[发明专利]一种带鱼尾形扰流柱的网格缝冷却结构

说明书

本发明公开了一种带鱼尾形扰流柱的网格缝冷却结构，涉及燃气轮机冷却技术，用于燃气轮机涡轮叶片冷却。该冷却结构通过在二维网格缝设置鱼尾形扰流柱、在出口布置双斜面出口而成；其包括进气腔，唇板，底板，鱼尾形扰流柱，唇板导流斜面和底板导流斜面各部件。其中鱼尾形扰流柱后端的鱼尾形结构根据仿生学设计，可大大减弱常规圆柱扰流柱后的流动分离和回流涡，进而减小网格缝通道内的流动阻力。唇板倒流斜面可消除网格缝结构出口的回流涡现象，减小出口处的流动阻力。唇板与底板形成的双斜面出气通道降低气流的法向动量，导流斜面拐角处的倒圆增强了冷气的贴壁性，冷气流经网格缝结构后在下游形成覆盖并对叶片起到保护作用。

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，涉及一种带鱼尾形扰流柱的网格缝冷却结构。

技术背景

燃气轮机作为一种复杂且精细的机械装置被广泛应用在工业生产领域，常常用作飞机轮船的动力输出设备，是目前工业体系中不可或缺的组成部分。根据热力学原理可知，提高燃气轮机涡轮进口温度可有效提高其工作功率和效率，但是这又受到涡轮叶片材料耐热极限的限制，为了兼顾叶片的安全性和燃气轮机的高效性，必须对涡轮叶片进行冷却。气膜冷却作为一种外部冷却方式被广泛应用于燃气轮机的高温部件冷却结构设计中，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离散圆柱孔，Eckert(Film coolingfollowing injection through inclined circular tubes,Israel Journal ofTechnology,8(1-2))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(Effects of hole geometry and density on threedimensional filmcooling,International Journal of Heat&Mass Transfer,17(5),pp.595-607)研究发现扇形孔可以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。根据学者们的研究结论可以看出，现有的离散圆柱孔无法有效满足冷气在涡轮叶片表明均匀贴覆(A Review of Shaped Hole Turbine Film-Cooling Technology[J].Journal of Heat Transfer,2005,127(4):441-453)，在圆孔基础上改进的各种出口扩张孔也存在冷却“死区”。