[发明专利]一种提高开槽孔下游横向气膜冷却效率的盖式结构

说明书

技术领域

本发明涉及燃气轮机内部叶片冷却技术领域，具体涉及一种提高开槽孔下游横向气膜冷却效率的盖式结构。

背景技术

燃气轮机作为一种重要的动力装置，被广泛应用于航空航天、化工、车辆、发电等多种领域。燃气轮机的发展标志着一个国家的科技水平、军事实力和综合实力。燃气轮机的热效率与输出功率主要受燃气温度的影响，现阶段主要从不断研制耐高温的材料和采用冷却技术两方面提高燃气轮机的入口初始温度。但是由于受到耐高温材料发展的限制，因此必须采用有效的冷却手段来防止燃气轮机的热端部件受损。气膜冷却在现阶段是有效的冷却方法之一，被广泛应用于燃气轮机领域。

采用在下游壁面布置凸起的开槽孔冷却技术，被用于燃气轮机内透平叶片的保护。横向开槽能有效减小冷却气对主流的穿透力，有效提高气膜冷却的效率，降低壁面与燃气的换热系数，减小表面热流比，采用合理的结构能有效提高气膜孔下游壁面横向和纵向的气膜冷却效率。现阶段主要在两个方面来提高透平叶片气膜冷却效率：一是在开设气膜孔的基础上采用横向开槽结构来达到提高冷却效果的目的；二是在气膜孔下游壁面布置某种凸起结构，通过不同结构的凸起来增加下游壁面冷却气膜横向覆盖面积和冷却效果。如专利号为200710017790.4的中国专利提出了一种开槽气膜冷却孔结构，当吹风比大于1.0的工况时，气膜冷却效果明显降低，对气膜孔下游壁面的横向保护有限。中国专利(专利号为201010106756.6)提出了一种提高离散孔气膜冷却效率的结构，该结构没有考虑到横向开槽气膜冷却对壁面冷却的叠加作用，下游凸起不但和壁面是一体的，同时离气膜孔较近，阻碍了冷却气向下游壁面的流动，凸起抬高冷却气，使凸起附近一定范围内的壁面暴露在高温燃气中，降低了冷却气膜对壁面的保护作用。申请人在先申请专利(201520094208.4)提出一种提高开槽气膜孔下游壁面气膜冷却效率的结构，该结构具有横向开槽和凸起，但该专利尚存在以下不足：该专利所设凸起不能充分地收集到离壁面较远处的冷却气，该部分冷却气遇到凸起时有所抬升，降低了凸起附近壁面的冷却效率。

发明内容

针对现有设计的不足，本发明提出一种提高开槽孔下游横向气膜冷却效率的盖式结构。该结构能充分地收集到离壁面较远处的冷却气，使这部分冷却气遇到凸起时不会发生抬升，避免了凸起附近壁面的冷却效率的降低，可提高离散孔气膜冷却对下游壁面横向冷却效果，增大冷却气膜对下游壁面的覆盖面积，有效提高燃气轮机内透平叶片气膜孔下游壁面横向冷却效果。适用于所有带有开槽结构的离散孔分布形式的气膜冷却技术。

本发明所采用的技术方案是：提供一种提高开槽孔下游横向气膜冷却效率的盖式结构，包括气膜孔、横向开槽、壁面、凸起和封顶，壁面上游区域设有气膜孔，横向开槽开设在气膜孔出气口处，凸起在壁面的下游区域；凸起以过气膜孔出气口中心的壁面中心线为轴对称分布；凸起迎着气膜孔出气口的为凸起进气口，相反方向为凸起出气口，凸起迎向气膜孔出气口的型线为迎风线，背对着气膜孔出气口的型线为背压型线，所述背压型线是向壁面下游方向凸出的型线；凸起进气口的长度与气膜孔的孔径的比值为2.0-5.0，凸起进气口的长度是凸起出气口长度的1.5-5.0倍；凸起进气口到气膜孔出气口中心的距离是气膜孔的孔径的10-30倍；所述凸起的高度与气膜孔的孔径的比为0.25-3.0；其特征在于该结构还包括封顶，封顶覆盖在凸起上，所述封顶的两侧分别与凸起的顶部固定连接，封顶的厚度不大于1/5的气膜孔的孔径。

申请人的在先专利技术(专利号为201520094208.4)提出一种提高开槽气膜孔下游壁面气膜冷却效率的结构。与之相比，本发明在横向开槽气膜冷却孔的基础上在下游壁面布置了一个封顶的凸起，即在现有的凸起上部覆盖封顶，封顶两侧与凸起的顶部固定连接。该结构能够对上游横向和纵向冷却气起到收集的作用，防止冷却气因遇到壁面凸起结构而被直接抬离，提高了凸起上游及附近的壁面气膜冷却效果，冷却气经过该凸起后会有一个扩充和收集作用，增大冷却气对下游壁面的覆盖面积。本发明结构不会由于凸起抬高冷却气而降低壁面冷却效果，此外，由于凸起有进气口和出气口且正对冷却气的来流方向，对冷却气不会造成太大的流动损失，且增强了横向壁面气膜冷却效率，在吹风比大于1.0时冷却气对壁面仍有良好的冷却效果。实验结果表明，本发明通过采用盖式的凸起结构，能使其壁面冷却效率整体显著提高，相对申请人之前的无盖的凸起结构冷却效率平均增加了13.1％。

本发明结构还具有加工简单、成本低廉等特点，适用于对燃气透平叶片及端壁的冷却保护，更能满足实际工程的需要。

附图说明