一種提高離散孔氣膜冷卻效率的結構的製作方法
2023-11-10 20:13:02 1
專利名稱：一種提高離散孔氣膜冷卻效率的結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃氣輪機技術領域，是一種離散孔氣膜冷卻的新結構，可提高燃氣輪 機渦輪葉片以及燃燒室壁面的氣膜冷卻效率，適用於所有類型的離散孔形式的氣膜冷卻。
背景技術：
離散孔氣膜冷卻作為一種高效的冷卻技術，廣泛應用於燃氣輪機渦輪葉片以及燃 燒室壁面冷卻。其基本原理是冷卻空氣通過氣膜孔流出，使得冷卻空氣覆蓋於葉片表面，從 而達到隔絕熱主流與金屬葉片表面的目的。離散孔形式的氣膜冷卻通常在孔與孔之間(橫 向)的冷卻效率較低，在孔間距較大時，孔間的冷卻效率下降很快。對於離散孔氣膜冷卻， 提高冷卻效率的核心問題之一是增加橫向氣膜覆蓋並提高橫向平均的氣膜冷卻效率。現有 技術所採用的方法一般是通過較近的孔間距或擴大孔出口的橫向尺寸達到。以往離散氣膜 冷卻結構的改進側重在氣膜孔形狀的改進，如採用非圓柱形的擴散孔等所謂異型孔。
發明內容
本發明的目的是公開一種提高離散孔氣膜冷卻效率的結構，以提高離散孔氣膜冷 卻的橫向氣膜覆蓋及橫向平均的氣膜冷卻效率。為達到上述目的，本發明的技術解決方案是一種提高離散孔氣膜冷卻效率的結構，用於燃氣輪機渦輪葉片或燃燒室的氣膜冷 卻，包括壁表面上的氣膜孔；其還包括下遊凸起結構，凸起橫向設置，凸起的前部為進氣邊、 後部為出氣邊，凸起進氣邊距氣膜孔出口後邊緣有一距離λ，距離λ與氣膜孔徑D的比值 λ /D在0. 5-1. 0之間；凸起高度H與氣膜孔直徑D的比值H/D在1/4-1/2之間。所述的提高離散孔氣膜冷卻效率的結構，其所述凸起為月牙型或拓撲相似結構， 進氣邊呈前凸、出氣邊呈前凹；凸起進氣邊與出氣邊之間的距離為δ，距離δ與凸起的長度L的比δ/L在0-1 之間，優選為0.5左右。所述的提高離散孔氣膜冷卻效率的結構，其所述氣膜孔，為圓柱形或非圓柱形離 散氣膜孔；氣膜孔間距y/D在3-8之間；氣膜冷卻吹風比在0. 5-1. 5之間，適用於任何順壓 梯度的表面。所述的提高離散孔氣膜冷卻效率的結構，其所述凸起的寬度W與氣膜孔直徑D的 比W/D在1. 5-2. 5之間，氣膜孔間距y/D小則W/D比值向下限靠近，孔間距y/D大則W/D向 上限靠近。所述的提高離散孔氣膜冷卻效率的結構，其所述凸起的長寬比L/W在0. 6-1. 2之 間。本發明的提高離散孔氣膜冷卻效率的結構，採用在氣膜孔出口後的近下遊放置一 個較低高度的月牙型凸起的方法，通過強制氣膜冷氣橫向擴展，並改變氣膜冷卻流動固有 的漩渦結構，進而提高整個下遊的氣膜覆蓋率及橫向平均冷卻效率。
本發明的提高離散孔氣膜冷卻效率的結構，是一種在氣膜孔後的被冷卻表面上增 加一個較低高度的月牙型凸起的方法，有別於以往的其它方法，此結構形式簡單、效果明 顯、實施方便，同時由於凸起尺寸小，氣動損失增加不大。
