一种提高涡轮叶片冷却效率的新型气膜孔结构制造技术

本实用新型专利技术涉及一种提高涡轮叶片冷却效率的新型气膜孔结构，该结构包括壁面、气膜孔、横向开槽。横向开槽设置于气膜孔的出口位置，该新型槽的特征在于上游设置成斜面，下游设置成双层阶梯状，靠近槽底的成为第一阶梯，靠近来流的设置为第二阶梯，第一阶梯和第二阶梯的最高点均于横流平面相切且第一、第二阶梯形状均为圆弧面。该冷却结构中的斜面与圆弧阶梯状结构，结构简单，加工便利且成本较低，可以有效起到强化气膜冷却的作用。起到强化气膜冷却的作用。起到强化气膜冷却的作用。

【技术实现步骤摘要】
一种提高涡轮叶片冷却效率的新型气膜孔结构


[0001]本技术涉及涡轮动力装置中的冷却，针对于降低涡轮叶片温度而采用的一种开槽气膜冷却孔。

技术介绍

[0002]燃气轮机效率的提高要求更高的燃气温度和压缩比。目前新型燃气轮机涡轮进口温度已达到2000K以上。燃气轮机耐热材料的研发周期长、投入大，因此冷却技术的发展对燃气轮机的发展起着至关重要的作用。相对于冲击冷却、层板冷却等冷却方式，气膜冷却是燃气轮机高温冷却的主要手段，气膜冷却对于冷却效果的意义更加明显。现有研究表明开槽气膜孔结构具有较好的气膜冷却性能。开槽气膜孔能够降低气膜孔出口处冷却气流的动量，提高气膜冷却效率，降低表面换热系数，进而降低表面热流比。开槽后，冷却效率对吹风比的敏感程度有所降低。有关实验研究表明在下游壁面上布置某种结构的凸起，通过一定高度的凸起来增加气膜横向覆盖面积和冷却气体贴附于壁面的作用，申请号为202022258560.0的中国专利技术专利公开了“一种新型气膜冷却开槽结构”，在横向开槽的下游槽壁上开设双阶梯状结构，增大了下游冷却气膜的覆盖面积，提高了壁面展向气膜冷却效率。这种结构虽然能够改善气膜冷却效率，不过没有考虑到上游的冷却气体对下游气膜孔的覆盖作用。

