CN204663588U - 一种凹槽气膜孔结构及燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种凹槽气膜孔结构及燃气轮机，凹槽气膜孔结构包括：固体壁(1)、若干气膜孔(2)和若干凹槽(3)，凹槽(3)开设在固体壁(1)的表面，气膜孔(2)开设在凹槽(3)的槽底，凹槽(3)的两个槽壁在气膜孔(2)对应的位置分别形成凹陷部(4)和凸起部(5)，凹陷部(4)和凸起部(5)将气膜孔(2)的出口包围，以便引导从气膜孔(2)流出的气流在固体壁(1)的部分表面上形成冷却气膜。本实用新型的凹槽气膜孔结构能够破坏气膜孔出口的气流，产生横向覆盖范围更大的涡，有利于冷却气流贴附在固体壁高温表面更大的面积上，从而使冷却气流的横向覆盖效果更佳，能够提高气膜的冷却效率。

Description

一种凹槽气膜孔结构及燃气轮机

技术领域

本实用新型涉及气膜冷却技术领域，尤其涉及一种凹槽气膜孔结构及燃气轮机。

背景技术

目前先进航空发动机中涡轮叶片的燃气温度远超过叶片金属材料的许用温度，为了保证涡轮叶片能够长期安全可靠地工作，需要对涡轮叶片采用高效的冷却技术以降低叶片温度，同时尽可能减小叶片各处的温差，从而减小叶片所受的热应力。

气膜冷却作为一种高效的冷却技术，广泛应用于燃气轮机涡轮叶片以及燃烧室壁面的冷却。气膜冷却的原理如图1所示，它是在处于高温环境的壁面1a上开设一个或多个离散孔2a，并沿箭头B从离散孔2a中引入冷却气流(二次气流或射流)，这股冷却气流在沿箭头A流过的燃气的压力和摩擦力作用下向下游弯曲，从而沿箭头C喷射到壁面1a的高温表面，形成温度较低的冷气膜，将壁面1a与高温燃气隔离，以保护射入区域和下游区域的表面，从而达到隔热的目的。

目前的气膜冷却主要有三种类型的结构：其一是采用离散孔形式，气膜冷却通常在孔与孔之间(横向)的冷却效率较低，在孔间距较大时，孔间的冷却效率下降很快。其二是采用二维缝槽的形式，在早期燃气轮机叶片冷却的研究中，二维缝槽结构的气膜冷却虽然可以沿横向形成均匀一致的冷却气膜，但由于其结构上的不连续而使壁面的强度大为降低，使得其在实际的应用中有一定的限制。其三是凹槽和离散孔相结合的形式，凹槽是在气膜孔出口处沿着与气流垂直的方向开设的一个横槽，可使气膜横向分布更均匀，进而改善凹槽下游被冷却表面的冷却效果，但他们均是在气膜孔的出口开一个横槽，并没有实现缝槽与离散气膜孔的有效组合，使得气膜冷却的效果仍然不太理想。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种凹槽气膜孔结构及燃气轮机，能够进一步提高气膜的冷却效率。

为实现上述目的，本实用新型一方面提供了一种凹槽气膜孔结构，包括：固体壁、若干气膜孔和若干凹槽，所述凹槽开设在所述固体壁的表面，所述气膜孔开设在所述凹槽的槽底，所述凹槽的两个槽壁在所述气膜孔对应的位置分别形成凹陷部和凸起部，所述凹陷部和所述凸起部将所述气膜孔的出口包围，以便引导从所述气膜孔流出的气流在所述固体壁的部分表面上形成冷却气膜。

