基於彎曲通道二次流的氣膜孔的製作方法

2023-05-31 01:42:56

專利名稱：基於彎曲通道二次流的氣膜孔的製作方法
技術領域：
本發明屬於燃氣渦輪高溫部件冷卻技術領域，特別涉及一種基於彎曲通道二次流的氣膜孔。
背景技術：
增加進口溫度可以有效的提高燃氣輪機的出力和效率，目前，許多大推力，高效率的航空發動機或大功率陸用船用燃氣輪機的進口溫度已經遠高於金屬許用溫度，為了保護渦輪內部高溫部件的安全，需要對其採取必要的冷卻措施。氣膜冷卻是應用於渦輪高溫部件上的一種常見冷卻方式，氣膜孔的形狀對冷確效果有非常重要的影響。為了減小冷卻氣流射入的角度，氣膜孔通道一般均沿流向有一定的傾角。但是當氣膜孔布置於葉片前緣附近時，射流傾角非常小，冷卻氣流基本是垂直射入主流，甚至是逆向射入。葉片前緣，特別是第一級靜葉柵，直接承受著來自燃燒器出口高溫燃氣的衝刷，具有很高的熱負荷，需要較多的冷卻氣流來保護這個區域。但另一方面，由於前緣附近的主流速度較低，如提高冷卻氣流的流量(或冷卻氣流和主流的壓比)，可能會使射流將主流射穿，反而降低氣膜冷卻的效^ ο氣膜冷卻是典型的橫向流中的射流問題。該流動看似簡單，但卻包含著非常複雜的物理現象。目前對其最為清晰的認識就是射流孔的下遊存在著一對旋向相反的大尺度旋渦即腎型渦，該渦對幾乎完全主宰了下遊的流動。大量的模擬和實驗觀察發現，腎型渦會將氣膜抬離壁面，導致氣膜冷卻失效。如果能設法抑制或減弱腎型渦，就有可能提高氣膜的貼附距離和冷卻效果。早在1979年，NASA就採用實驗的方法研究了對氣膜孔供氣通道的形狀對下遊冷卻效率的影響(參見NASA Technical Paper 1546)。他們對比了射流角為30°的直斜孔與彎孔。該型彎曲氣膜孔的優點在於小吹風比時，能使實際的射流角小於斜孔的傾角，使得氣膜具有較好的覆蓋效果，提高冷卻效率。當吹風比繼續增加時，射流的剛性增強，該優點不復存在。另一方面。提高吹風比還會增加彎孔內的二次流動即通道渦的強度，而該結構所產生的通道渦隨著吹風比的增加會逐漸強化腎型渦的發展，不利於冷卻，這是該結構的一大缺陷。NASA的研究結果也顯示，該彎曲氣膜孔幾何可以提高吹風比M 0.7時，反而會破壞冷卻效果，使冷卻效率降低。以該研究為基礎， Mark Ε. Noe等人於1994年，在美國申請了專利(專利號5281084)。該專利中的氣膜孔結構可以減小射流的入射角度，提高冷卻效率，但它同樣存在著上述缺點。該結構布置於大前緣半徑葉型(前部加載葉型，Mark II或C3X等)頭部附近的吸力面上時，獲得了較好的實際冷卻效果。這是因為，前部加載葉型能在葉柵通道的前部建立起較高的橫向壓力梯度，這個橫向壓力梯度可以在一定程度上抑制吸力面上的腎型渦將氣膜抬離壁面。但專利並沒有對彎孔產生的二次流加以利用
發明內容
為了解決上述氣膜孔所存在的問題，並提高帶有彎曲通道的氣膜孔對不同葉型和安裝位置的適用性，本發明提出了一種基於彎曲通道二次流的氣膜孔。本發明採用的技術方案為該氣膜孔包括彎曲通道段和直通道段兩部分；其中， 所述彎曲通道段為圓弧，是由氣膜孔進口朝冷卻氣流的來流的方向做出彎曲而形成的，彎曲通道段的圓心角B的範圍為10°至90°，彎曲通道段的軸線的曲率半徑R大於或等於所處位置的壁厚；所述直通道段與氣膜表面之間形成的射流傾角A的範圍為30°至120° ； 所述氣膜孔的彎曲通道使冷卻氣流產生二次流動，所形成的通道渦離開氣膜孔後，在高溫氣流的橫向推動下發生彎曲，具有與腎型渦相反的旋向，提高冷卻效率。