CN218882296U - 一种气膜孔结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及燃气轮机冷却技术领域，具体涉及一种气膜孔结构，适合设置于透平叶片上，包括：通孔，贯穿设置于透平叶片上，以引入冷气；纵槽，凹陷设置于透平叶片的壁面上，纵槽的起始端为通孔上冷气流出的一端，纵槽的另一端沿主流燃气流向延伸设置于透平叶片上；本申请采用上述技术方案，通过改变气膜对转涡与主流燃气的相对位置，降低冷气对转涡核心相对主流燃气的高度，削弱主流燃气入侵气膜底部的程度，削弱与主流燃气的掺混，抑制气膜在主流燃气压力梯度较大时脱离壁面的趋势，维持冷气涡量，从而提高冷气在流动方向上的有效冷却距离，制造成本低；且气膜孔结构凹陷于壁面，无突出结构，气动损失小。

Description

一种气膜孔结构

技术领域

本实用新型涉及燃气轮机冷却技术领域，具体涉及一种气膜孔结构。

背景技术

重型燃气轮机透平的工作条件苛刻，具有工质温度高和运行压力高的特点，根据燃气轮机热力循环的要求和现有的工程技术条件，提高透平的进口温度是提高透平功率和效率的主要方法。日益提高的工作温度对于透平叶片的外部冷却提出了更高的要求。传统的气膜孔主要有圆柱孔和成型孔。圆柱孔侧重于调整孔的排列组合方式以趋利避害，特点是性价比高，但冷却效果差；而成型孔则侧重于改进气膜孔出口的形状，以最大化地利用冷却空气，特点是展向分布特性好，但加工成本高。

沟槽型气膜孔是成型孔的一大类型，基本原理是在气膜孔出口布置流动槽以驱动冷气按照设计的方式覆盖叶片表面，削弱主流燃气对冷气流动的影响，尤其是避免冷气脱离叶片表面。

但是，现有的沟槽型气膜孔主要布置方向为展向，即横槽型气膜孔，通过增加冷气的展向动量实现更均匀的侧向分布。然而，其具有一个其它成型孔共性的缺点，即有效冷却距离不足。这主要是由于圆柱孔出口形成的对转涡被成型口破坏或削弱，冷气在流动方向上的涡量不足，在主流燃气的掺混下难以保持较远的冷却距离。另一方面，燃气轮机透平叶片表面具有变化的曲率和复杂的主流压力梯度，当成型孔布置在曲率较大的位置时，冷气在成型口和主流压力梯度的耦合作用下更难以保持有效冷却距离。

实用新型内容

因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中气膜孔的有效冷却距离不足的缺陷，基于以上情况，开发一种能够加长有效冷却距离的气膜孔结构十分必要。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种气膜孔结构，适合设置于透平叶片上，包括：

通孔，贯穿设置于透平叶片上，以引入冷气；

纵槽，凹陷设置于透平叶片的壁面上，纵槽的起始端为通孔上冷气流出的一端，纵槽的另一端沿主流燃气流向延伸设置于透平叶片上。

可选地，所述纵槽的深度自起始端沿主流燃气流向线性递减至0。

可选地，所述纵槽的宽度自起始端沿主流燃气流向线性递增。

可选地，所述通孔为圆柱形孔。

可选地，所述圆柱形孔的直径D的范围为0.2～1.5mm。

可选地，所述纵槽的起始端的深度范围为0.2D～0.5D。

可选地，所述纵槽的长度的范围为10D～20D。

可选地，所述纵槽由透平叶片一体化精密铸造而成。

可选地，在所述纵槽的表面及透平叶片的壁面均设有热障涂层。

本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1.本实用新型提供的气膜孔结构，适合设置于透平叶片上，包括：通孔，贯穿设置于透平叶片上，以引入冷气；纵槽，凹陷设置于透平叶片的壁面上，纵槽的起始端为通孔上冷气流出的一端，纵槽的另一端沿主流燃气流向延伸设置于透平叶片上；本申请采用上述技术方案，通过改变气膜对转涡与主流燃气的相对位置，降低冷气对转涡核心相对主流燃气的高度，削弱主流燃气入侵气膜底部的程度，削弱与主流燃气的掺混，抑制气膜在主流燃气压力梯度较大时脱离壁面的趋势，维持冷气涡量，从而提高冷气在流动方向上的有效冷却距离，制造成本低；且气膜孔结构凹陷于壁面，无突出结构，气动损失小。

