性布置，泄漏槽冷气射流方向与端壁表面垂直。
泄漏槽结构1对应一个叶栅周期的展向长度H1为46mm，宽度W1为2.54mm，冷气流动方向与主流垂直。
凸起结构2呈圆弧结构，弦长为H2，其取值为3/8H1，高度为W2，其取值为0.5W1，弧长所对应的角度为34°。
涡轮导叶4前缘到泄漏槽结构1边缘的间距为S，其值为10mm。
本实施例中，泄漏槽结构1宽度W1为2.54mm，凸起结构2弦长为17.25mm，高度W2为1.27mm，弧长所对应的角度β为34°，在长度和宽带取值范围内处于中间。此时,相对较长的凸起可以能进一步减弱由于从压力面到吸力面的压力梯度所造成的冷气出流分布不均匀的情况，与实施例1相比，气膜冷却效率有了明显的提高，但冷气覆盖区域有略微的增大，相比与传统无凸起的泄漏槽结构，气膜冷却效率提高了1.525倍，见表1。
实施例三：
本实施例一种用于涡轮端壁带凸起的泄漏槽气膜冷却结构，所述泄漏槽内壁上凸起结构2的弦长为1/2H1。在涡轮冷却端壁3上游的泄漏槽结构1内部，沿泄漏槽高度方向贯穿布置0.4W1宽度的环状凸起2，以及泄漏槽供气腔5。在泄漏槽结构1内部布置凸起结构2，凸起结构2沿吸力面向压力面成周期性布置，泄漏槽冷气射流方向与端壁表面垂直。
泄漏槽结构1对应一个叶栅周期的展向长度H1为46mm，宽度W1为2.61mm，冷气流动方向与主流垂直。
凸起结构2呈圆弧结构，弦长为H2，其取值为1/2H1，高度为W2，其取值为0.4W1，弧长所对应的角度为50°。
涡轮导叶4前缘到泄漏槽结构1边缘的间距为S，其值为10mm。
本实施例中，泄漏槽结构1宽度W1为2.61mm，凸起结构2弦长为23mm，高度W2为1.04mm，弧长所对应的角度β为50°，在宽带取值范围内属于较小，长度取值范围内属于较大。此时，较长的凸起可以更加有效的产生较为理想的冷气出流均匀性，使冷气在展向上的覆盖范围进一步提高，极大的降低了泄漏槽气膜冷却效率在吸力侧的过冷却和压力侧的未冷却的现象，相比与传统无凸起的泄漏槽结构，气膜冷却效率提高了1.975倍，见表1。
表1泄漏流气膜冷却效率计算方法
本发明一种用于涡轮端壁带凸起的泄漏槽气膜冷却结构的凸起结构2，适用于于矩形泄漏槽、收缩泄漏槽、扩张泄漏槽中，能够削弱涡轮冷却壁面上压力梯度的影响，增大泄漏冷气的展向出流，还能够避免大量冷却气流集中射入主流造成冷气损失。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种用于涡轮端壁带凸起的泄漏槽气膜冷却结构，所述涡轮端壁上游设置有泄漏槽结构(1)和泄漏槽供气腔(5)，泄漏槽结构(1)位于泄漏槽供气腔(5)的出口，作为冷却气流的通道；其特征在于：所述泄漏槽结构(1)远离涡轮叶片(4)一侧的内壁沿展向均布有多个凸起结构(2)，凸起结构(2)与涡轮叶片(4)的吸力面前缘一一对应设置，使得大部分冷却气流从相邻凸起结构(2)之间的通道流出，并在冷却壁面(3)上形成气膜。
2.根据权利要求1所述用于涡轮端壁带凸起的泄漏槽气膜冷却结构，其特征在于：所述凸起结构(2)为圆弧状结构，其轴向平行于泄漏槽的槽壁；凸起结构(2)的上、下端面分别与泄漏槽的上、下壁面平齐。
3.根据权利要求2所述用于涡轮端壁带凸起的泄漏槽气膜冷却结构，其特征在于：所述凸起结构(2)的圆弧面的圆弧角为β，取值范围为26-50°。
4.根据权利要求2所述用于涡轮端壁带凸起的泄漏槽气膜冷却结构，其特征在于：所述泄漏槽结构(1)两侧壁面之间的宽度为W1，其与一个叶栅周期所对应的展向长度为H1；在该周期内的凸起结构(2)的弦长H2取值范围为1/4H1-1/2H1，其圆弧面中点到所在泄漏槽槽壁的之间的高度W2取值范围为0.4W1-0.6W1。
5.根据权利要求4所述用于涡轮端壁带凸起的泄漏槽气膜冷却结构，其特征在于：所述泄漏槽结构(1)的宽度W1取值范围为2.48-2.61mm，长度H1为46mm。
6.一种用于权利要求1-5任一项所述涡轮端壁带凸起的泄漏槽气膜冷却结构的应用，其特征在于：所示凸起结构(2)应用于矩形泄漏槽、收缩泄漏槽、扩张泄漏槽中，能够削弱涡轮冷却壁面上压力梯度的影响，增大泄漏冷气的展向出流，还能够避免大量冷却气流集中射入主流造成冷气损失。
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