所述氣膜孔位於葉片的前緣處、葉片的吸力面或壓力面上。本發明具有以下優點氣膜孔內的氣流流經彎曲通道時，會產生二次流動。該二次流動會在氣膜孔通道內形成一對旋向相反的通道渦，使得冷卻氣流在氣膜孔內旋轉起來。當冷卻氣流進入高溫氣流時，在高溫氣流的橫向推動下沿流向發生彎曲，這時，由氣膜孔內瀉出的通道渦7的旋向剛好與下遊腎型渦8的旋向相反(如圖2所示，圖中只畫出了這兩個渦對的其中一隻)。 利用該現象就可以有效抑制腎型渦的發展，避免氣膜被它過早地抬離壁面，增強氣膜對壁面的貼附效果，增加沿流向的覆蓋距離，有利於減少氣膜孔排數，提高當地的冷卻效率。另一方面，由於通道渦的存在，冷卻氣流在出口處具有更大的展向速度，從而增加氣膜在展向的擴展能力和覆蓋寬度，填補孔與孔之間的空隙，避免高溫的燃氣直接接觸葉片。該氣膜孔彎曲的角度沒有特殊的限制，主要依布置的位置和實際效果而定，彎曲的角度越大，則通道渦強度越大。該氣膜孔結構經過實驗和DES (Detached-Eddy Simulation,分離渦模擬)的驗證，能在吹風比0.3<M< 1.2的範圍內能在強化氣膜對壁面的帖服能力，抑制下遊腎型渦的發展，並能有效提高氣膜冷卻效率和展向覆蓋效果。


圖1為本發明的二維結構示意圖；圖2為氣膜孔出口通道渦與下遊腎型渦相互作用的示意圖；圖3為帶普通直氣膜孔的高壓級葉片截面；圖4為採用本發明的高壓級葉片截面。圖中標號1-高溫氣流；2-冷卻氣流；3-氣膜孔進口 ；4-彎曲通道段；5-直通道段；6_氣膜孔出口 ；7-氣膜孔內瀉出的通道渦；8-腎型渦；9-吸力面；10-壓力面；11-前緣駐點； 12-第一直通道氣膜孔；13-第二直通道氣膜孔；14-第三直通道氣膜孔；15-第四直通道氣膜孔；16-第一彎曲通道氣膜孔；17-第二彎曲通道氣膜孔；18-第三彎曲通道氣膜孔； 19-第四彎曲通道氣膜孔；20-葉片內部的供氣腔室。
具體實施例方式本發明提出了一種基於彎曲通道二次流的氣膜孔，下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明。實施例中的氣膜孔均不帶展向複合角，但適用本發明的葉片類型， 安裝位置和角度，不受該實例限制。本例中的彎孔，可採取將構件置於磁場中，通過電子束加工的方式獲得。如圖1所示，在氣膜上設置若干氣膜孔，該氣膜孔包括彎曲通道段4和直通道段5 兩部分；其中，所述彎曲通道段4為圓弧，是由氣膜孔進口 3朝冷卻氣流的來流的方向做出彎曲而形成的，彎曲通道段4的圓心角B的範圍為10°至90°，彎曲通道段4的軸線的曲率半徑R大於或等於所處位置的壁厚；所述直通道段5與氣膜表面之間形成的射流傾角A的範圍為30°至120° ；所述氣膜孔的彎曲通道使冷卻氣流2產生二次流動，所形成的通道渦從氣膜孔出口 6流出後，在高溫氣流1的橫向推動下發生彎曲，具有與腎型渦相反的旋向， 提高冷卻效率。圖3為一高壓渦輪葉片的某二維截面，在其前緣，吸力面9和壓力面10上共布置四個具有直通道的氣膜孔，用來與本發明做對比。由於該葉型的前緣半徑較小，同時，由於布置於吸力面9和壓力面10的氣膜孔位置非常接近前緣駐點11，冷卻氣流2由第一直通道氣膜孔12和第二直通道氣膜孔13不可避免地以一定的角度逆向射入主流。