进一步地，还包括连接槽，所述连接槽设置在相邻的所述凹槽之间，能够使所有的所述凹槽形成连续槽结构。

进一步地，所述连接槽为横向直线段或者曲线段。

进一步地，所述凹槽的形状为抛物线形、正弦曲线形、V形、W形或M形。

进一步地，所述凸起部为尖角形状或者倒圆形状。

进一步地，每个所述凹槽包括多个所述凸起部，多个所述凸起部沿所述凹槽一侧的槽壁排布。

进一步地，所述气膜孔相对于所述固体壁的表面垂直或者沿指向所述凸起部的方向倾斜开设。

进一步地，所述气膜孔为圆形孔、椭圆孔、方形孔或者扩张孔。

进一步地，所述气膜孔的直径为D，所述凹槽的宽度W为0.1D～10D；所述凹槽的深度H大于0.1D，且不能超过固体壁的厚度；所述气膜孔的孔壁与所述凹陷部之间的距离L1为0～5D；所述气膜孔的孔壁与所述凸起部之间的距离L2为0～10D。

为实现上述目的，本实用新型另一方面提供了一种燃气轮机，所述燃气轮机的涡轮叶片和/或燃烧室壁面开设有上述实施例中的所述的凹槽气膜孔结构。

基于上述技术方案，本实用新型实施例的凹槽气膜孔结构，凹槽的两个槽壁在气膜孔对应的位置分别形成凹陷部和凸起部，且凹陷部和凸起部将气膜孔的出口包围，这种结构能够对气膜孔出口的气流进行干扰破坏，产生横向覆盖范围更大的涡，有利于冷却气流贴附在固体壁高温表面更大的面积上，从而使冷却气流的横向覆盖效果更佳，能够提高气膜的冷却效率。如果该凹槽气膜孔结构用在燃气轮机中，可以增强涡轮叶片或者燃烧壁面的冷却效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为气膜冷却的原理示意图；

图2为本实用新型凹槽气膜孔结构一个实施例的结构示意图；

图3为图1中凹槽气膜孔结构的俯视图；

图4为图3中凹槽气膜冷却结构的K-K向剖视图；

图5为图1中凹槽气膜孔结构的主视图；

图6为本实用新型凹槽气膜孔结构一个实施例的尺寸示意图；

图7为现有技术中采用圆形离散气膜孔结构的冷却效率图；

图8为现有技术中采用气膜孔加横槽的气膜冷却结构的冷却效率图；

图9为本实用新型凹槽气膜孔结构的冷却效率图。

具体实施方式

以下详细说明本实用新型。在以下段落中，更为详细地限定了实施例的不同方面。如此限定的各方面可与任何其他的一个方面或多个方面组合，除非明确指出不可组合。尤其是，被认为是优选的或有利的任何特征可与其他一个或多个被认为是优选的或有利的特征。

为了进一步达到更加理想的气膜冷却的效果，本实用新型提出了一种改进的凹槽气膜孔结构，在其中一个实施例中，如图2所示的结构示意图和图3所示的俯视图，包括：固体壁1、若干气膜孔2和若干凹槽3，凹槽3开设在固体壁1的表面，气膜孔2开设在凹槽3的槽底，凹槽3的两个槽壁在气膜孔2对应的位置分别形成凹陷部4和凸起部5，凹陷部4和凸起部5将气膜孔2的出口包围，以便引导从气膜孔2流出的气流在固体壁1的部分表面上形成冷却气膜。

为了对本实用新型凹槽气膜孔的工作原理进行更清楚的了解，这里将结合气流情况进行详细的说明。在图4所示的K-K剖视图和图5所示的主视图中，箭头A’代表燃气方向，也可称之为高温气流或者工作气流方向，箭头B’代表冷却气流方向，也可称之为二次气流方向、冷却工质方向、冷气方向或者射流方向。在需要对固体壁1的高温壁面进行冷却时，沿着箭头B’通冷却气流，冷却气流会沿着气膜孔2进入凹槽3中，其压力也会相应减小，我们将气膜孔2靠近凹槽3槽底的一端称为气膜孔出口。接着凹槽3中的气流在高温气流的压力和摩擦力作用下，向气流的下游弯曲，这样冷却气流就形成温度较低的冷气膜贴附于固体壁1的高温表面(参见图2中固体壁1的上表面)，从而将高温气流隔离。在图4和图5中，凹槽3的左侧定义为气流上游，右侧定义为气流下游。为了有更清楚的表示，在图6中，将凹槽3的上游段标记为S1，凹槽3的下游段标记为S2，S1段和S2段共同使凹槽3包裹住相应的气膜孔2。