2.本实用新型所述纵槽的宽度自起始端沿主流燃气流向线性递增；本申请采用上述技术方案，纵槽呈扇形，沿主流燃气流向逐渐扩张，在提高冷气冷却距离的同时，扩大气膜的展向覆盖范围，增强冷却效果。

3.本实用新型所述通孔为圆柱形孔；所述圆柱形孔的直径D的范围为0.2～1.5mm。所述纵槽的起始端的深度范围为0.2D～0.5D；所述纵槽的长度的范围为10D～20D；本申请采用上述技术方案，可以采用模块化设计，根据局部冷却需求，调整圆柱形孔的直径，进而方便地调整纵槽的起始端的深度和纵槽的长度等几何参数。

4.本实用新型所述纵槽由透平叶片一体化精密铸造而成；本申请采用上述技术方案，采用铸造方式一体成型，避免采用精密加工方法，能够有效降低制造成本。

5.本实用新型在所述纵槽的表面及透平叶片的壁面均设有热障涂层；本申请采用上述技术方案，降低透平叶片的表面温度，提高透平叶片的抗高温氧化能力，延长透平叶片的服役寿命，对透平叶片具有均匀一致的保护效果，成本低，且工艺技术简单可行。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施方式中提供的气膜孔结构的立体结构示意图；

图2为本实用新型实施方式中提供的气膜孔结构的俯视结构示意图；

图3为本实用新型实施方式中提供的气膜孔结构的剖面结构示意图；

图4为本实用新型实施方式中提供的气膜孔结构的仿真计算域示意图；

图5为现有技术中在圆柱气膜孔下游五倍孔径处的速度矢量示意图；

图6为本实用新型实施方式中提供的气膜孔结构在通孔下游五倍孔径处的速度矢量示意图；

图7为本实用新型实施方式中提供的气膜孔结构与现有技术中圆柱气膜孔的靶面气膜冷却效率分布对比示意云图。

附图标记说明：

1、主流道；2、主流进口；3、主流出口；4、通孔；5、纵槽；6、冷气进口；7、壁面；8、冷气动量；9、对转涡；10、圆柱气膜孔；11、纵槽气膜孔。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1至图4所示的气膜孔结构的一种具体实施方式，适合设置于透平叶片上，对透平叶片进行冷却，包括：贯穿设置于透平叶片上的通孔4和凹陷设置于透平叶片的壁面7上的纵槽5；具体的，所述透平叶片为燃气轮机透平叶片，尤其是重型燃气轮机透平叶片。

如图1和图4所示，所述通孔4的一端设有冷气进口6，以引入冷气；所述纵槽5的起始端为通孔4上冷气流出的一端，纵槽5的另一端沿主流燃气流向延伸设置于透平叶片上。所述主流燃气流动形成主流道1，在主流道1上，主流燃气由主流进口2进入，由主流出口3流出。

如图1至图3所示，所述通孔4的轴线与透平叶片的壁面7的夹角α的范围为0°～90°，优选α为30°；所述纵槽5的侧壁与主流燃气流向的夹角θ的取值范围为0～5°，θ优选为3°。具体的，所述通孔4为圆柱形孔，所述圆柱形孔的直径D的范围为0.2～1.5mm，优选D为1mm；所述纵槽5的深度自起始端沿主流燃气流向线性递减至0；所述纵槽5的起始端的深度H范围为0.2D～0.5D，H优选为0.5D，即0.5mm；所述纵槽5的宽度自起始端沿主流燃气流向线性递增；所述纵槽5的长度L的范围为10D～20D，L优选为15D，即15mm。具体的，所述纵槽5由透平叶片一体化精密铸造而成；在所述纵槽5的表面及透平叶片的壁面7均设有热障涂层后，在所述纵槽5的边缘自然形成倒圆或倒角，本实施例中，纵槽5的边缘无倒圆和倒角。

