[发明专利]一种用于涡轮叶片的交叉型Y气膜孔冷却结构

说明书

本发明公开了一种用于涡轮叶片的交叉型Y气膜孔冷却结构，是在气膜孔板上沿流向布置两排Y气膜孔，且气膜孔采用交叉型排布；Y气膜孔通过将两个圆柱形气膜孔交叉相贯后延长其交接面而成，两个圆柱形气膜孔的出口均沿展向有一定的倾斜角度。交叉型Y气膜孔冷却结构使得射流更加容易的分向两边，增加射流的展向覆盖，并减小射流的气动损失；通过前后两排Y气膜孔的相互作用，在气膜孔下游形成内卷对涡，使得离开Y气膜孔的冷气紧紧贴覆在近壁面处，对气膜孔下游壁面形成有效保护。Y气膜孔有一个气膜孔入口，在通道中段分为两股冷气，使得Y气膜孔两个出口的出气量更加均匀，Y气膜孔具有结构简单，易于加工，且气膜覆盖效果好的特点。

技术领域

本发明涉及燃气轮机涡轮叶片的冷却技术领域，具体地说，涉及一种用于涡轮叶片的交叉型Y气膜孔冷却结构。

技术背景

燃气轮机自问世以来，经过几十年的发展广泛应用于工业中。在工业应用中，设计者们根据工程热力循环原理逐渐提高了涡轮前温度，这使得燃气轮机的性能得到了有效提升。但是受限于涡轮叶片材料的耐热程度，涡轮前的温度达到了一个瓶颈，因此，必须对涡轮叶片进行有效的冷却才能保证燃气轮机安全高效地工作。气膜冷却作为一种外部冷却方式被广泛应用于涡轮叶片的冷却设计中。气膜冷却的基本原理:在高温部件上开缝槽或者小孔，沿一定方向向主流喷入冷气，在主流的压力和摩擦力作用下，射流弯曲覆盖于高温部件表面，形成温度较低的冷气膜，将壁面同高温燃气隔离，并带走部分高温燃气或明亮火焰对壁面的辐射热量，从而对壁面起到良好的保护作用。

最初应用在涡轮叶片上的气膜冷却孔是圆柱孔，Eckert等人较早地对圆柱气膜孔的冷却效果进行了实验研究，发现带有复合角的圆柱孔具有良好的气膜冷却效果。随着研究工作的深入，国内外学者发现圆柱孔由于其结构局限性，冷气流的展向覆盖效果不好；而且由于从圆柱孔射出的冷流法向动量较大，导致射流在近壁面处冷却效果较差。基于此，国内外关于孔型的研究集中在异型孔上。Goldstein等学者研究发现扇形孔可降低冷气流的法向动量，增大了冷气在涡轮叶片表面的覆盖面积，最终改善了气膜冷却效率。为了更进一步提高气膜冷却效果，收缩扩张孔的冷却孔结构也被提出。值得注意的是，异型孔提供高冷却效率的同时也增加了气动损失。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种用于涡轮叶片的交叉型Y气膜孔冷却结构；该结构可继续提高射流的展向覆盖，并减小射流的气动损失，使得离开气膜孔的冷气紧紧贴覆在近壁面处，提升不同气膜孔出口的出气量均匀性，且易于加工制造。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括气膜孔板、上游Y气膜孔、下游Y气膜孔、圆柱气膜孔、压力面交叉型Y气膜孔、吸力面交叉型Y气膜孔、内冷通道，在涡轮叶片压力面上设有压力面交叉型Y气膜孔，在涡轮叶片吸力面上设有吸力面交叉型Y气膜孔，压力面交叉型Y气膜孔和吸力面交叉型Y气膜孔的两端分别形成气流的出口和入口，且与内冷却通道相通，其特征在于在气膜孔板上沿流向布置两排Y气膜孔，且两排气膜孔采用交叉型排布，Y气膜孔是通过将两个圆柱形气膜孔交叉相贯后延长其交接面而成，两个圆柱形气膜孔的出口均沿展向有一定的倾斜角度，上游Y气膜孔两个孔出口中心点的距离为W,下游Y气膜孔两个孔出口中心点的距离为V，其中W的值大于等于V的值；上游Y气膜孔与下游Y气膜孔的流向间距为P；上游Y气膜孔的展向间距与下游Y气膜孔的展向间距均为S；上游Y气膜孔和下游Y气膜孔的圆柱孔交叉中心点的展向距离为0.5S；圆柱气膜孔的最小截面当量直径D_f，取值范围为0.5～1.5mm。

所述上游Y气膜孔的两个圆柱气膜孔交叉角度为α，取值范围为45～95°，上游Y气膜孔流向倾角θ的取值范围为30～60°，下游Y气膜孔的两个圆柱气膜孔交叉角度为β，取值范围为40～90°，下游Y气膜孔的流向倾角γ的取值范围为30～60°。

所述上游Y气膜孔与下游Y气膜孔的流向间距为P，其范围为2D_f～5D_f，上游Y气膜孔与下游Y气膜孔的展向间距均为S，其范围为4D_f～8D_f。