本实用新型实施例的凹槽气膜孔结构，凹槽的两个槽壁在气膜孔对应的位置分别形成凹陷部和凸起部，且凹陷部和凸起部将气膜孔的出口包围，其中凸起部能够对气膜孔出口的气流进行干扰破坏，产生横向覆盖范围更大的涡，促使冷却气流从气膜孔出来后沿凹槽向两侧扩散；而凹陷部能够对从气膜孔出来冷却气体进行引流，与不设置凹陷部的凹槽结构相比，可以进一步减小气体横向流动时的压力损失。此种凹槽气膜孔结构更有利于冷却气流贴附在固体壁高温表面更大的面积上，从而使冷却气流的横向覆盖效果更佳，能够提高气膜的冷却效率。如果该凹槽气膜孔结构用在燃气轮机中，可以增强涡轮叶片或者燃烧壁面的冷却效果。

在各种形式的凹槽气膜孔结构中，气膜孔2相对于固体壁1的表面垂直或者沿指向凸起部5的方向倾斜开设，通过调整气膜孔2的开设角度，可以改变冷却气流从气膜孔出口流出的方向。如图5所示的主视图，气膜孔2与固体壁1的上表面或下表面的夹角为θ，优选地，θ的范围是1°～90°。

在图5所示的实施例中，如果θ为锐角，配合本实用新型中设有凹陷部4和凸起部5的凹槽3，优选地，凹陷部4为光滑过渡的结构形状，这样凹陷部4作为冷却气体引流通道的一部分，可以减小气流压力损失。与传统的开设有横槽的气膜孔结构相比，本实用新型的气膜结构在顺压梯度下，即沿气体流动方向压强递减的压强梯度下，冷却气体的出流方向不需要改变太多，更有利于冷却气体从气膜孔出口流出后进行横向流动，其横向流动损失会减小，因为渐变的压力损失小于突变的压力损失，这样对提高冷却效率是有好处的。

另外，气膜孔2的结构也有多种选择，可以是圆形孔、椭圆孔、方形孔、扩张孔或者轴线弯曲的孔，或者也可以是以上几种类型孔的组合。而且还能够通过调整气膜孔2的直径从而控制气体的流通能力，优选地，气膜孔2的直径D的范围为0.1mm～3mm。

在本实用新型的另一个实施例中，如图3所示的俯视图，凹槽气膜孔结构还包括连接槽6，连接槽6设置在相邻的凹槽3之间，能够使所有的凹槽3形成连续槽结构。连续槽结构可以使气体从气膜孔2的出口流出后，尽量向气膜孔2的两侧延伸流动，这样能够达到更宽的横向覆盖效果，从而进一步加大冷却气流在固体壁1高温表面上的覆盖效果。当然，设计人员也可以考虑不设置连接槽6，这种情况下应尽量增加每一个凹槽3向气膜孔2两侧延伸的长度。

其中，在相邻气膜孔2之间的横向间距较大时，连接槽6可以选择横向直线段，横向是指在固体壁1的表面上与气流方向相垂直的方向，如图6所示的尺寸示意图，连接槽6的长度为L4，L4的范围为0～5mm。另外，在相邻气膜孔2之间的横向间距较小时，也可以选择曲线段将相邻的凹槽3光滑过渡连接。无论采用何种形状的连接槽6，设计的最优目标应该使流动损失降到最低。

大致地，连续槽结构的形状整体为波浪形，组成波浪形的凹槽3可以包括以下各类形状，例如：抛物线形、正弦曲线形、V形、W形或M形等类似的波浪形形状，但是不局限于这些形状。在采用该气膜结构进行冷却时，浪尖方向与燃气方向A’相反，浪谷方向与燃气方向A’相同。凹槽3的凹陷部4和凸起部5分别设置在气流的上游和下游方向，且凹陷部4的凹入方向与凸起部5的凸出方向均与气流方向相反，每一对凹陷部4和凸起部5包裹住一个气膜孔2的出口，从而形成波浪形连续槽结构的浪尖；另外，上述提到的连接槽6形成波浪形连续槽结构的浪谷。

