本发明专利技术公开了一种具有提高涡轮第一级静叶端壁冷却性能的主动风影气膜冷却结构，包括主动风影冷却腔室和在静叶压力面侧开设的多个主动风影冷却气膜孔。工作时，将冷却空气从该腔室底部引入，经开设在叶栅压力面根部附近的气膜孔进入叶栅通道的主流区域。由于气膜孔带有恰当的复合角和表面角，冷却气流从马蹄涡和角涡的交界处射入叶栅通道，在马蹄涡和角涡的卷吸作用下，冷却气流可以紧贴端壁面向下游发展。因此，在不增大叶栅气动损失的前提下，应用此结构可以显著提高涡轮近压力面侧端壁的气膜冷却效率，降低端壁热负荷。降低端壁热负荷。降低端壁热负荷。
【技术实现步骤摘要】
一种提高端壁冷却性能的主动风影气膜冷却结构
[0001]本专利技术属于涡轮
，涉及一种气膜冷却结构，特别涉及一种提高端壁冷却性能的主动风影气膜冷却结构。
技术介绍
[0002]为了提高燃气轮机性能，高压涡轮进口温度不断提高并远远超过了金属蠕变温度。此外，近年来贫油预混燃烧室被应用于燃气轮机以提高发动机紧凑性并降低NOx排放。这两方面迫使涡轮第一级静叶端壁区域工作在高温、高压以及复杂流动环境下。因此，必须应用有效的冷却技术保护涡轮导叶端壁，避免其受到高温腐蚀和损伤而影响整机运行安全。
[0003]为了降低端壁区域热负荷，目前所应用的气膜冷却方式主要有离散气膜孔冷却、叶栅通道间隙冷却以及叶栅上游槽缝冷却。但应用传统的冷却方式很难获得叶栅压力面侧端壁的高效冷却覆盖。研究表明，来自上游的高温燃气主流在第一级静叶前缘滞止并在叶栅根部形成马蹄涡。马蹄涡在滞止点处分为左右两支进入叶栅通道向下游发展。其中，马蹄涡压力面侧分支受叶栅通道内横向压力梯度影响向吸力面侧扩展，卷吸冷却气体离开壁面而无法到达叶栅压力面侧端壁区域，从而严重影响叶栅压力面侧端壁气膜冷却效率。与此同时，贫油预混燃烧室出口的强旋流特征向下游迁移，直接影响第一级涡轮的气热特性。相关研究指出，在旋流进口条件下，马蹄涡被进一步强化，端壁热负荷进一步恶化且端壁气膜有效度显著降低。在长期马蹄涡压力面分支的冲刷且无高效气膜冷却覆盖的情况下，叶栅压力面侧端壁极易受到高温烧蚀并严重影响燃气涡轮的安全运行和气动效率。
[0004]因此，开发新型高效冷却结构以保护叶栅压力面侧端壁区域不受主流高温气流烧蚀，降低此区域热负荷，保障第一级静叶端壁区域安全稳定运行具有十分重要的工程应用价值。
技术实现思路
[0005]针对涡轮叶栅端壁承受极高热负荷且传统冷却方式下第一级静叶压力面侧端壁区域冷却不足的问题，本专利技术的目的在于提供一种提高端壁冷却性能的主动风影气膜冷却结构，其利用马蹄涡压力面分支和角涡的卷吸作用，在不增加叶栅通道气动损失的情况下，使来自叶栅压力面气膜孔的冷却气体顺利到达压力面侧端壁区域，在端壁处形成风影冷却(二次冷却)并扩大冷却气体在端壁上的覆盖面积，显著提高叶栅压力面侧端壁的气膜冷却性能。本专利技术可以从根本上降低叶栅压力面侧端壁热负荷，保证叶栅端壁安全有效工作，提高燃气轮机使用寿命。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种提高端壁冷却性能的主动风影气膜冷却结构，包括主动风影冷却腔室和若干主动风影冷却气膜孔，所述主动风影冷却腔室设置于涡轮的第一级静叶内部；所述主动风影冷却气膜孔开设在第一级静叶的压力面侧，以一定射流角度将所述主动风影冷却腔室和
叶栅通道连通，工作时，冷却气流从所述主动风影冷却腔室的底部引入，经主动风影冷却气膜孔从马蹄涡和角涡的交界处进入叶栅通道的主流区域，在马蹄涡和角涡的卷吸作用下，冷却气流紧贴端壁面向下游发展，其中所述马蹄涡和角涡是燃气主流在涡轮第一级静叶前缘滞止并在近端壁处形成的涡流。
[0008]在一个实施例中，所述主动风影冷却腔室位于所述第一级静叶的底部附近，并沿流动方向贯穿所述第一级静叶的叶根。
[0009]在一个实施例中，所述主动风影冷却气膜孔位于静叶压力面侧根部附近，沿一定射流角度开设。
[0010]在一个实施例中，所述主动风影冷却腔室与静叶前缘在叶片轴向方向上的距离L＝0.1C
ax
，其中C
ax
为静叶轴向弦长。
[0011]在一个实施例中，所述主动风影冷却气膜孔的数量为2
‑
4个，气膜孔截面均为圆形，气膜孔直径d的取值范围为1
‑
2mm，相邻气膜孔间距为4d。
[0012]在一个实施例中，所述主动风影冷却腔室为矩形，其高度a的取值范围为20d
‑
30d，宽度b的取值范围为3d
‑
5d，长度c的取值范围为10d
‑
15d，主动风影冷却腔室的底部与端壁的壁面间距为8d；其中，高度指沿第一级静叶叶高方向；宽度指沿叶片周向；长度指沿叶片轴向，底部指主动风影冷却腔室的下表面。