圖1為本發明的一種提高離散孔氣膜冷卻效率的結構示意圖；其中圖Ia為本發明的一種提高離散孔氣膜冷卻效率的俯視圖；圖Ib為本發明的一種提高離散孔氣膜冷卻效率的側視圖；圖2為本發明的凸起提高氣膜橫向覆蓋及增加氣膜冷卻效率的基本原理示意圖；圖3為本發明通過氣膜孔中心線橫向截面的氣膜冷卻效率分布圖；其中圖3a無凸起；圖北有凸起；圖4為本發明被冷卻表面的氣膜冷卻效率分布圖；其中圖乜無凸起；圖4b有凸起；圖5為本發明氣膜孔下遊6個流向截面的冷卻效率分布圖；其中圖fe無凸起；圖釙有凸起；圖6為本發明氣膜孔下遊x/D = 10流向截面的速度矢量流線圖；其中圖6a為無凸起2的下遊x/D = 10流向截面速度矢量流線圖；圖6b為本發明有凸起2的下遊x/D = 10流向截面速度矢量流線圖；圖7是有無凸起時氣膜孔下遊橫向平均的冷卻效率對比圖；圖8是有無凸起時氣膜孔中心線冷卻效率對比圖(孔間距y/D = 5，吹風比為 1. 0)；圖9為本發明中典型的與月牙型凸起拓撲相似的結構變形示意圖；其中圖9a為月牙型凸起，其中凸起的進氣邊線和出氣邊線為曲線；圖9b為與月牙形凸起拓撲相似的結構，其中凸起的進氣邊線和出氣邊線為直線。
具體實施例方式如圖1所示，為本發明的一種提高離散孔氣膜冷卻效率的結構示意圖，其中，氣膜 孔1、凸起2、表面3。由圖1示出了氣膜孔1下遊月牙型凸起2的結構參數定義。凸起2的 長、寬、高分別用L、W、H表示。氣膜孔1直徑用D表示。幾個主要流動方向分別用坐標X、 Y、Z示出，X為流向，Y為橫向，Z為徑向。凸起2距氣膜孔1出氣邊的流向距離用λ表示。 凸起2的最大厚度用δ表示。另外，凸起2沿流向上遊一側的型線定義為凸起2的進氣邊 線21，下遊一側的型線定義為凸起2的出氣邊線22。在緊鄰氣膜孔1後部放置月牙型凸起2，有利於擴大下遊壁面的氣膜覆蓋率，並提 高橫向平均的氣膜冷卻效率。此結構形式的重點在於凸起2的高度、長度、寬度、最大厚度、 距氣膜孔1出口邊距離、以及進、出氣邊型線21、22，這些參數決定了冷氣的橫向擴展程度、 旋渦強度、以及冷卻效率。
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凸起2高度H 凸起2高度H與氣膜孔1直徑D的比H/D應在1/4-1/2之間，具體 高度H受氣膜冷卻吹風比影響，吹風比較大時高度H可以相應較大，吹風比較小時高度H相 應較小。凸起2高度H的設置原則是第一，不超過氣膜孔1所噴射的冷氣高度，以使得凸 起2本身完全被氣膜冷氣覆蓋，否則凸起2容易暴露於熱主流中；第二，在不超過氣膜孔1 噴射冷氣高度的原則下，凸起2頂部應距氣膜孔1噴射冷氣的最大高度有距離，以使得氣膜 冷氣不完全沿凸起2的橫向擴展，主要目的是保持氣膜孔1中心線下遊的冷氣量足夠供應 腎型渦對使用，腎型渦對再將此部分冷氣沿橫向卷吸，提高橫向氣膜冷卻效率，這是此結構 的主要作用之一；第三，凸起2高度H可以決定腎型渦對在凸起2出氣邊22的橫向距離，可 以根據需求調整。凸起2寬度W 凸起2寬度W與孔徑D比W/D應在1. 5-2. 5之間，寬度W太小則作 用減弱或改變，寬度W太大則最外側容易暴露於主流。在上述寬度範圍內，具體設置可根據 孔間距進行相應調整。孔間距小則寬度W/孔徑D比可向下限靠近，孔間距大則可向上限靠 近。凸起2長度L 凸起2的長寬比L/W應在0. 6-1. 2之間，長寬比L/W太小或太大均
導致效果變差。凸起2最大厚度δ 最大厚度δ與凸起2長度L的比δ/L可在0-1之間變化， 一般取0. 5左右。較小時近下遊冷卻效果好，較大時遠下遊冷卻效率稍高。凸起2進、出氣邊線21、22 首先，應以氣膜孔1中心線為軸左右對稱，且曲率不易 過大，也可為直線。其次，頭部可採用鈍頭體，以使凸起2本身具有一定衝角適應性。如果 頭部為尖體，則對噴射冷氣的方向性要求較高。凸起2距氣膜孔1距離λ 距離λ與孔徑D比λ /D應在0. 5-1. 0範圍變化。