CN213392279U - 一种用于改善气膜冷却效果的涡流发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于改善气膜冷却效果的涡流发生器，该涡流发生器用于燃气轮机透平叶片的气膜冷却，包括设置在透平叶片和透平端壁上的气膜孔，气膜孔展向宽度为D，且与主流流向之间的倾角α为0～90°；还包括气膜孔上游的轴对称楔形凸起，该楔形凸起的对称轴与气膜孔轴线方向一致。本实用新型通过在气膜孔出口上游布置楔形的涡流发生器，并基于气膜孔几何合理设计涡流发生器的尺寸，利用涡流发生器产生旋向与尺度合适的涡对，削弱气膜孔出口肾型涡对的强度，从而减少冷气的射流穿透，改善气膜孔的冷却效率。

Description

一种用于改善气膜冷却效果的涡流发生器

技术领域

本实用新型属于燃气轮机透平叶片冷却技术领域，具体涉及一种用于改善气膜冷却效果的涡流发生器，用于改善燃气轮机透平叶片气膜冷却效果。

背景技术

为了发展更加先进的燃气轮机，透平入口的燃气温度不断得到提升，而透平叶片材料的性能已经远远不能满足日益增长的透平入口温度，因此有必要发展透平叶片冷却技术，在保证叶片气动性能的前提下降低叶片承受的热负荷。先进的透平叶片冷却方法可以对叶片进行高效的冷却，延长叶片的使用寿命，大大提升燃气轮机的可靠性和安全性。

透平叶片应用最广泛的一种外部冷却方式是气膜冷却，冷气通过透平叶片表面的气膜孔或者槽缝结构射入主流，在叶片外表面上形成气膜覆盖以使高温部件处于耐受温度范围内。研究发现，由于主流与冷气的相互掺混，气膜孔出口下游会形成一对反向旋转涡(肾形涡对)，如图1所示。通过削弱肾形涡对的强度，气膜冷却效果可以得到显著提升。

针对气膜孔出口处上游扰流结构对流动涡结构的影响分析发现，主流气体由于扰流结构的作用会在气膜孔出口附近形成正向的二次流肾型涡，从而削弱冷却气流肾形涡对的强度，进而可减少冷气的射流穿透，改善气膜孔的冷却效率。因此，提出了不同形状的气膜孔上游结构并详细分析其流动特征。申请号为201510993385.0的中国实用新型专利公开了“一种提高组件外部冷却效果的上游结构”，通过在端壁壁面上气膜孔出口上游增加两个长条形凸台结构，改善气膜孔冷气出流的展向分布及其均匀性，可有效地提高气膜冷却效率。申请号为CN201921606271.6的中国实用新型专利公开了“一种用于改善涡轮冷却效果的冷却结构”，通过在气膜孔出口沿主流流向的上游设置与该气膜孔相对应的类鳍型凸起，在气膜孔出口及下游产生反向抑制涡，以达到减弱气膜孔出口冷气对主流的掺混作用。这些改进结构虽然能够有效提高气膜冷却效率，但加工难度大成本高，在实际涡轮中不易采用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于降低气膜孔出口肾型涡对的强度，改善气膜孔的冷却效率，基于涡流发生器的流动机理，提供了一种用于改善气膜冷却效果的涡流发生器。

本实用新型采用如下的技术方案来实现：

一种用于改善气膜冷却效果的涡流发生器，该涡流发生器用于燃气轮机透平叶片的气膜冷却，包括设置在透平叶片和透平端壁上的气膜孔，气膜孔展向宽度为D，且与主流流向之间的倾角α为0～90°；还包括气膜孔上游的轴对称楔形凸起，该楔形凸起的对称轴与气膜孔轴线方向一致。