[0013]在一个实施例中，所述主动风影冷却气膜孔的出口与端壁的壁面间距h的取值范围为1％H
‑
10％H，H为静叶高度。
[0014]在一个实施例中，所述主动风影冷却气膜孔出流方向与涡轮轴向所成角度定义为复合角α，出流方向与静叶压力面所成角度定义为表面角β，α的取值范围为10
‑
30度，β的取值范围为15
‑
45度。
[0015]在一个实施例中，所述主动风影冷却气膜孔的出口处于燃气主流在涡轮第一级静叶前缘滞止并在近端壁处形成的马蹄涡和角涡的交界处。
[0016]本专利技术还提供了一种涡轮，该涡轮采用了所述提高端壁冷却性能的主动风影气膜冷却结构。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0018]本专利技术提供了一种可以有效提高涡轮静叶近压力面侧端壁气膜冷却效率的主动风影气膜冷却结构。其技术特点为在涡轮静叶压力面上的近前缘叶根处开设多个气膜冷却孔。从压气机中引入的冷却气流经过风影冷却腔室后从气膜孔出口进入叶栅通道。由于这些气膜孔带有恰当的表面角和复合角，一部分冷却气体随角涡沿压力面根部向下游移动，另一部分被马蹄涡裹挟紧贴端壁面向通道中央发展。因此，该冷却方式不仅可以覆盖叶栅压力面，并且在端壁近压力面的冷却死区形成二次冷却，极大得提高了端壁的气膜有效度，解决了冷却气体无法在压力面侧端壁覆盖的问题。
[0019]1.利用马蹄涡和角涡的流动特征设计的主动风影气膜冷却结构，使得冷却气体可以顺利到达静叶端壁面形成冷却覆盖。因而在几乎不引起叶栅气动损失的前提下，使用较少的冷却气体就可以大幅提高端壁近压力面侧的气膜有效度，极大得避免了冷气损失，提高了整机工作效率。
[0020]2.经数值模拟初步验证，即使在真实贫油预混燃烧室出口强旋流的影响下，该气膜冷却结构仍然具有良好的鲁棒性，仅使用质量流量比MFR＝0.5％的冷却气体，端壁面平
均气膜有效度就可以提高50％左右。因此，在实际工况中，该结构工作性能良好，具有广泛的应用前景。
附图说明
[0021]图1为典型传统贫油预混燃烧室及第一级涡轮叶片子午面剖视图。
[0022]图2为涡轮第一级静叶及传统端壁气膜冷却布局示意图。
[0023]图3为具有主动风影气膜冷却结构的涡轮第一级子午面剖视图。
[0024]图4为具有主动风影气膜冷却结构的涡轮第一级静叶气膜冷却布局示意图。
[0025]图5为主动风影气膜冷却射流与典型端壁二次流的三维流动示意图。
[0026]图6为主动风影气膜冷却射流冷却方式的轴向截面示意图。
[0027]图7为本专利技术的主动风影气膜冷却结构图。
[0028]图8为具有主动风影气膜冷却结构的涡轮静叶子午面示意图。
[002本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种提高端壁冷却性能的主动风影气膜冷却结构，其特征在于，包括主动风影冷却腔室(10)和若干主动风影冷却气膜孔(11)，所述主动风影冷却腔室(10)设置于涡轮的第一级静叶(4)内部；所述主动风影冷却气膜孔(11)开设在第一级静叶(4)的压力面侧，以一定射流角度将所述主动风影冷却腔室(10)和叶栅通道连通，工作时，冷却气流从所述主动风影冷却腔室(10)的底部引入，经主动风影冷却气膜孔(11)从马蹄涡和角涡的交界处进入叶栅通道的主流区域，在马蹄涡和角涡的卷吸作用下，冷却气流紧贴端壁面向下游发展，其中所述马蹄涡和角涡是燃气主流在涡轮第一级静叶前缘(12)滞止并在近端壁(9)处形成的涡流。2.根据权利要求1所述提高端壁冷却性能的主动风影气膜冷却结构，其特征在于，所述主动风影冷却腔室(10)位于所述第一级静叶(4)的底部附近，并沿流动方向贯穿所述第一级静叶(4)的叶根。3.根据权利要求1所述提高端壁冷却性能的主动风影气膜冷却结构，其特征在于，所述主动风影冷却气膜孔(11)位于静叶压力面侧根部附近，沿一定射流角度开设。4.根据权利要求1所述提高端壁冷却性能的主动风影气膜冷却结构，其特征在于，所述主动风影冷却腔室(10)与静叶前缘在叶片轴向方向上的距离L＝0.1C
ax
，其中C
ax
为静叶轴向弦长。5.根据权利要求1所述提高端壁冷却性能的主动风影气膜冷却结构，其特征在于，所述主动风影冷却气膜孔(11)的数量为2
‑
4个，气膜孔截面均为圆形，气膜孔直径d的取值...
【专利技术属性】
技术研发人员：李军，栗智宇，张垲垣，李志刚，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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