[发明专利]一种离散气膜冷却孔

说明书

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，是一种离散气膜冷却孔，可以显著提高燃气涡轮叶片的气膜冷却效率和横向气膜覆盖，减小气膜冷却的掺混损失，适用于燃气涡轮叶片通道中需要冷却的表面。

背景技术

燃气轮机广泛应用于航空、军事、交通、电力等领域，为了提高整机效率，燃气轮机的涡轮进口温度越来越高，现已远超涡轮叶片合金材料的耐温极限。离散孔气膜冷却是当前普遍采用的高效冷却技术，广泛应用于燃气轮机涡轮叶片以及缘板冷却。其基本原理是从压气机引入冷却空气至涡轮叶片，冷却空气通过密布于叶片上的离散气膜孔流出并覆盖于叶片表面，从而达到隔绝热主流与金属叶片表面的目的，降低叶片表面温度，从而保证叶片的运行可靠性。

离散孔气膜冷却最常用的冷却孔是圆柱孔，圆柱孔具有结构简单、不影响叶片强度、加工容易等优点，因此在燃气涡轮叶片上应用广泛。但随着涡轮进口温度的逐步提高，圆柱孔气膜冷却效率偏低、气膜覆盖面积小、不适于高吹风比、掺混损失较大等缺点越来越明显，除叶片前缘区外，目前先进燃气涡轮叶片上(吸力面、压力面、端壁)已很少采用圆柱孔气膜冷却。

近年来，为了改善圆柱孔的缺陷，国内外研究者陆续提出了多种新颖的气膜冷却孔，以提高气膜冷却效果。比如，扩张孔、双喷射孔、姐妹孔、沟槽孔、收缩槽孔等。上述冷却孔均比圆柱孔大幅提高了气膜冷却效率，其中扩张孔是最成功的冷却孔，已应用于多种实际的燃气涡轮叶片。总体上看，目前所提出的各种改进型气膜冷却孔几乎均以圆柱孔为基础，即冷却孔的冷气进口端基本都是圆柱孔，改进部分主要是针对气膜孔的出口端进行。因此，目前绝大部分冷却孔均可认为是基于圆柱孔的改进。

实际上，气膜冷却还有一种典型结构，即二维连续槽结构，是气膜冷却概念最早提出时使用的原始结构，后来为了便于实际应用且不影响叶片强度，连续槽结构逐渐发展为离散化的孔，由于结构简单并且易于加工，圆柱型孔成为普遍使用的冷却孔，这也是当前绝大多数改进型高效气膜冷却孔的进气侧仍采用圆柱孔的原因。然而，从冷却效果来看，连续槽结构的气膜冷却效果要明显优于离散化的以圆柱孔为基础的各种冷却孔，只是由于连续槽在制造、结构、布置等方面的一些问题，限制了其在涡轮冷却叶片上的使用，但槽型结构这一基本结构可以用来发展更加高效的冷却孔。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明公开一种离散气膜冷却孔，用以提高离散孔气膜冷却的冷却效果，增大气膜覆盖面积，并减少气膜冷却的掺混损失。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种离散气膜冷却孔，用于燃气涡轮叶片叶身或叶片上下缘板的气膜冷却，该冷却孔沿冷气流向分为平直段和扩张段两部分，平直段位于冷气进口侧，扩张段位于冷气出口侧，平直段横截面整体呈矩形，且长宽比大于2，平直段的长度与该冷却孔总长度之比Lt/L在1/3至2/3之间。

上述方案中，所述平直段横截面矩形的长宽比是在2至6之间。

上述方案中，所述平直段横截面矩形的四角有或无导圆，导圆的半径是在0至0.5倍平直段宽度W1之间。

上述方案中，所述扩张段两侧具有横向扩张角，冷气出口侧具有前扩张角，横向扩张角在10-30度之间，前扩张角在0-10度之间。

上述方案中，以直径为D的普通圆柱孔为基准，该冷却孔平直段的矩形横截面积与该普通圆柱孔的圆形横截面积相当，平直段宽度W1为该普通圆柱孔直径D的0.4-0.7倍。

上述方案中，该冷却孔适用的喷射角α范围在30-70度之间。

上述方案中，在使用时，多个所述离散气膜冷却孔之间的横向孔间距为S，S与基准普通圆柱孔径D的比值S/D不小于5。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的离散气膜冷却孔，是将二维连续槽离散化，将二维连续槽分成多个离散的矩形段，作为冷气进气口，单个冷却孔沿冷气流向的前半段为平直的，利于冷气进入孔后保持流动方向，单个冷却孔沿冷气流向的后半段为扩张型，目的是扩大出口冷气的横向宽度，同时减小冷气出口动量，有利于气膜贴附。

2、本发明提供的离散气膜冷却孔，有别于目前已知的气膜冷却孔，具有的优点如下：一是气膜横向覆盖宽，横向平均气膜冷却效率高；二是适用于高吹风比条件，出口面积大，冷气出口动量低，冷气不易吹离壁面；三是出口下游涡系弱，气动掺混损失很小；四是工艺性好，以现有加工技术，易于在实际涡轮叶片上实现。

附图说明

图1a为现有的普通圆柱孔几何结构；