[發明專利]一種用于改善氣膜冷卻效果的渦流發生器

在審

• 申請號: 202011174310.7
• 申請日: 2020-10-28
• 公開（公告）號: CN112112687A
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發明（設計）人: 段靜瑤;肖俊峰;高松;李園園;于飛龍;張蒙;閆安
• 申請（專利權）人: 西安熱工研究院有限公司
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 閔岳峰

本發明公開了一種用于改善氣膜冷卻效果的渦流發生器，該渦流發生器用于燃氣輪機透平葉片的氣膜冷卻，包括設置在透平葉片和透平端壁上的氣膜孔，氣膜孔展向寬度為D，且與主流流向之間的傾角α為0～90°；還包括氣膜孔上游的軸對稱楔形凸起，該楔形凸起的對稱軸與氣膜孔軸線方向一致。本發明通過在氣膜孔出口上游布置楔形的渦流發生器，并基于氣膜孔幾何合理設計渦流發生器的尺寸，利用渦流發生器產生旋向與尺度合適的渦對，削弱氣膜孔出口腎型渦對的強度，從而減少冷氣的射流穿透，改善氣膜孔的冷卻效率。

技術領域

本發明屬于燃氣輪機透平葉片冷卻技術領域，具體涉及一種用于改善氣膜冷卻效果的渦流發生器，用于改善燃氣輪機透平葉片氣膜冷卻效果。

背景技術

為了發展更加先進的燃氣輪機，透平入口的燃氣溫度不斷得到提升，而透平葉片材料的性能已經遠遠不能滿足日益增長的透平入口溫度，因此有必要發展透平葉片冷卻技術，在保證葉片氣動性能的前提下降低葉片承受的熱負荷。先進的透平葉片冷卻方法可以對葉片進行高效的冷卻，延長葉片的使用壽命，大大提升燃氣輪機的可靠性和安全性。

透平葉片應用最廣泛的一種外部冷卻方式是氣膜冷卻，冷氣通過透平葉片表面的氣膜孔或者槽縫結構射入主流，在葉片外表面上形成氣膜覆蓋以使高溫部件處于耐受溫度范圍內。研究發現，由于主流與冷氣的相互摻混，氣膜孔出口下游會形成一對反向旋轉渦(腎形渦對)，如圖1所示。通過削弱腎形渦對的強度，氣膜冷卻效果可以得到顯著提升。

針對氣膜孔出口處上游擾流結構對流動渦結構的影響分析發現，主流氣體由于擾流結構的作用會在氣膜孔出口附近形成正向的二次流腎型渦，從而削弱冷卻氣流腎形渦對的強度，進而可減少冷氣的射流穿透，改善氣膜孔的冷卻效率。因此，提出了不同形狀的氣膜孔上游結構并詳細分析其流動特征。申請號為201510993385.0的中國發明專利公開了“一種提高組件外部冷卻效果的上游結構”，通過在端壁壁面上氣膜孔出口上游增加兩個長條形凸臺結構，改善氣膜孔冷氣出流的展向分布及其均勻性，可有效地提高氣膜冷卻效率。申請號為CN201921606271.6的中國實用新型專利公開了“一種用于改善渦輪冷卻效果的冷卻結構”，通過在氣膜孔出口沿主流流向的上游設置與該氣膜孔相對應的類鰭型凸起，在氣膜孔出口及下游產生反向抑制渦，以達到減弱氣膜孔出口冷氣對主流的摻混作用。這些改進結構雖然能夠有效提高氣膜冷卻效率，但加工難度大成本高，在實際渦輪中不易采用。

發明內容

本發明的目的在于降低氣膜孔出口腎型渦對的強度，改善氣膜孔的冷卻效率，基于渦流發生器的流動機理，提供了一種用于改善氣膜冷卻效果的渦流發生器。

本發明采用如下的技術方案來實現：

一種用于改善氣膜冷卻效果的渦流發生器，該渦流發生器用于燃氣輪機透平葉片的氣膜冷卻，包括設置在透平葉片和透平端壁上的氣膜孔，氣膜孔展向寬度為D，且與主流流向之間的傾角α為0～90°；還包括氣膜孔上游的軸對稱楔形凸起，該楔形凸起的對稱軸與氣膜孔軸線方向一致。

本發明進一步的改進在于，所述楔形凸起的底面為一等腰三角形，三角形的對稱軸與氣膜孔軸向方向一致，其頂角指向上游，底邊位于下游。

本發明進一步的改進在于，所述楔形凸起的底邊與下游氣膜孔前端的距離S與氣膜孔展向寬度D的比值S/D的范圍為0.5～2。

本發明進一步的改進在于，所述楔形凸起的軸向方向上的長度L與氣膜孔展向寬度D的比值L/D的范圍為1～2。

本發明進一步的改進在于，所述楔形凸起的展向方向上的寬度為W，W與氣膜孔展向寬度D的比值W/D的范圍為1～2。

本發明進一步的改進在于，所述楔形凸起楔形的高垂直底面于頂角，其高度H與氣膜孔展向寬度D的比值H/D的范圍為0.5～2。

本發明至少具有如下有益的技術效果：