[發(fā)明專利]一種橫向擴張子午收縮槽形氣膜孔

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• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN111042872A
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發(fā)明（設計）人: 安柏濤;李晨;劉建軍
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 吳夢圓

一種橫向擴張子午收縮槽形氣膜孔，涉及燃氣輪機高溫透平冷卻技術。本發(fā)明氣膜孔構建于槽形橫截面，沿流動方向具有橫向擴張和子午收縮結構；槽形橫截面總體上呈矩形，四角由圓弧組成，圓弧對應的直徑d在0.2D至0.4D之間，D為基準圓孔直徑。本發(fā)明氣膜孔的優(yōu)點：一、孔進口面積擴大，進口噴射效應減弱；二、孔內(nèi)流動加速，不易出現(xiàn)分離區(qū)，出流系數(shù)增加；三、孔出口氣膜分布均勻，下游旋渦尺度和強度減弱，摻混損失??；四、出口寬度大，氣膜覆蓋面積增加；五、冷氣出口速度高，與主流摻混過程短，遠下游冷卻效果高。本發(fā)明的氣膜孔用于燃氣透平葉片冷卻，適用于透平葉片的壓力面、吸力面以及上下端壁面。

技術領域

本發(fā)明涉及燃氣輪機高溫透平冷卻技術領域，尤其涉及一種橫向擴張子午收縮槽形氣膜孔。

背景技術

提高透平進口溫度是提高燃氣輪機整機效率的最直接方法。目前，地面重型燃機和大推力航空發(fā)動機的透平進口溫度已遠超透平葉片合金材料的耐溫極限，比如J級重型燃機，透平進口溫度已達1600℃，葉片材料可靠運行溫度約900℃，考慮熱障涂層降溫(約100-150℃)，需靠冷卻技術降溫600-650℃。離散孔氣膜冷卻是燃氣輪機透平葉片普遍采用的高效冷卻技術，其基本原理是從壓氣機引入冷卻空氣至透平葉片內(nèi)腔，冷卻空氣通過密布于葉片上的離散氣膜孔流出并覆蓋于葉片表面，從而達到隔絕高溫主流與金屬葉片表面的目的，降低葉片表面溫度。

離散孔氣膜冷卻最常用的孔型是圓柱孔，其具有結構簡單、葉片強度高、熱應力小、加工方便等優(yōu)點，因此在燃氣透平葉片上應用廣泛。但圓柱孔的缺點也非常明顯，比如：冷卻效果低、氣膜覆蓋面積小、高吹風比下易吹離壁面、摻混損失大等。目前除葉片前緣或動葉葉頂?shù)染植繀^(qū)域外，先進燃氣透平葉片(吸力面、壓力面、端壁)已大量使用異型氣膜孔代替圓柱孔。近二十年來，國內(nèi)外技術人員提出了大量新穎的氣膜冷卻結構或孔型，以提高氣膜冷卻效果。代表性的有：擴張孔、雙噴射孔、姐妹孔、溝槽孔、槽孔、收縮縫孔等。上述孔型均比圓柱孔大幅提高了氣膜冷卻性能。其中以扇形孔為代表的擴張出口孔已在實際燃機的透平葉片上獲得廣泛應用。

現(xiàn)有氣膜孔結構設計有兩種趨勢，一是由進口至出口采用擴張結構，孔內(nèi)流動減速，好處是可以降低氣膜孔出口冷氣動量，氣膜不易脫離；二是由進口至出口采用收縮結構，孔內(nèi)流動加速，這種結構出口速度高，需配合寬出口使用，優(yōu)勢是可以擴大氣膜覆蓋面積，同時提高遠下游的冷卻效果。目前擴張型氣膜孔已廣泛用于實際透平冷卻，但收縮型氣膜孔具有獲得高冷卻性能的潛力，重點在于結構設計。現(xiàn)有的收縮型氣膜孔主要基于圓形截面設計，不利于發(fā)揮孔內(nèi)流動加速的優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提出一種橫向擴張子午收縮槽形氣膜孔，以期至少部分地解決上述提及的技術問題的至少之一。

本發(fā)明的技術方案，提供了一種橫向擴張子午收縮槽形氣膜孔，用于燃氣透平葉片本體或葉片端壁的氣膜冷卻，所述氣膜孔沿氣流流動方向具有橫向擴張且子午收縮結構，并且所述氣膜孔的橫截面為槽形。

從上述技術方案可以看出，本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術，至少具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：

1、本發(fā)明的氣膜冷卻孔，將槽形截面與子午收縮結構結合，具有橫向擴張與子午收縮特點。槽形截面寬度大高度小，冷氣趨于在橫向均勻分布，橫向擴張結構進一步擴大了氣膜的橫向覆蓋面積，子午收縮使得孔內(nèi)不易出現(xiàn)流動分離，利于增大出口流動均勻性。

2、本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔，有別于目前已知的氣膜冷卻孔，具有的優(yōu)點如下：一、孔進口面積大，進口噴射效應減弱；二、孔內(nèi)流動加速，不易出現(xiàn)分離區(qū)，出流系數(shù)增加；三、出口寬度大，氣膜覆蓋面積增加；四、孔出口氣膜分布均勻，下游旋渦尺度和強度減弱，摻混損失?。晃?、冷氣出口速度高，與主流摻混過程短，遠下游冷卻效果高。

附圖說明

圖1a為本發(fā)明實施例1橫向擴張子午收縮槽形氣膜孔幾何結構圖；

圖1b為圖1a中的A-A截面示意圖；