优选地，凹陷部4和/或凸起部5为尖角形状或者倒圆形状。采用倒圆形状的实施例可以降低气体流动时的压力损失，从而使气流覆盖到固体壁1的高温表面更大的面积上，参见如图6所示的尺寸示意图，倒圆半径为R，R的范围是0.1mm～3mm。

在一种实施例中，凸起部5为单个，在另外可扩展的实施例中，每个凹槽3包括多个凸起部5，多个凸起部5沿凹槽3一侧的槽壁排布，凹陷部4和凸起部5共同将气膜孔2包围，凸起部5的位置同时受到气膜孔2加工角度的限制。凹槽3上设置多个凸起部5的实施例可以更好地破坏气膜孔2出口的气流，进一步增强冷却气流在凹槽3内的横向覆盖效果，从而提高冷却效率。

为了使本实用新型的凹槽气膜孔结构能达到较优的冷却效果，在设计时需要对各部位的尺寸选取充分考虑。在本实用新型的各实施例中，除了上述给出的一些尺寸选取范围，下面对其他尺寸的选取也给出优选的范围。但本领域技术人员应当知晓，在不同的使用环境中，以及对冷却指标要求不同的场合，可以根据实际情况选择合理的尺寸，不仅仅局限于本实用新型中给出的优选范围。在图6所示的尺寸示意图中，气膜孔2的直径为D，凹槽3的宽度W为0.1D～10D；凹槽3距离固体壁1的高温表面的深度H大于0.1D，且不能超过固体壁1的厚度，同时需要通过调整凹槽3的深度使从气膜孔出口流出的气体更好地贴附在固体壁1的高温表面上；气膜孔2的孔壁与凹陷部4之间的距离L1为0～5D，气膜孔2的孔壁与凸起部5之间的距离L2为0～10D。

在工程实践中，上述实施例中的固体壁1和凹槽3可通过整体铸造成型，或者通过在需要冷却的壁面(例如：涡轮叶片表面)机械加工出凹槽3，气膜孔2通常可以采用常规的打孔方法加工而成。

为了验证本实用新型的凹槽气膜冷却所能达到的冷却效果，通过分析软件对其冷却效率进行仿真，并与现有技术中只采用圆形离散气膜孔的结构和离散孔加横槽的气膜结构(即Trench气膜孔结构)进行比较分析。在分析时，设置相同的环境参数，例如吹风比＝1，吹风比表示冷却气流与高温气流的密流比。分析结果通过下面三幅图进行对比，其中，图7为采用圆形离散气膜孔结构的冷却效率图，图8为采用气膜孔加横槽的气膜冷却结构的冷却效率图，图9为本实用新型凹槽气膜孔结构的冷却效率图，各图中的黑色区域表示冷却效率较差的区域，即C区域，冷却效率处于[0，30％]之间；灰色区域表示冷却效率中等的区域，即D区域，冷却效率处于(30％，65％]之间；白色区域表示冷却效率较高区域，即E区域，冷却效率处于(65％，100％]之间。

从图7和图8中可以看出，冷却气流通过气膜孔后，在气膜孔出口附近或者凹槽3所在区域冷却效果较好，进一步地，当冷却气膜继续向气流下游流动时，在垂直于燃气方向A’上，一般在气膜孔中心所对应的区域会获得较好的冷却效果，而在相邻两个气膜孔中间的区域冷却效率下降的较快。因而如何使冷却气流在流出气膜孔出口后，能够最大限度地进行横向覆盖，是提高冷却效率的重要因素。