第三直通道氣膜孔14和第四直通道氣膜孔15分別為布置於吸力面9和壓力面10上的普通斜孔，均具有 60°的正向射流傾角。為了提高氣膜冷卻效率，將本發明使用在該高壓渦輪葉片上，如圖4所示。葉片的前緣布置了曲率半徑為15mm的第一彎曲通道氣膜孔16和第二彎曲通道氣膜孔17。為了評估實際冷卻效果，並與原氣膜孔做對比，第一彎曲通道氣膜孔16和第二彎曲通道氣膜孔17 的開口位置和射流角度分別與第一直通道氣膜孔12和第二直通道氣膜孔13保持一致，轉角分別為陽°和60°左右，前緣處的最大壁厚為14mm左右。另一方面，由於氣膜孔通道的彎曲，在前緣駐點11半徑較小時，只能將吸力面9和壓力面10上的第一彎曲通道氣膜孔16 和第二彎曲通道氣膜孔17沿葉高方向做交替布置，避免氣膜孔通道互相干擾。當冷卻氣流 2經葉片內部的供氣腔室20進入第一彎曲通道氣膜孔16和第二彎曲通道氣膜孔17時，在彎曲通道內產生二次流動，形成通道渦，從圖2中和上文分析可知，在高溫氣流1的橫向推動下，通道渦沿流動方向發生彎曲，對下遊腎型渦8的發展形成有效的抑制，增強氣膜在逆向射流條件下的貼附能力，提供更好的冷卻效果。第三彎曲通道氣膜孔18和第四彎曲通道氣膜孔19為將本設計布置於吸力面9 和壓力面10的實例，它們的曲率半徑R均為15mm，轉角均為30°左右且和第三直通道氣膜孔14和第四直通道氣膜孔15保持同樣的射流角，為了便於布置氣膜孔，吸力面上最大壁厚約為13mm，壓力面則為10mm。經三維數值模擬驗證發現，相比起原來的直氣膜孔，該實例中的四個帶彎曲通道氣膜孔，均能在所有測試的吹風比下(0. 42 < M < 1. 1)有效降低葉片表面的熱負荷，提高冷卻效率，並且改善了氣膜沿展向的覆蓋效果，增加沿流向的覆蓋距離。 其中，前緣附近的改善效果最為明顯。
權利要求
1.基於彎曲通道二次流的氣膜孔，其特徵在於，該氣膜孔包括彎曲通道段(4)和直通道段( 兩部分；其中，所述彎曲通道段(4)為圓弧，是由氣膜孔進口( 朝冷卻氣流的來流的方向做出彎曲而形成的，彎曲通道段的圓心角B的範圍為10°至90°，彎曲通道段的軸線的曲率半徑R大於或等於所處位置的壁厚；所述直通道段( 與氣膜表面之間形成的射流傾角A的範圍為30°至120° ；所述氣膜孔的彎曲通道使冷卻氣流產生二次流動，所形成的通道渦離開氣膜孔後，在高溫氣流的橫向推動下發生彎曲，具有與腎型渦相反的旋向，提高冷卻效率。
2.根據權利要求1所述的基於彎曲通道二次流的氣膜孔，其特徵在於，所述氣膜孔位於葉片的前緣處、葉片的吸力面或壓力面上。
全文摘要
本發明屬於燃氣渦輪高溫部件冷卻技術領域，特別涉及一種基於彎曲通道二次流的氣膜孔。該氣膜孔包括彎曲通道段和直通道段兩部分；其中，所述彎曲通道段為圓弧，是由氣膜孔進口朝冷卻氣流的來流的方向做出彎曲而形成的。所述氣膜因氣膜孔的彎曲通道使冷卻氣流產生二次流動，所形成的通道渦離開氣膜孔後，在高溫氣流的橫向推動下發生彎曲，具有與腎型渦相反的旋向，相互作用後，能抑制腎型渦的發展，減弱它的強度，提高氣膜對壁面的貼附能力，增加氣膜冷卻效率。另一方面，因為通道渦的存在，冷卻氣流在氣膜孔的出口處具有更高的展向速度，能增加氣膜的覆蓋寬度。
文檔編號F02C7/18GK102312683SQ20111026292
公開日2012年1月11日 申請日期2011年9月7日 優先權日2011年9月7日
發明者孟寶寶, 康順, 梁俊宇, 王曉東, 翟麗娜 申請人:華北電力大學