[發明專利]一種端壁氣膜孔布置結構

有效

• 申請號: 202010611065.5
• 申請日: 2020-06-29
• 公開（公告）號: CN111779548B
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 劉釗;張韋馨;劉戰勝;楊星;豐鎮平
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: F01D25/12
• 分類號: F01D25/12;F01D9/02
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 段俊濤

本發明公開了一種端壁氣膜孔布置結構。該結構利用端壁的流動特性對冷卻單元進行布置，其氣膜孔構型可隨意替換，適用于多種吹風比及上游泄漏流存在的情況下的燃機透平第一級靜葉端壁以及動葉端壁。通過引入冷卻空氣，降低端壁表面整體的溫度，強化壓力面根部的冷卻效率，保護葉片防止燒蝕，同時最大程度上減少對端壁流場邊界層的破壞，節約冷卻空氣用量，提升了透平的工作溫度極限。整套布置方案結構簡單，簡化了工藝流程，可以依據上游泄漏流的情況靈活調整，可以通過調整復合角的大小，滿足對不同葉片壓力面區域的冷卻需求，使得整體的設計能夠更加具有普適的應用價值，提升多類型透平的工作效率，滿足工業生產的需求。

技術領域

本發明屬于透平葉片氣膜冷卻技術領域，特別涉及一種端壁氣膜孔布置結構。

背景技術

為了追求高的輸出功率和效率，燃氣輪機的進口溫度在不斷提高，透平葉片承受的熱負荷也在不斷增大。燃氣輪機的進口溫度目前普遍超過了葉片可承受的溫度，因此需要冷卻技術來保證燃機的運行安全與壽命。常用的冷卻技術包括葉片外部冷卻和內部冷卻技術。

在眾多的冷卻方案之中，葉片氣膜冷卻技術起始于上個世紀五十年代末，經過了半個多世紀的發展，如今已經成為冷卻方案中不可或缺的重要環節，在葉片表面離散氣膜空的布置方案中，透平端壁由于其位置的特殊，受到復雜的二次流動影響，例如通道渦、馬蹄渦等，其冷卻比較困難。在目前的設計中，比較常見的冷卻方式為在透平的端壁入口開設槽縫，或連續氣膜孔，隨后，在流道中間的端壁處，布置離散氣膜孔，通過調整冷卻氣膜的流量以及射流角度進行氣膜冷卻。這種方法受到端壁復雜流動的影響，在葉片端壁的前緣根部和壓力面附近區域難以得到有效的冷卻氣體的覆蓋。所以，端壁的冷卻技術需要建立在對端壁的流動換熱進行充分研究的前提下，在以往的研究中，研究者試圖通過端壁表面的傳熱系數分布，主流等馬赫數線以及端壁二次流對端壁氣膜孔進行重新布局，雖然從結果上，整個端壁表面都得到了良好的冷氣覆蓋，但是用于冷卻的空氣明顯過多使用了，同時，氣膜孔的布局上結構過于單一，僅僅考慮了端壁本身的條件，沒有結合葉柵在透平中的位置進行考慮，在實際的設計應用中，某些冷卻孔的作用有待考量。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種端壁氣膜孔布置結構，對有上游泄漏流的情況下的燃機透平端壁冷卻單元布置進行了重新設計，在不改變氣膜孔結構、數量以及供氣方式的基礎上，利用透平端壁的流動特性，通過調整布置的方式、氣膜孔間距等條件提升端壁整體氣膜冷卻效率，旨在最大程度地節約冷卻空氣，同時不對端壁原有的冷卻條件造成大的影響，保證端壁的流動換熱情況受到氣膜孔的影響達到最小，減少工質在葉柵中的流動損失，提升透平整體工作效率。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種端壁氣膜孔布置結構，所述端壁為航空發動機第一級靜葉端壁，氣膜孔布置成兩排，其中第一排氣膜孔冷氣動量在端壁平面的投影矢量平行于主流方向，覆蓋距離下方壓力面側前緣點(0.21～0.53)C_ax的區域，其與二次流動量合成后，形成對端壁壓力面側(0.5～1.0)C_ax位置的氣膜覆蓋，冷卻端壁壓力面區域；第二排氣膜孔布置于第一排氣膜孔與泄漏流形成的氣膜間隙，間隙位于上游泄漏流靠近壓力面側邊界與壓力面型線的中心線兩側各偏移0.06C_ax，寬度0.12C_ax，以形成冷卻氣膜，達到對端壁整體的氣膜覆蓋率最高，其中C_ax為軸向弦長。

所述端壁的冷卻區域分為泄漏流三角冷卻區、二次流冷卻區、壓力面冷卻區和前緣冷卻區四個部分，其中，泄漏流三角冷卻區指上游泄漏流在端壁表面形成的氣膜覆蓋區域，在絕熱氣膜冷卻效率云圖上顯示為冷卻效率高于0.3的邊界，壓力面冷卻區是指上游泄漏流靠近壓力面側邊界與壓力面型線的中心線向壓力面側偏移0.06C_ax，與壓力面型線中間的區域，前緣冷卻區是指葉片前緣向外偏移0.2C_ax的區域，二次流冷卻區是指位于上游泄漏流靠近壓力面側邊界與壓力面型線的中心線兩側各偏移0.06C_ax，寬度0.12C_ax的區域。