太 小則可能影響氣膜孔1的加工，太大則作用明顯減弱。圖2是本發明的凸起2提高氣膜橫向覆蓋及增加氣膜冷卻效率的基本原理示意 圖。冷氣從氣膜孔1噴射出後，下遊的月牙型凸起2有如下作用一是將冷氣橫向擴展的 作用。氣膜孔1噴射的部分冷氣(主要是噴射體下側的冷氣)被擴張型凸起2強制橫向運 動，從而增加了下遊的橫向氣膜覆蓋；二是消除固有的氣膜孔1出口腎型渦對的作用。眾 所周知，氣膜孔1出口冷氣固有的腎型渦對的旋轉方向是從壁表面3向上對旋(見圖6a)， 此旋轉方向不利於氣膜覆蓋於被冷卻表面3。在放置凸起2後，冷氣①和②實際上主要是 原有的腎型渦對，在經過凸起2的擴張作用後，此渦對在凸起2的出口邊消失；三是新腎型 渦對的形成作用。冷氣繞流凸起2的進氣邊21時，由於粘性作用和表面3摩擦，會形成新 的旋轉方向與原有腎型渦對相反的渦對，如圖中黑色箭頭所指。此渦對的旋轉方向更有利 於冷氣的橫向擴展；四是增強冷氣利用率的作用。圖中的冷氣③實際上包含絕大部分氣膜 孔1出口冷氣，此部分冷氣在徑向繞過凸起2後，在主流的作用下將被重新壓制到表面3附 近，並被新形成的腎型渦對所利用，渦對在向下遊的發展中，將不斷地卷吸這部分冷氣用於 氣膜的橫向擴展，因此橫向平均的氣膜冷卻效率將提高，這是凸起2結構的關鍵作用。很顯 然，凸起2高度H不應超過氣膜在徑向的噴射高度，否則凸起2將只有橫向擴展作用，較低 的凸起2高度H是本發明的關鍵參數。圖3是通過氣膜孔1中心線橫向截面的氣膜冷卻效率分布圖，其中，圖3a為無凸 起2的橫向截面氣膜冷卻效率分布圖，圖: 為本發明有凸起2的橫向截面氣膜冷卻效率分布圖。與無凸起2相比，有凸起2時氣膜冷氣在繞過凸起2後有很強的重新貼附於壁面的 趨勢。配合圖2所指出的新產生的腎型渦對，氣膜不僅更貼附於壁面且更容易橫向擴展。圖4是被冷卻表面3的氣膜冷卻效率分布圖，其中，圖如為無凸起2的表面3上 氣膜冷卻效率分布圖，圖4b為本發明有凸起2的表面3上氣膜冷卻效率分布圖。增加凸起 2後，氣膜的橫向擴展作用，氣膜寬度明顯加大，這對於孔間距較大時增加橫向平均氣膜冷 卻效率作用明顯。圖5是氣膜孔1下遊6個流向截面的冷卻效率分布圖，其中，圖fe為無凸起2的 流向截面氣膜冷卻效率分布圖，圖恥為本發明有凸起2的流向截面氣膜冷卻效率分布圖。 圖中χ為下遊所取流向截面距離氣膜孔1後緣的距離。可以看出氣膜冷氣沿流向的發展情 況。對於無凸起2的情況，氣膜基本上保持在一個較小範圍的圓形區域內向下遊發展，並且 氣膜高度越來越高，而且氣膜的橫向擴展很小，這主要因為腎型渦對的旋轉方向是從壁表 面3向上對旋，容易使氣膜逐漸遠離壁面。對於有凸起2的情況，氣膜在向下遊的發展過程 中高度增加不明顯，但橫向擴張卻非常明顯，這得益於繞流凸起2形成的新的腎型渦對的 旋轉方向變化。圖6是氣膜孔1下遊x/D = 10流向截面的速度矢量流線圖，其中，圖6a為無凸起 2的下遊x/D = 10流向截面速度矢量流線圖，圖6b為本發明有凸起2的下遊x/D = 10流 向截面速度矢量流線圖。圖6清楚顯示了有、無凸起2時腎型渦對的變化。有凸起2時的腎 型渦對的旋轉方向與無凸起2時相反，並且有凸起2時腎型渦對之間距離較遠，在兩個腎型 渦對之間，則為圖2中第三股冷氣③的位置，這股冷氣③為腎型渦對提供了冷氣量的支持， 從這點來說，有凸起2時對氣膜孔1噴射出的冷氣的利用率極佳。圖7是有無凸起2時氣膜孔1下遊橫向平均的冷卻效率對比圖。