通过对比，本实用新型的凹槽气膜孔结构与另外两种结构相比，从图9中可以看出，冷却气流在凹槽3中以气膜孔2为中心可以覆盖更宽的横向区域，而且由于压力损失较小，气体在流出凹槽3后，在沿着固体壁1表面流动的过程中衰减较少，在凹槽3的下游较远距离处仍可达到较高的冷却效率。相比于传统的Trench气膜孔结构，本实用新型的冷却效率能够提高50％以上，对固体壁1中高温表面的冷却更为有利。因而，本实用新型的实施例能够增强冷却气膜的横向覆盖区域，从而提高气膜的冷却效率，冷却效果更为显著。

另外，本实用新型提供了一种燃气轮机，燃气轮机的涡轮叶片和/或燃烧室壁面开设有上述实施例中任一种凹槽气膜孔结构。由于此种凹槽气膜孔结构较现有技术能够改善冷却效果，因而当其用于燃气轮机这种处于高温工作区域的部件时，例如用于涡轮叶片，就能够对涡轮叶片进行高效地冷却，以降低涡轮叶片的温度，同时尽量减小各部位的温差，从而减小涡轮叶片所受到的热应力，使其小于材料的许用热应力，这种改进可以保证涡轮叶片长期安全可靠地工作，并延长使用寿命。除了用于燃气轮机中，本实用新型的凹槽气膜孔结构也可用于其他高温工作部件的冷却。

以上对本实用新型所提供的一种凹槽气膜孔结构及燃气轮机进行了详细介绍。本文中应用了具体的实施例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种凹槽气膜孔结构，其特征在于，包括：固体壁(1)、若干气膜孔(2)和若干凹槽(3)，所述凹槽(3)开设在所述固体壁(1)的表面，所述气膜孔(2)开设在所述凹槽(3)的槽底，所述凹槽(3)的两个槽壁在所述气膜孔(2)对应的位置分别形成凹陷部(4)和凸起部(5)，所述凹陷部(4)和所述凸起部(5)将所述气膜孔(2)的出口包围，以便引导从所述气膜孔(2)流出的气流在所述固体壁(1)的部分表面上形成冷却气膜。

2.根据权利要求1所述的凹槽气膜孔结构，其特征在于，还包括连接槽(6)，所述连接槽(6)设置在相邻的所述凹槽(3)之间，能够使所有的所述凹槽(3)形成连续槽结构。

3.根据权利要求2所述的凹槽气膜孔结构，其特征在于，所述连接槽(6)为横向直线段或者曲线段。

4.根据权利要求1所述的凹槽气膜孔结构，其特征在于，所述凹槽(3)的形状为抛物线形、正弦曲线形、V形、W形或M形。

5.根据权利要求1所述的凹槽气膜孔结构，其特征在于，所述凸起部(5)为尖角形状或者倒圆形状。

6.根据权利要求1所述的凹槽气膜孔结构，其特征在于，每个所述凹槽(3)包括多个所述凸起部(5)，多个所述凸起部(5)沿所述凹槽(3)一侧的槽壁排布。

7.根据权利要求1所述的凹槽气膜孔结构，其特征在于，所述气膜孔(2)相对于所述固体壁(1)的表面垂直或者沿指向所述凸起部(5)的方向倾斜开设。

8.根据权利要求1所述的凹槽气膜孔结构，其特征在于，所述气膜孔(2)为圆形孔、椭圆孔、方形孔或者扩张孔。

9.根据权利要求1所述的凹槽气膜孔结构，其特征在于，所述气膜孔(2)的直径为D，所述凹槽(3)的宽度(W)为0.1D～10D；所述凹槽(3)的深度(H)大于0.1D，且不能超过固体壁(1)的厚度；所述气膜孔(2)的孔壁与所述凹陷部(4)之间的距离(L1)为0～5D；所述气膜孔(2)的孔壁与所述凸起部(5)之间的距离(L2)为0～10D。

10.一种燃气轮机，其特征在于，所述燃气轮机的涡轮叶片和/或燃烧室壁面开设有如权利要求1～9任一项所述的凹槽气膜孔结构。