本实用新型进一步的改进在于，所述楔形凸起的底面为一等腰三角形，三角形的对称轴与气膜孔轴向方向一致，其顶角指向上游，底边位于下游。

本实用新型进一步的改进在于，所述楔形凸起的底边与下游气膜孔前端的距离S与气膜孔展向宽度D的比值S/D的范围为0.5～2。

本实用新型进一步的改进在于，所述楔形凸起的轴向方向上的长度L与气膜孔展向宽度D的比值L/D的范围为1～2。

本实用新型进一步的改进在于，所述楔形凸起的展向方向上的宽度为W，W与气膜孔展向宽度D的比值W/D的范围为1～2。

本实用新型进一步的改进在于，所述楔形凸起楔形的高垂直底面于顶角，其高度H与气膜孔展向宽度D的比值H/D的范围为0.5～2。

本实用新型至少具有如下有益的技术效果：

本实用新型提供的一种用于改善气膜冷却效果的涡流发生器，通过在气膜孔出口上游布置楔形的涡流发生器，并基于气膜孔几何合理设计涡流发生器的尺寸，利用涡流发生器产生旋向与尺度合适的涡对，削弱气膜孔出口肾型涡对的强度，从而减少冷气的射流穿透，改善气膜孔的冷却效率。本实用新型的优势在于，有别于以往的其它方法，此结构形式简单、效果明显、实施方便，同时由于凸起尺寸小，额外带来的气动损失不大。

附图说明

图1为气膜孔下游形成涡对的示意图。

图2为本实用新型的三维示意图。

图3为本实用新型的平面示意图，其中图3(a)为本实用新型的俯视图，图3(b)为本实用新型的侧视图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型进一步详细说明。

本实用新型提供的一种用于改善气膜冷却效果的涡流发生器，用于燃气轮机透平叶片的气膜冷却，包括设置在透平叶片和透平平台上的气膜孔，气膜孔展向宽度为D，且与主流流向之间的倾角α为0～90°；在气膜孔出口沿主流流向的上游设置有与该气膜孔相对应的楔形凸起，该凸起的对称轴与气膜孔轴线方向一致。本实用新型的三维示意图如图2所示，平面示意图如图3所示。

在本实施实例中，取展向宽度为D为2mm，夹角α为40°。

气膜孔上游布置有一个楔形凸起的涡流发生器。该涡流发生器为一个轴对称的四面体，其底面为一等腰三角形，其对称轴与气膜孔轴线方向一致，顶角指向上游，底边位于下游。

其底边与下游气膜孔前端的距离为S，S与气膜孔展向宽度D的比值S/D的范围为0.5～2，本实施实例中优选S为2mm。

楔形凸起在轴向方向上的长度为L，L与气膜孔展向宽度D的比值L/D的范围为1～2，本实施实例中优选L为1.5mm。

楔形凸起在展向方向上的长度为W，W与气膜孔展向宽度D的比值L/D的范围为1～2，本实施实例中优选W为2mm。

楔形凸起的高H垂直底面于顶角，H与气膜孔展向宽度D的比值H/D的范围为0.5～2，本实施实例中优选H为1mm。

在本实施实例中，在气膜孔上游布置如上所述的楔形凸起涡流发生器后，主流经过楔形凸起时诱发的一对反肾形涡，削弱了冷却气流肾形涡对的强度，进而减少了冷气的射流穿透，改善了气膜孔的冷却效率。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而己，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的范围之内。

Claims (6)

1.一种用于改善气膜冷却效果的涡流发生器，其特征在于，该涡流发生器用于燃气轮机透平叶片的气膜冷却，包括设置在透平叶片和透平端壁上的气膜孔，气膜孔展向宽度为D，且与主流流向之间的倾角α为0～90°；还包括气膜孔上游的轴对称楔形凸起，该楔形凸起的对称轴与气膜孔轴线方向一致。

2.根据权利要求1所述的一种用于改善气膜冷却效果的涡流发生器，其特征在于，所述楔形凸起的底面为一等腰三角形，三角形的对称轴与气膜孔轴向方向一致，其顶角指向上游，底边位于下游。

3.根据权利要求1所述的一种用于改善气膜冷却效果的涡流发生器，其特征在于，所述楔形凸起的底边与下游气膜孔前端的距离S与气膜孔展向宽度D的比值S/D的范围为0.5～2。

4.根据权利要求1所述的一种用于改善气膜冷却效果的涡流发生器，其特征在于，所述楔形凸起的轴向方向上的长度L与气膜孔展向宽度D的比值L/D的范围为1～2。

5.根据权利要求1所述的一种用于改善气膜冷却效果的涡流发生器，其特征在于，所述楔形凸起的展向方向上的宽度为W，W与气膜孔展向宽度D的比值W/D的范围为1～2。

6.根据权利要求1所述的一种用于改善气膜冷却效果的涡流发生器，其特征在于，所述楔形凸起楔形的高垂直底面于顶角，其高度H与气膜孔展向宽度D的比值H/D的范围为0.5～2。

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