如图5所示，为现有技术中在圆柱气膜孔下游五倍孔径处的速度矢量示意图，圆柱气膜孔10会产生对转涡9，其冷气气膜在壁面7法向方向上远离壁面7处的冷气动量8是向两侧展开的，而靠近壁面7处的冷气动量8则是向气膜中线汇集，因而更容易裹挟高温燃气进入气膜底部，破坏气膜冷却效果。如图6所示，为本实用新型实施方式中提供的气膜孔结构在通孔下游五倍孔径处的速度矢量示意图，纵槽气膜孔11(即本申请的气膜孔结构)将气膜的对转涡9下沉，利用气膜对转涡9顶部向两侧展开的冷气动量8抵御高温燃气，从而使主流燃气难以进入气膜底部。另外，纵槽气膜孔11并没有为了抵抗主流燃气入侵，而削弱冷气对对转涡9的强度，有利于使气膜流动状态保持稳定，延长有效冷却距离。

如图7所示，为本实用新型实施方式中提供的气膜孔结构与现有技术中圆柱气膜孔的靶面气膜冷却效率分布对比示意云图，位于上方的图为现有技术中圆柱气膜孔的靶面气膜冷却效率分布示意云图，位于下方的图为本实用新型实施方式中提供的气膜孔结构的靶面气膜冷却效率分布示意云图。

其中，气膜冷却效率常用于衡量气膜在壁面7上的冷却效果，其定义如式(1)所示，

其中：T_t，g为主流进口2的总温，单位为K；T为壁面7的温度，单位为K；T_t，c为冷气进口6的总温，单位为K。

经过计算，相比于圆柱气膜孔10，本申请气膜孔结构的核心冷却区域(气膜冷却效率高于0.4的区域)的展向冷却距离提升约120％，流向冷却距离提升约17％，靶面面积平均冷却效率提升约48％。可见，采用本申请气膜孔结构能够有效地提高冷气覆盖距离，加强侧向覆盖范围，改善气膜冷却效果。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种气膜孔结构，适合设置于透平叶片上，其特征在于，包括：

通孔(4)，贯穿设置于透平叶片上，以引入冷气；

纵槽(5)，凹陷设置于透平叶片的壁面(7)上，纵槽(5)的起始端为通孔(4)上冷气流出的一端，纵槽(5)的另一端沿主流燃气流向延伸设置于透平叶片上。

2.根据权利要求1所述的气膜孔结构，其特征在于，所述纵槽(5)的深度自起始端沿主流燃气流向线性递减至0。

3.根据权利要求1或2所述的气膜孔结构，其特征在于，所述纵槽(5)的宽度自起始端沿主流燃气流向线性递增。

4.根据权利要求1或2所述的气膜孔结构，其特征在于，所述通孔(4)为圆柱形孔。

5.根据权利要求4所述的气膜孔结构，其特征在于，所述圆柱形孔的直径D的范围为0.2～1.5mm。

6.根据权利要求5所述的气膜孔结构，其特征在于，所述纵槽(5)的起始端的深度范围为0.2D～0.5D。

7.根据权利要求5所述的气膜孔结构，其特征在于，所述纵槽(5)的长度的范围为10D～20D。

8.根据权利要求1或2所述的气膜孔结构，其特征在于，所述纵槽(5)由透平叶片一体化精密铸造而成。

9.根据权利要求8所述的气膜孔结构，其特征在于，在所述纵槽(5)的表面及透平叶片的壁面(7)均设有热障涂层。

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