[發明專利]一種展向非對稱的凹坑氣膜冷卻孔型

有效

• 申請號: 202010849875.4
• 申請日: 2020-08-21
• 公開（公告）號: CN112031877B
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發明（設計）人: 張超;白林超;童志庭;石淯臣
• 申請（專利權）人: 天津理工大學
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18
• 代理公司: 天津市君硯知識產權代理有限公司 12239
• 代理人: 程昊

一種展向非對稱的凹坑氣膜冷卻孔型，用于燃氣輪機透平葉片尤其是透平動葉冷卻，其特征在于：所述氣膜冷卻孔型以圓柱孔為基孔，圓柱孔出口沿圓柱孔中心線的展向具有展向非對稱凹坑結構。本發明通過調節坑狀結構的深度、增大凹坑結構內冷垂直橫流下游側擴張寬度以及向內冷垂直橫流下游側移動凸臺的方法，得到非對稱的凹坑氣膜冷卻結構。增大內冷垂直橫流下游側出氣邊的展向寬度、合理調整凸臺的展向位置，實現對內冷垂直橫流下游側高動量冷卻射流的有效阻擋并降低冷氣射入主流的高度，從而解決垂直內冷橫流條件下的冷卻射流展向分布不均勻、且冷卻效率偏低的問題。

技術領域

本發明涉及燃氣輪機透平冷卻技術領域，尤其涉及一種展向非對稱的凹坑氣膜冷卻孔型。

背景技術

燃氣輪機是一種廣泛應用的熱機裝置，通過經由燃燒室燃燒后得到的高溫高壓燃氣膨脹推動渦輪做功進而產生動力。隨著對燃氣輪機輸出功率和效率要求的不斷提升，透平進口溫度已遠超目前鎳基金屬葉片材料的耐溫極限，因此，必須采用有效的冷卻技術來降低透平葉片的熱載荷，保證燃氣渦輪的安全運行。

氣膜冷卻是一種高效的外部葉片冷卻措施，透平葉片內部冷卻腔室的冷氣通過離散氣膜孔流出而覆蓋在葉片表面，使得葉片表面和高溫主流相互隔絕，從而達到降低葉片表面溫度的目的。通過對目前氣膜冷卻孔型進行調研，發現其孔型設計均基于冷氣速度非常小的垂直冷氣腔或冷氣流動方向與主流流動方向平行的冷卻流道，較少考慮其他流向冷卻流道的影響，因此所設計得到的孔型通常沿圓柱孔中心線展向對稱分布。實際上，燃氣輪機葉片內冷通道的冷氣流向較為復雜，尤其透平動葉內冷通道的冷氣流向與主流流向多呈現為垂直關系。已有研究表明，內冷垂直橫流條件下，將導致冷氣射流產生一種非對稱效應，即冷氣射流在孔出口處被分為流動差別較大的兩股流體，從而導致孔下游的壁面冷卻效率沿展向分布不均勻并使得面積平均冷卻效率有所減小。因此，需要針對內冷橫流條件進行專門的氣膜孔型設計。

目前在燃氣輪機透平葉片冷卻中得到實際應用的主要為圓截面的離散孔型，包括基本的圓柱孔型以及基于圓柱孔的出口擴張孔如扇形孔等。圓柱孔型的構造簡單，但是在高吹風比下冷氣的高動量使得冷氣射流易吹離葉片表面，尤其是在遠下游的表面冷卻效率較低。相比于圓柱孔型，出口擴張孔型大幅提高了冷卻效率但其加工難度比較大。基于圓柱孔型，近年來研究人員發展了一種高冷卻效率凹坑型氣膜孔，該孔型可以借助于熱障涂層進行凹坑造型，易于加工，具有較好的應用前景。考慮到噴涂熱障涂層進行凹坑造型的靈活性，可便于加工得到展向非對稱的凹坑造型，進而克服內冷垂直橫流條件下展向對稱凹坑孔型的冷氣分布不均和效率偏低的影響。

發明內容

本發明的目的在于提供一種展向非對稱的凹坑氣膜冷卻孔型，它能夠解決現有技術的不足，用以控制內冷垂直橫流條件下展向非對稱的冷氣射流，以獲得更均勻的冷氣覆蓋和更高效的氣膜冷卻性能。

為了實現上述目標，本發明采用的技術解決方案為：一種展向非對稱的凹坑氣膜冷卻孔型，用于燃氣輪機透平葉片尤其是透平動葉冷卻，其特征在于：所述氣膜冷卻孔型以圓柱孔為基孔，圓柱孔出口沿圓柱孔中心線的展向具有展向非對稱凹坑結構。

所述展向非對稱凹坑結構是在展向對稱凹坑氣膜冷卻孔型的基礎上，通過改變凹坑結構某側的外形以實現凹坑氣膜冷卻孔型的展向非對稱分布。

所述展向非對稱凹坑結構均由凹坑擴張結構和凸臺構成。

所述展向非對稱凹坑結構為展向非對稱凹坑擴張結構或者展向非對稱的擴張凸臺結構。

所述展向非對稱凹坑擴張結構是從圓柱孔出口展向中心線兩端沿展向非對稱擴張；內冷垂直橫流下游側的凹坑展向擴張結構的寬度W_t比上游側的凹坑展向擴張結構的寬度W_o大，二者之間的比值滿足1.0W_t/W₀≤1.5。