其中，虛線—— 無凸起2 ；實線——有凸起2。明顯的，有凸起2時的橫向平均氣膜冷卻效率大大高於無凸 起2情況。對於孔間距y/D = 5的情況，有凸起2時近下遊(下遊所取流向截面距離χ與 氣膜孔1直徑D比x/D = 5)的橫向平均氣膜冷卻效率高於無凸起2時近兩倍，有凸起2時 遠下遊(x/D = 50)的橫向平均氣膜冷卻效率仍高於無凸起2時近一倍。圖8有無凸起2時氣膜孔1中心線冷卻效率對比圖。其中，虛線——無凸起2 ；實 線——有凸起2。在下遊所取流向截面距離χ與氣膜孔1直徑D比x/D 15時，有凸起2的氣膜冷卻效率較低。這是因為對於有凸 起2而言，越向下遊發展則中心線處的冷氣③橫向擴展越強。圖9是典型的與月牙型凸起2拓撲相似的結構變形圖。其中，圖9a為月牙型凸起 2，其中凸起2的進氣邊線21和出氣邊線22為曲線。圖9b為與月牙形凸起2拓撲相似的 結構，其中凸起2的進氣邊線21和出氣邊線22為直線。在拓撲相似的情況下，凸起2形狀 可有多種變化，不同的變形所獲得的氣膜覆蓋及氣膜冷卻效率均有所區別，但總體上均好 於無凸起2情況。在具體實施中，可根據需求改變圖1中所列舉的多種幾何參數。
權利要求
1.一種提高離散孔氣膜冷卻效率的結構，用於燃氣輪機渦輪葉片或燃燒室的氣膜冷 卻，包括壁表面上的氣膜孔；其特徵在於還包括下遊凸起結構，以氣膜孔中心線為對稱軸 左右對稱，凸起的前部為進氣邊、後部為出氣邊；凸起進氣邊距氣膜孔出口後邊緣有一距離 入，距離λ與氣膜孔徑D的比值λ/D在0.5-1.0之間；凸起高度H與氣膜孔直徑D的比值 H/D 在 1/4-1/2 之間。
2.如權利要求1所述的提高離散孔氣膜冷卻效率的結構，其特徵在於所述凸起為月 牙型或拓撲相似結構、進氣邊呈前凸、出氣邊呈前凹；凸起進氣邊與出氣邊之間的距離為、距離δ與凸起的長度L的比δ/L在0-1之間， 優選為0.5左右。
3.如權利要求1所述的提高離散孔氣膜冷卻效率的結構，其特徵在於所述氣膜孔，為 圓柱形或非圓柱形離散氣膜孔；氣膜孔間距y/D在3-8之間；氣膜冷卻吹風比在0. 5-1. 5之 間，適用於任何順壓梯度的表面。
4.如權利要求1所述的提高離散孔氣膜冷卻效率的結構，其特徵在於所述凸起的寬 度W與氣膜孔直徑D的比W/D在1. 5-2. 5之間，氣膜孔間距y/D小則W/D比值向下限靠近， 孔間距y/D大則W/D向上限靠近。
5.如權利要求1所述的提高離散孔氣膜冷卻效率的結構，其特徵在於所述凸起的長 寬比L/W在0. 6-1. 2之間。
全文摘要
本發明公開了一種提高離散孔氣膜冷卻效率的結構，涉及燃氣輪機技術，用於燃氣輪機渦輪葉片以及燃燒室壁面氣膜冷卻。該結構在緊鄰氣膜冷卻孔出口後部放置一個凸起，該凸起形狀以氣膜孔中心線為對稱軸左右對稱，該凸起寬度為氣膜孔徑2倍左右，長度寬度比約為1，高度約為氣膜孔徑1/4。該凸起作用有三一是橫向擴張冷氣作用，能夠增大氣膜橫向覆蓋面積；二是改變原有氣膜孔出口冷氣腎型渦對的旋轉方向，有利於冷氣貼附於壁面；三是較低的凸起高度保證了大部分氣膜冷氣在徑向繞過凸起後重新貼附於壁面，並提供冷氣給新產生的腎型渦對。本發明的凸起尺寸較小，高度較低，因此附加流動損失非常小。適用於所有離散孔形式的氣膜冷卻。
文檔編號F02C7/18GK102140964SQ20101010675
公開日2011年8月3日 申請日期2010年2月3日 優先權日2010年2月3日
發明者劉建軍, 安柏濤 申請人:中國科學院工程熱物理研究所