[发明专利]一种用于涡轮端壁的槽缝射流气膜冷却结构

说明书

本发明是一种用于涡轮端壁的槽缝射流气膜冷却结构，属于燃气轮机涡轮导叶端壁的冷却领域；该冷却结构是在端壁上游的后向台阶的台阶面设置射流气膜孔而成。射流角度与端壁表面平行，并紧靠端壁表面。为了保证结构强度，要求气膜孔入口直径D_f小于三分之二的台阶高度。平行于端壁表面的槽缝射流孔只有切向的射流速度，避免大量冷却气流直接射入主流造成冷气损失；另外，高动量槽缝射流冷气极大的削弱了叶片前缘的马蹄涡，使射流更好地贴覆壁面。与此同时，槽缝冷气射流还冲破了台阶下游形成的气体回流死区，避免了台阶下游处在一个高温区域，形成气膜对涡轮端壁表面的保护。

技术领域

本发明属于燃气轮机涡轮导叶端壁的冷却领域，具体涉及一种用于涡轮端壁的槽缝射流气膜冷却结构。

背景技术

随着燃气轮机性能的改善,涡轮入口温度不断提高,现如今一些先进发动机的涡轮前进口温度已经达到2000K以上，因此，必须使用有效的冷却措施对涡轮导叶端壁进行保护，避免端壁受到高温腐蚀和损伤。气膜冷却是端壁上使用的典型冷却方式之一。气膜冷却就是在壁面附近以一定角度射入一股低温气流，用以将高温燃体与壁面隔离，达到对受热壁面的冷却保护作用。

在端壁表面上排布圆柱形气膜孔是普遍的冷却方式，得到了广泛的应用和研究。但是在随后的研究中发现圆柱孔所形成的气膜无法对孔间区域形成冷却保护，射流气体抬高使得近壁面无法形成气膜覆盖。随着气膜冷却技术的发展发现，扇形气膜孔在展向的延伸，可显著改善孔间区域壁面的冷却效果，但较少布置在端壁上游靠近叶片前缘的区域，由于该位置具有较强的静压分布，因而很多学者通过利用端壁与燃烧室之间的热间隙结构，如泄漏流、槽缝流来改善端壁上游的气膜冷却效果。相继提出了不同的泄漏槽宽带和射流角度以及泄漏槽到叶片前缘距离的泄漏冷却结构，但是受到射流气体抬高，造成动量损失，射流的切向速度并没有得到明显改善。槽缝射流与端壁表面相切，解决了射流气体抬高的问题，但是相对较大的槽缝间隙降低了冷气的射流动量对涡轮端壁冷却效率的提高并不明显。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于涡轮端壁的槽缝射流气膜冷却结构，能够提高槽缝冷气的射流动量，以及降低端壁表面涡系的影响，使得射流在端壁上游表面处形成有效的气膜。

本发明的技术方案是：一种用于涡轮端壁的槽缝射流气膜冷却结构，其特征在于：在叶栅上游的后向台阶1内部均布若干射流气膜孔2，作为冷却气流的通道；所述射流气膜孔2的轴向与待冷却平面3平行，其出口与后向台阶1的台阶面平齐；且保证冷却气流的射流方向与主流气流的流动方向相同；

所述射流气膜孔2入口截面为圆形，当量直径为D_f；其出口截面为圆形或椭圆形，出口的短直径为D_f1，出口的长直径为D_f2；所述后向台阶1高度为H，射流气膜孔2的展向间距为P。

本发明的进一步技术方案是：所述射流气膜孔2入口当量直径D_f取值范围为

0.5-2mm，出口短直径D_f1取值范围为0.5D_f-1D_f，气膜孔2出口长直径D_f2取值范围为1D_f-1.5D_f。

本发明的进一步技术方案是：所述射流气膜孔2的D_f＝D_f1＝D_f2时，为圆柱形气膜孔；当D_f≤D_f1＜D_f2，为扩张形气膜孔；当D_f1＜D_f2，D_f＞D_f1，D_f＜D_f2时，为收缩扩张形气膜孔。