[發明專利]一種用于渦輪葉片的拱型凹槽氣膜冷卻結構

有效

• 申請號: 201611060124.4
• 申請日: 2016-11-28
• 公開（公告）號: CN106593543B
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發明（設計）人: 張麗;張博倫;朱惠人;劉存良;魏建生;姚春意
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18
• 代理公司: 西北工業大學專利中心61204
• 代理人: 陳星

技術領域

本發明涉及燃氣輪機渦輪葉片的冷卻技術領域，具體地說，涉及一種用于渦輪葉片的拱型凹槽氣膜冷卻結構。

技術背景

隨著燃氣輪機性能的改善,渦輪入口溫度不斷提高,現如今一些先進發動機的渦輪前進口溫度已經達到2000K以上，因此，必須使用有效的冷卻措施對渦輪葉片進行保護，避免葉片受到高溫腐蝕和損傷。氣膜冷卻是葉片上使用的典型冷卻方式之一。氣膜冷卻就是在壁面附近沿切線或以一定角度射入一股低溫氣流，用以將高溫燃體與壁面隔離，達到對受熱壁面的冷卻保護作用。

氣膜圓柱孔型作為最早出現的孔型，得到了廣泛的應用和研究。但是在隨后的研究中發現圓柱孔所形成的氣膜無法對孔間區域形成冷卻保護，射流氣體抬高使得近壁面無法形成氣膜覆蓋。隨著氣膜冷卻技術的發展發現在氣膜孔出口處沿著與冷氣流動垂直的方向開一個有一定深度和寬度的橫槽，可顯著改善槽下游冷卻壁面的冷卻效果，但位于氣膜孔出口處的凹槽后緣對射流的阻擋作用很強，射流很難向兩邊擴散，而且會在凹槽內形成回流渦大大的增加了流動阻力，流向孔間的射流十分有限，無法形成均勻的的氣膜覆蓋，而且射流離開氣膜孔后由于法向速度較大造成大量的射流射入主流，氣膜無法形成在近壁面處，冷卻效果并不是太理想，因而很多學者通過改變凹槽前緣后緣結構來改善氣膜冷卻效果。類似縫槽氣膜孔結構也被提出的，但是由于斜坡狀凹槽前后緣使得射流不能實現平緩過渡，造成動量損失，射流的法相速度并沒有得到明顯改善。而且蔣永健等人發現凹槽后緣改成斜坡形狀能夠改善射流的展向覆蓋范圍，但是對冷卻效率的提高并不明顯。從而使得減小法相速度和提高射流的展向擴散能力的提升有限。

發明內容

為了避免現有技術存在的不足，提高橫槽孔射流的展向覆蓋范圍，并減小其流動阻力，使得射流在近壁面處形成有效的氣膜，本發明提出一種用于渦輪葉片的拱型凹槽氣膜冷卻結構。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:包括凹槽前緣、氣膜孔板、氣膜孔、凹槽后緣、圓柱弧、倒圓角、壓力面拱型凹槽氣膜孔、吸力面拱型凹槽氣膜孔、內冷通道、扇形氣膜孔，在渦輪葉片的壓力面上設有壓力面拱型凹槽氣膜孔，在吸力面上設有吸力面拱型凹槽氣膜孔，壓力面拱型凹槽氣膜孔和吸力面拱型凹槽氣膜孔的兩端分別形成氣流的出口和入口,且與葉片內冷通道相通，其特征在于在氣膜孔出口部位設置有凹槽前緣與凹槽后緣，凹槽前緣與凹槽后緣組合形成拱形凹槽，位于氣膜孔板上面，凹槽前緣底部與氣膜孔出口前緣平齊，凹槽后緣與氣膜孔出口后緣平齊；凹槽前緣與凹槽后緣的間距為W,凹槽前緣與凹槽后緣的厚度為H；氣膜孔展向間距為S；

所述氣膜孔最小截面當量直徑D_f取值范圍為0.3～2mm，氣膜孔流向傾角θ取值范圍為30～60°,氣膜孔展向間距距S取值范圍為2D_f～4D_f；凹槽前緣與凹槽后緣的厚度H取值范圍為0.5D_f～1.5D_f；

所述凹槽前緣為拱形結構,通過將橫向凹槽的底部與圓柱弧求差得到，用于求差的圓柱弧半徑R_l比凹槽前緣厚度H小0.1D_f；

所述凹槽后緣帶有倒圓角,倒圓角半徑R_t的取值范圍為0.3D_f～1.5D_f。

所述氣膜孔為圓柱氣膜孔或扇形氣膜孔。

所述圓柱弧為四分之一圓柱。

有益效果

本發明提出的一種用于渦輪葉片的拱型凹槽氣膜冷卻結構。通過在氣膜孔出口設置拱形凹槽前緣與帶倒圓角的凹槽后緣而成。拱形凹槽前緣通過將橫向凹槽的底部與四分之一圓柱求差得到，且圓柱弧的半徑小于槽深。拱形前緣可有效將氣流離開氣膜孔后的法向速度平順過渡為流向速度，避免大量冷卻氣流直接射入主流造成冷氣損失；此外，冷卻氣流速度的平緩過渡，減小了射流的動量損失，同時使射流更好地貼覆壁面。帶倒圓角的凹槽后緣減少了射流與后緣的碰撞，從而降低了冷卻氣流的流動阻力，使得射流更加容易的分向兩邊，增加冷氣的展向覆蓋，與此同時，還可使得爬升出凹槽的冷氣緊緊貼覆在近壁面處，形成氣膜對凹槽下游壁面進行保護，具有非常好的冷卻效果。

附圖說明

下面結合附圖和實施方式對本發明一種用于渦輪葉片的拱型凹槽氣膜冷卻結構作進一步詳細說明。

圖1為本發明拱形凹槽氣膜冷卻結構示意圖。

圖2為本發明拱形凹槽氣膜冷卻結構俯視圖。

圖3為本發明拱形凹槽氣膜冷卻結構剖視圖。