[發明專利]一種抑制渦輪葉片尾緣氣膜局部失效的方法

在審

• 申請號: 202310246961.X
• 申請日: 2023-03-15
• 公開（公告）號: CN116220829A
• 公開（公告）日: 2023-06-06
• 發明（設計）人: 李廣超;何海超;孫誠;劉松;郭文;趙長宇;何洪斌;趙志奇;張魏
• 申請（專利權）人: 沈陽航空航天大學
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18;F01D5/14
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

一種抑制渦輪葉片尾緣氣膜局部失效的方法，具體為：在葉根后半段劃分出氣膜失效三角區，在區內增設非均勻陣列布置氣膜孔；氣膜失效三角區長度為距葉片尾緣點80％軸向弦長，高度為距葉根35％葉高；氣膜孔橫向間距根據葉片內部縱向氣腔位置進行設定；氣膜孔采用漏斗型漸縮孔結構分為漸縮段和平直段，漸縮段起始于1/3氣膜孔長度處，將氣膜孔進氣口與出氣口直徑比值定義為漸縮比且范圍為1.2～1.8；將氣膜孔軸向與流線方向形成的夾角定義為方位角且范圍為30°～60°；將前排氣膜孔和后排氣膜孔的出氣口中心連線與流線方向形成的夾角定義為偏角，后排氣膜孔按照避開前排氣膜孔偏角在?10°～?15°方向范圍進行布置，其中以指向葉根方向的角度為正。

技術領域

本發明屬于燃氣輪機渦輪轉子葉片冷卻技術領域，特別是涉及一種抑制渦輪葉片尾緣氣膜局部失效的方法。

背景技術

燃氣輪機渦輪是與氣流進行能量交換的葉輪機械，通過渦輪將氣流極高的焓轉變為動能，再通過渦輪轉子葉片轉變為機械能。在高溫高壓燃氣的沖擊下，制造渦輪轉子葉片所采用的金屬材料由于溫度升高導致機械性能急劇下降，對葉片各處進行有效冷卻尤為重要。

渦輪葉片外部通常采用氣膜冷卻，由于渦輪葉片的表面曲率和彎曲程度沿著葉片外徑向逐漸增加，為了在葉片表面形成均勻的氣膜，氣膜孔方位角通常朝向葉頂方向，且吸力面氣膜孔通常采用縱向單排和雙排的布置方式。

然而，吸力面氣膜孔采用縱向單排和雙排的布置方式時，葉根處的氣膜覆蓋效果很差，相關研究表明，燃氣流經渦輪轉子葉片前緣時，分別在葉片兩側卷起馬蹄渦，壓力面馬蹄渦分支與端壁附近的低動量氣流匯合形成通道渦。由于葉片間的流動轉折角在燃氣通道中引起強的橫向壓力梯度，在橫向壓力梯度作用下，通道渦向下游移動過程中離開壓力面前緣，向相鄰葉片吸力面靠近，最終附在吸力面上并流出通道。

但是，吸力面附近的通道渦將轉子葉片根部后半段氣膜卷向葉片中部，使該區域難以被氣膜覆蓋，最終會成為氣膜失效區，而氣膜失效區的流場特性造成葉片氣膜冷卻幾乎無法發揮作用，冷卻效率極低，導致氣膜失效區的葉片結構強度差，在發動機運行過程中，氣膜失效區的葉片結構會逐漸出現裂紋，從而縮短渦輪轉子葉片的使用壽命。

目前，渦輪葉片設計中沒有考慮如何抑制氣膜失效，而解決葉片吸力面氣膜失效問題對高性能燃氣輪機的穩定工作至關重要。

如圖1所示，燃氣流經渦輪轉子葉片前緣時，在葉片兩側分別卷起馬蹄渦，葉片壓力面的馬蹄渦與低能流體匯合發展形成通道渦，由于在橫向壓力梯度作用下通道渦會向下游移動離開葉片壓力面，并向相鄰葉片吸力面靠近發展，在與角渦的共同作用下，最終將葉根后半段氣膜卷向葉片中部，使該區域難以被氣膜覆蓋。

如圖2所示，由于渦輪轉子葉片吸力面上的氣流速度較低，壓力較高，不易產生分離和剝離現象，通常只需在葉片前緣附近設置一排氣膜孔，就能形成穩定的氣膜覆蓋范圍，并覆蓋整個葉片吸力面直至尾緣。然而，通道渦在葉根后半部分對氣膜的卷吸作用逐漸增強，使葉根區域產生近似直角三角形的氣膜失效區域，嚴重影響葉片強度。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種抑制渦輪葉片尾緣氣膜局部失效的方法，在通道渦作用的氣膜失效三角區對氣膜孔進行布置調整，對葉片整體影響較小，通過漏斗型漸縮孔并增加方位角的氣膜孔結構，給氣膜孔出流增加了與通道渦相反的分速度，有效抑制了向葉中的氣膜覆蓋區域偏離，增加了展向和流向的氣膜覆蓋面積；氣膜孔根據氣膜覆蓋偏轉角度進行徑向非等距排列，避免了前排氣膜覆蓋范圍對下一排氣膜孔出流的影響；前排氣膜覆蓋范圍位于下排氣膜孔中間，解決了原氣膜孔中間無氣膜覆蓋的問題。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：一種抑制渦輪葉片尾緣氣膜局部失效的方法，具體為：在葉根后半段劃分出因通道渦對氣膜的卷吸作用而產生的氣膜失效三角區，在氣膜失效三角區內增設非均勻陣列布置氣膜孔。

氣膜失效三角區的長度為距葉片尾緣點80％軸向弦長，氣膜失效三角區的高度為距葉根35％葉高。