[发明专利]带有D形微群气膜冷却孔的涡轮叶片端壁结构及其方法和燃气涡轮

说明书

一种带有D形微群气膜冷却孔的涡轮叶片端壁结构，包括涡轮叶片，涡轮叶片上端壁，涡轮叶片下端壁，端壁上的常规气膜冷却孔，近压力面侧的D形微群气膜冷却孔，其中，近压力面侧的D形微群气膜冷却孔是由多排D形的微气膜冷却孔组成，每排D形的微气膜冷却孔包括多个D形的微气膜冷却孔，其中，D形的微气膜冷却孔由微孔圆柱段和微孔扩张段组成。

技术领域

本发明涉及燃气轮机涡轮叶片冷却技术，具体涉及一种带有D形微群气膜冷却孔的涡轮叶片端壁结构及其制备方法和燃气涡轮。

背景技术

现代燃气涡轮高功率、高效率和长运行寿命的要求使其进口温度不断攀升同时燃烧室的改进设计使燃气温度在涡轮进口分布更均匀以降低中心温度，这都使燃气涡轮叶片端壁表面热负荷明显增大。为了对高温涡轮叶片端壁进行有效的保护，除了耐高温材料的发展以外，必须对其采取高效的冷却措施。气膜冷却一方面可以对涡轮叶片端壁表面进行冷却，另一方面可以隔绝高温燃气，在众多的冷却技术当中，气膜冷却占有极其重要的地位。气膜冷却技术虽然已经快速发展了几十年，但是随着涡轮前燃气温度的快速提高以及研究手段不断发展，气膜冷却技术的相关研究仍处于蓬勃发展的阶段。

在涡轮叶片端壁流动结构上，相邻叶栅的马蹄涡在压力面和吸力面侧的左右分支在吸力面侧下游相互作用，马蹄涡压力面侧分支卷吸部分低动量主流从而产生通道涡。叶栅通道内边界层速度分布和叶片上速度滞止迫使气流流向端壁产生卷吸作用产生前缘马蹄涡的两个分支。此外，叶栅通道中主流的流动方向偏转在叶栅通道中间产生较大的横向压力梯度从而影响马蹄涡左右分支的移动方向和通道内近端壁区域的气流方向。在这一横向压力梯度的作用下，压力面上气流朝下运动而吸力面上气流朝上运动，这样使得目前涡轮叶片端壁区域的气膜冷却大多偏向于吸力面侧，而近压力面区域的冷却有所不足。

传统圆柱形气膜冷却孔是气膜冷却的基础孔型，相对于没有气膜冷却的情况，传统圆柱形气膜冷却孔的应用显著提高了涡轮叶片端壁的冷却效果。但是在大吹风比工况下，圆柱形气膜冷却孔产生的射流的法向动量比较集中，易于穿透主流使得气膜脱离壁面；虽然在小吹风比下这个问题有所改善，但由于圆柱孔射流的展向覆盖范围有限，冷气的有效利用率仍然较低。近些年来，研究学者们大多是通过改进孔型结构来提高气膜在壁面的覆盖效果。但是复杂的异形气膜孔从加工难度、应用成熟度、端壁结构强度等因素却大多不如圆柱形气膜冷却孔，如分叉孔、姊妹孔、交叉双孔、簸箕形孔等在一定程度上减弱了涡轮叶片强度，收缩缝形孔、腰形缝孔、月牙形孔的加工难度很大，从加工工艺的成熟度上考虑是无法实际应用的。

发明内容

本发明提供了一种带有D形微群气膜冷却孔的涡轮叶片端壁结构，解决了现有技术中涡轮叶片端壁的近压力面区域冷却不足，以及异形气膜冷却孔在涡轮叶片端壁冷却结构的应用设计阶段中对端壁结构强度的考虑不足，以及加工工艺困难的问题，同时有效解决圆柱形气膜冷却孔冷却效果较差的问题。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：一种带有D形微群气膜冷却孔的涡轮叶片端壁结构，其特征为：所述D形微群气膜冷却孔位于涡轮叶片端壁的近压力面区域，所述D形微群气膜冷却孔是由多排D形的微气膜冷却孔组成，每排D形的微气膜冷却孔包括多个D形的微气膜冷却孔。

优选为：所述D形微气膜冷却孔是由微孔圆柱段和微孔扩张段组成。

优选为：所述D形微气膜孔的流向沿轴线z轴方向，与气膜孔流向垂直的气膜孔截面为x-y平面。

优选为：所述微孔圆柱段具有流向（z方向）长度L1，所述微孔圆柱段的x-y截面的为直径d1的圆形截面，所述微孔扩张段具有流向（z方向）长度L2，所述微孔扩张段由x-y截面直径为d1的圆形截面入口扩张为x-y截面直径为d2的圆形截面出口，在出口直径为d2的圆形截面上，从同心圆直径d1的边缘，沿流向（z方向）向下切除扩张段，形成微孔扩张段的D形截面出口。

优选为：所述微孔扩张段的入口通过直径为d1的圆形截面与微孔圆柱段相连接，所述微孔扩张段的扩张方向为D形截面的圆弧方向，其扩张方向与主流流动流向一致。