技术实现思路

[0003]由于针对上述的不足之处，本技术为提高叶片冷却效率提供一种新的开槽结构，该结构从下游和上游两处进行优化，促进气膜孔之间的横向冷却效率，以提高气膜的覆盖均匀性，增大覆盖面积，提高冷却效率，该结构适用于具有开槽结构的离散型孔的气膜冷却技术，该结构加工容易且加工成本低。
[0004]为达到上述目的，本技术提出一种提高涡轮叶片冷却效率的新型开槽结构，该结构包括气膜孔、横向开槽和壁面，横向开槽设置于气膜孔的出口位置，其特征在于该结构在横向开槽的上游区域设置一个斜平面的斜坡，在下游槽壁设置成阶梯状，靠近槽底的阶梯称为第一阶梯，其阶梯处形状为圆弧面。靠近来流的阶梯称为第二阶梯，其阶梯处外表面也是圆弧面，其最高点与壁面相切；所述阶梯展向宽度与横向开槽展向宽度相同，所述结构的展向宽度为1.5D～3D，上游开槽高度为2D～3D，第一阶梯高度为1D～1.5D，第一阶梯沿主流方向宽度为0.3D～0.5D，所述第二阶梯高度为1D～1.5D，对第一阶梯和第二阶梯的两个阶梯处进行倒圆角处理，其圆弧的半径为0.2D～0.6D。其中D为气膜孔的直径。
[0005]进一步地，所述气膜孔的上游区域。
[0006]进一步地，设置斜面与上游平面角度α为100
°
～120
°
。
[0007]进一步地，所述阶梯状结构位于其对应的开槽气膜孔的下游区域。
[0008]进一步地，所述阶梯状结构为在展向宽度上对称的结构，且其展向宽度与横向开槽的展向宽度相同。
[0009]进一步地，所述气膜孔为圆形气膜孔。
[0010]进一步地，设置于壁面上的气膜孔为圆柱直孔，其与主流流向之间的夹角β为30
°
～60
°
。
[0011]进一步地，第二阶梯的最高点与壁面相切且平顺过渡。
[0012]如上所述，本技术涉及到的冷却结构，能够达到以下效果：考虑到上游气孔的气流对于下游气孔的影响，气膜孔上游的气膜孔产生的冷却气流在覆盖下游时，通过斜面的阻挡将冷却气流更好的覆盖下游气膜孔，使得从下游气膜孔出来的冷却气体冷却效率更高。在下游气膜孔出口位置的下游区域设置具有双圆弧阶梯状的结构，增加了气膜孔射流在阶梯状开槽结构内的展向流动，增加了气膜的覆盖面积，同时，射流流过倒角处理后曲面的时候会出现康达效应，促使冷却气体更好地贴附于壁面，减弱了横流与射流的掺混作用，不仅仅增强了上游气流对下游气流的覆盖率，还大大增加了下游气膜的稳定性，从而起到了改善气膜冷却的作用。
附图说明
[0013]图1为本技术涡轮叶片中的气膜孔结构示意图
[0014]1、端壁气膜孔
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3、涡轮端壁
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4、涡轮叶片
[0015]5、涡轮叶片内部冷却通道 6、叶片压力面气膜孔
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7、叶片吸力面气膜孔
[0016]图2为本技术中新型气膜孔阶梯状结构的布置示意图
[0017]1、端壁气膜孔
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2、横向开槽
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3、涡轮端壁
[0018]8、斜面
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91、第一阶梯
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92、第二阶梯
[0019]图3为本技术中新型气膜孔的侧视图
[0020]1、端壁气膜孔
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2、横向开槽
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3、涡轮端壁
[0021]8、斜面
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91、第一阶梯
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92、第二阶梯
[0022]图4为本技术中新型气膜孔的俯视图
[0023]1、端壁气膜孔
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2、横向开槽
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3、涡轮端壁
[0024]8、斜面
具体实施方式
[0025]以下结合具体实施例和附图对本技术的结构作出进一步的说明。参见图1至图4，本技术气膜冷却阶梯状开槽结构包括气膜孔1，横向开槽2和壁面3，气膜孔设置于壁面的上游区域，横向开槽2设置于气膜孔1的出口位置，在横向开槽2的上游靠近槽底的部分与上游壁面设置成斜面连接，下游槽壁上设置阶梯状结构，阶梯状结构靠近槽底的部分为第一阶梯91，阶梯状结构靠近壁面的部分为第二阶梯92，二者的阶梯处的外表面为圆弧面，第一阶梯高度为 1D～1.5D，第一阶梯沿主流方向宽度为0.3D～0.5D，第一阶梯与第二阶梯的阶梯处进行倒圆角处理，且圆弧半径为0.2D～0.6D，阶梯状结构的展向宽度与横向开槽的展向宽度相同，为1.5D～3D，其D中为气膜孔1展向宽度。
[0026]具体地，参见图1，在涡轮叶片4上设置了内部冷却通道5，设置在涡轮叶片上的气膜孔包括叶片压力面气膜孔6和叶片吸力面气膜孔7，二者出口均在叶片表面，端壁气膜孔1设置于涡轮端壁3上，其出口位于端壁3的壁面上。
[0027]本技术的斜面结构8与上流壁面的夹角α为100
°
～120
°
，阶梯状冷却结构中，设置于涡轮叶片4和涡轮端壁3上的气膜孔是多个的，其尺寸不同，阶梯状结构的尺寸规格由气膜孔确定，本技术采取圆形气膜孔。气膜孔1在横向呈多排分布，气膜孔1与主流来流方向之间的夹角β为30
°
～60
°
。
[0028]本技术在横向开槽2的上下游槽壁开设了斜面与阶梯状结构，该结构能够改善气膜冷却效率的基本原理为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高涡轮叶片冷却效率的新型气膜孔结构，该结构属于开槽孔气膜冷却的一种，其特征在于包括上下游壁面、横向开槽、气膜孔，圆型气膜孔设置于壁面上，横向开槽结构设置于气膜孔的出口位置上，该横向开槽的特点在于靠近上游位置的槽底设置成斜面连接，靠近下游的位置设置成双阶梯状结构且阶梯处为圆弧面，第一阶梯和第二阶梯的最高点均于横流平面相切,所提到的横向开槽的展向宽度与壁面的宽度相同，展向宽度为1.5D～3D,上游的横向开槽高度为2D～3D，下游第一阶梯高度为1D～1.5D，第一阶梯沿主流方向为0.3D～0.5D，第二阶梯的高度为1D～1.5D，在两个阶梯处进行倒圆角处理，两个圆弧阶梯的弧度为0.2D～0.6D。2.根据权利要求1所述的一种提高涡轮叶片冷却效率的新型气膜孔结构，其特征在于所述阶梯状结构的阶梯数量为2。3.根据权利要求1所述的一种提高涡轮叶片冷却效率的新型气膜孔结构，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴萍，张沛然，王旭，王少卿，周永洋，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：新型
国别省市：