[发明专利]一种端壁气膜孔布置结构

说明书

本发明公开了一种端壁气膜孔布置结构。该结构利用端壁的流动特性对冷却单元进行布置，其气膜孔构型可随意替换，适用于多种吹风比及上游泄漏流存在的情况下的燃机透平第一级静叶端壁以及动叶端壁。通过引入冷却空气，降低端壁表面整体的温度，强化压力面根部的冷却效率，保护叶片防止烧蚀，同时最大程度上减少对端壁流场边界层的破坏，节约冷却空气用量，提升了透平的工作温度极限。整套布置方案结构简单，简化了工艺流程，可以依据上游泄漏流的情况灵活调整，可以通过调整复合角的大小，满足对不同叶片压力面区域的冷却需求，使得整体的设计能够更加具有普适的应用价值，提升多类型透平的工作效率，满足工业生产的需求。

技术领域

本发明属于透平叶片气膜冷却技术领域，特别涉及一种端壁气膜孔布置结构。

背景技术

为了追求高的输出功率和效率，燃气轮机的进口温度在不断提高，透平叶片承受的热负荷也在不断增大。燃气轮机的进口温度目前普遍超过了叶片可承受的温度，因此需要冷却技术来保证燃机的运行安全与寿命。常用的冷却技术包括叶片外部冷却和内部冷却技术。

在众多的冷却方案之中，叶片气膜冷却技术起始于上个世纪五十年代末，经过了半个多世纪的发展，如今已经成为冷却方案中不可或缺的重要环节，在叶片表面离散气膜空的布置方案中，透平端壁由于其位置的特殊，受到复杂的二次流动影响，例如通道涡、马蹄涡等，其冷却比较困难。在目前的设计中，比较常见的冷却方式为在透平的端壁入口开设槽缝，或连续气膜孔，随后，在流道中间的端壁处，布置离散气膜孔，通过调整冷却气膜的流量以及射流角度进行气膜冷却。这种方法受到端壁复杂流动的影响，在叶片端壁的前缘根部和压力面附近区域难以得到有效的冷却气体的覆盖。所以，端壁的冷却技术需要建立在对端壁的流动换热进行充分研究的前提下，在以往的研究中，研究者试图通过端壁表面的传热系数分布，主流等马赫数线以及端壁二次流对端壁气膜孔进行重新布局，虽然从结果上，整个端壁表面都得到了良好的冷气覆盖，但是用于冷却的空气明显过多使用了，同时，气膜孔的布局上结构过于单一，仅仅考虑了端壁本身的条件，没有结合叶栅在透平中的位置进行考虑，在实际的设计应用中，某些冷却孔的作用有待考量。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种端壁气膜孔布置结构，对有上游泄漏流的情况下的燃机透平端壁冷却单元布置进行了重新设计，在不改变气膜孔结构、数量以及供气方式的基础上，利用透平端壁的流动特性，通过调整布置的方式、气膜孔间距等条件提升端壁整体气膜冷却效率，旨在最大程度地节约冷却空气，同时不对端壁原有的冷却条件造成大的影响，保证端壁的流动换热情况受到气膜孔的影响达到最小，减少工质在叶栅中的流动损失，提升透平整体工作效率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种端壁气膜孔布置结构，所述端壁为航空发动机第一级静叶端壁，气膜孔布置成两排，其中第一排气膜孔冷气动量在端壁平面的投影矢量平行于主流方向，覆盖距离下方压力面侧前缘点(0.21～0.53)C_ax的区域，其与二次流动量合成后，形成对端壁压力面侧(0.5～1.0)C_ax位置的气膜覆盖，冷却端壁压力面区域；第二排气膜孔布置于第一排气膜孔与泄漏流形成的气膜间隙，间隙位于上游泄漏流靠近压力面侧边界与压力面型线的中心线两侧各偏移0.06C_ax，宽度0.12C_ax，以形成冷却气膜，达到对端壁整体的气膜覆盖率最高，其中C_ax为轴向弦长。

所述端壁的冷却区域分为泄漏流三角冷却区、二次流冷却区、压力面冷却区和前缘冷却区四个部分，其中，泄漏流三角冷却区指上游泄漏流在端壁表面形成的气膜覆盖区域，在绝热气膜冷却效率云图上显示为冷却效率高于0.3的边界，压力面冷却区是指上游泄漏流靠近压力面侧边界与压力面型线的中心线向压力面侧偏移0.06C_ax，与压力面型线中间的区域，前缘冷却区是指叶片前缘向外偏移0.2C_ax的区域，二次流冷却区是指位于上游泄漏流靠近压力面侧边界与压力面型线的中心线两侧各偏移0.06C_ax，宽度0.12C_ax的区域。