[发明专利]一种具有提高静叶通道端壁冷却效率的槽缝冷却结构

说明书

本发明公开了一种具有提高静叶通道端壁冷却效率的槽缝冷却结构，包括燃烧室出口端壁相对于静叶通道端壁的径向高度差和具有过渡圆角结构的槽缝结构；实际燃气涡轮工作时，从压气机引入的冷却射流进入射流槽，在槽缝与端壁接触段的圆角结构引导下进入叶栅通道的主流区域，因此减小了槽缝冷却射流进入主流时在槽缝出口处的流动分离，同时过渡圆角使槽缝冷却射流进入主流时的入射角变小。此外燃烧室出口端壁和静叶通道端壁存在相对高度使得主流和槽缝冷却射流在槽缝出口处的相互作用明显减弱，因此槽缝冷却射流能够紧贴端壁对下游静叶通道端壁进行充分的冷却保护。

技术领域

本发明涉及一种槽缝冷却结构，特别涉及燃气涡轮燃烧室和静叶之间的具有提高静叶通道端壁冷却效率的槽缝冷却结构。

背景技术

燃气涡轮作为能源转化和利用的主要装置被广泛应用于发电，航空，化工和机械动力领域。随着能源需求的剧增和环境问题的日益突出，燃气涡轮的功率和热效率都随之不断提高，这些都给燃气涡轮的设计提出了更严格的要求。为了应对能源需求的不断增大和能源利用产生的环境污染问题，在燃气涡轮研发和设计中不断提高进口燃气温度显著提高燃气涡轮热效率，同时改进燃烧室的设计使燃气温度分布均匀以降低燃烧中心区域的燃气温度。改进后的设计使第一级静叶端壁附近的燃气温度显著提高，在高温的端壁次流作用下第一级静叶端壁的热负荷显著增大，从而严重影响其使用寿命和对整个燃气涡轮的运行安全产生威胁。

为了降低静叶通道端壁的热负荷，实际燃气涡轮中采用气膜冷却孔和通道端壁的缝隙冷却射流对静叶通道端壁进行冷却保护。此外，涡轮的燃烧室出口和涡轮进口由于各自独立加工，然后组合安装从而不可避免形成一个槽缝冷却结构。设计人员引入压气机高压段的冷气至该槽缝，既对下游静叶通道端壁进行冷却保护又可防止高温燃气入侵，从而对燃气轮机静叶端壁进行冷却保护。实际中常规的槽缝不能对静叶端壁进行充分的冷却保护，这是由于在静叶前缘强烈而复杂的涡系作用下冷却射流脱离端壁面，导致部分端壁区域无法得到冷却保护。大量研究表明：上游燃气的边界层流体在逆压梯度作用下，于静叶前缘上游一定位置处产生流动分离形成马蹄涡，一部分冷却射流被马蹄涡的左右分支卷吸脱离端壁面，另一部分冷却流体被限制在马蹄涡左右分支所形成的区域内。因此相邻马蹄涡左右分支之间的区域具有较高的冷却效率，然而静叶前缘附近及压力面侧附近端壁区域的冷却流体在涡流的作用下脱离端壁面，从而导致该区域的冷却效率极低而承受极高的热负荷。在高温燃气的长期作用下，静叶前缘和压力面侧附近端壁产生烧蚀现象，严重影响燃气涡轮的安全运行和使用寿命。传统燃气涡轮中在前缘附近引入一排离散气膜孔，且气膜孔冷却射流方向与马蹄涡在端壁附近的流动相反从而抑制了马蹄涡的发展同时减弱了在马蹄涡卷吸作用下被带入主流而脱离端壁的冷却射流。图1给出了一种带有燃烧室与涡轮的子午面示意图。燃气涡轮静叶3和燃气涡轮动叶1之间的轮缘密封2对静叶下游端壁进行冷却保护；燃烧室与涡轮间的上端壁槽缝4和燃烧室壁面气膜孔5对燃烧室6内表面进行有效的冷却保护。如图1中传统的槽缝冷却结构8和静叶端壁气膜孔9冷却结构可一定程度提高静叶前缘附近端壁冷却效率，然而静叶前缘及压力面侧附近附近的静叶通道端壁区域10依然无法得到充分的冷却保护。

因此，开发具有提高静叶通道端壁冷却效率的新型槽缝冷却结构对增加燃气涡轮使用寿命，保障静叶前缘附近端壁安全有效地工作具有十分重要的工程应用价值。

发明内容

针对燃气涡轮静叶通道端壁承受极高的热负荷且常规方法无法对静叶前缘和压力面侧附近端壁进行有效冷却的问题，本发明的目的在于提出一种具有提高静叶通道端壁冷却效率的槽缝冷却结构，通过槽缝冷却结构设计显著提高静叶前缘和压力面侧附近端壁的冷却效率从而提高静叶附近端壁的使用寿命且保障静叶前缘附近端壁安全有效地工作。

本发明采用如下技术方案来实现的：