[实用新型]一种改善涡轮叶片气膜冷却效率的新型开槽结构

说明书

一种改善涡轮气膜冷却效率的新型开槽结构，其中包括气膜孔、横向开槽和壁面，气膜孔设置在壁面上游区域，横向开槽设置于气膜孔的出口位置，该结构在横向开槽的下游槽壁设置成阶梯状，靠近槽底的阶梯称为第一阶梯，靠近来流的阶梯称为第二阶梯，第一阶梯外形为矩形，其底部与槽底相平，第二阶梯外表面是圆弧面，其最高点与壁面相切；该结构的阶梯展向宽度与横向开槽展向宽度相同，该结构的展向宽度为2D～3D，上游开槽高度为1D～2D，该第一阶梯高度为0.5D～1D，第一阶梯沿主流方向宽度为0.5D～1D，第一阶梯的该第二阶梯圆弧的半径为0.5D～1D。该冷却结构中的阶梯状结构，可以有效改善开槽气膜孔的冷却效率。

技术领域

本实用新型属于涡轮叶片冷却技术领域，具体涉及一种改善涡轮叶片气膜冷却效率的新型开槽结构。

背景技术

燃气轮机影响着现代社会的各个领域，其主要性能指标是系统循环热效率和机组的输出功率，它们都随透平进口温度的增加而增加。随着透平进口温度的提高，涡轮叶片的耐热温度已不能满足其运行要求，现代先进的燃气轮机涡轮进口温度高达2000K左右，已经远超用于制造高温部件的材料的熔点，而且高温部件的材料以及加工费用较高，因此，必须采取行之有效的冷却措施对涡轮叶片进行保护，使其免受高温的破坏。

在诸多冷却技术当中，气膜冷却技术广泛应用于燃气涡轮叶片上，它通过在高温部件表面开设槽缝或者小孔，将冷却介质以横向射流的形式注入到主流当中。在主流的压力与摩擦作用下，射流弯曲并覆盖于高温部件表面，形成温度较低的冷气膜，从而对高温部件起到隔热和冷却作用。

影响气膜冷却效率的因素有很多，其中孔的几何条件(包括孔的形状、孔间距、孔的长径比、孔排数、射流角度)、壁面形状、主流条件对其影响较大。在气膜孔出口位置开设凹槽，气膜孔射流会在凹槽内展向流动，这增加了下游气膜的展向分布，从而增加了下游冷却气膜的覆盖面积，能有效改善气膜冷却效率，申请号为20161022.5的中国发明专利公开了“一种新型气膜冷却开槽结构”，在横向开槽的下游槽壁上开设顺流阶梯以及其两侧对称布置的导流面，增大了下游冷却气膜的覆盖面积，提高了壁面展向气膜冷却效率。这种结构虽然能够改善气膜冷却效率，但是其结构复杂，加工困难，很难应用于实际涡轮叶片中。

实用新型内容

鉴于上述技术中的不足之处，本实用新型解决的问题是提供一种改善涡轮叶片气膜冷却效率的新型开槽结构，该结构能够改善两气膜孔之间的横向冷却效率，提高冷却气膜覆盖的均匀性，增加冷却气膜的覆盖面积，适用于各种类型具有开槽结构的离散孔的气膜冷却技术，且结构简单，易于加工，工艺要求和加工成本较低。

为达到上述目的，本实用新型提出一种改善涡轮叶片气膜冷却效率的新型开槽结构，该结构包括气膜孔、横向开槽和壁面，气膜孔设置在壁面上游区域，横向开槽设置于气膜孔的出口位置，其特征在于该结构在横向开槽的下游槽壁设置成阶梯状，靠近槽底的阶梯称为第一阶梯，靠近来流的阶梯称为第二阶梯，第一阶梯外形为矩形，其底部与槽底相平，第二阶梯外表面是圆弧面，其最高点与壁面相切；所述阶梯展向宽度与横向开槽展向宽度相同，所述结构的展向宽度为2D～3D，上游开槽高度为1D～2D，第一阶梯高度为0.5D～1D，第一阶梯沿主流方向宽度为0.5D～1D，所述第二阶梯圆弧的半径为0.5D～1D。其中D为气膜孔的直径。

进一步地，所述阶梯状结构位于其对应的开槽气膜孔的下游区域。

进一步地，所述阶梯状结构为在展向宽度上对称的结构，且其展向宽度与横向开槽的展向宽度相同。

进一步地，所述气膜孔为圆形孔。

进一步地，设置于壁面上的气膜孔为圆柱直孔，其与主流流向之间的夹角α为10°～40°。

进一步地，第二阶梯的最高点与壁面相切且平顺过渡。