一種離散氣膜冷卻孔結構的製作方法
2023-05-28 07:43:36 1
本發明涉及燃氣輪機技術領域，是一種離散氣膜冷卻孔結構，可以大幅提高燃氣渦輪葉片的氣膜冷卻效果和橫向氣膜覆蓋面積，同時摻混損失亦不大，適用於燃氣渦輪葉片通道中需要冷卻的表面。
背景技術：
燃氣輪機廣泛應用於航空、軍事、交通、電力等領域，為了提高整機熱效率，燃氣輪機的渦輪進口溫度越來越高，目前已遠超渦輪葉片合金材料的耐溫極限。離散孔氣膜冷卻是當前最普遍採用的高效冷卻技術，廣泛應用於燃氣輪機渦輪葉片葉身以及緣板冷卻。其基本原理是從壓氣機引入冷卻空氣至渦輪葉片，冷卻空氣通過密布於葉片上的離散冷卻孔流出並覆蓋於葉片表面，從而達到隔絕熱主流與金屬葉片表面的目的，降低葉片表面溫度，保證渦輪葉片長期運行的可靠性。
離散孔氣膜冷卻最常用的冷卻孔是圓柱孔，圓柱孔具有結構簡單、不影響葉片強度、加工容易等優點，因此在燃氣渦輪葉片上應用廣泛。但隨著渦輪進口溫度的逐步提高，圓柱孔冷卻效果偏低、氣膜覆蓋面積小、高吹風比下氣膜易脫離壁面、摻混損失較大等缺點越來越明顯，除葉片前緣區外，目前先進燃氣渦輪葉片上(吸力面、壓力面、端壁)已很少採用圓柱孔氣膜冷卻。
近年來，為了改善圓柱孔冷卻效果不足的缺陷，國內外研究者陸續提出了多種新穎的冷卻孔，以提高冷卻效果。比如，擴張孔、雙噴射孔、姐妹孔、溝槽孔、收縮槽孔等。上述冷卻孔結構均比圓柱孔大幅提高了冷卻效率，其中擴張孔是最成功的冷卻孔結構，已應用於多種實際航空發動機及地面重型燃氣輪機的渦輪葉片。總體上看，目前所提出的各種改進型冷卻孔幾乎均以圓柱孔為基礎，即冷卻孔的冷氣進門端基本都是圓柱孔，或均以圓形橫截面為基礎，改進部分主要是針對冷卻孔的出口端進行。因此，目前絕大部分冷卻孔均可認為是基於圓柱孔或圓形截面孔的改進。
實際上，氣膜冷卻概念最早提出是使用的原始結構為槽形結構，或稱為二維連續槽，為了便於實際應用且不影響葉片強度，連續槽結構逐漸演化為離散分布的孔，由於結構簡單並且易於加工，圓柱型孔成為普遍使用的冷卻孔，這也是當前絕大多數改進型高效氣膜冷卻孔的進氣側仍採用圓柱孔的原因。然而，從冷卻效果米看，連續槽結構的氣膜冷卻效果要明顯優於離散化的以圓柱孔為基礎的各種冷卻孔，只是由於連續槽在製造、結構、布置等方面的一些問題，限制了其在渦輪冷卻葉片上的使用，但槽型結構這一基本結構是可以借鑑用來發展更加高效的冷卻孔結構。
技術實現要素：
(一)要解決的技術問題
有鑑於此，本發明公開一種離散氣膜冷卻孔結構，用以大幅度提高離散冷卻孔的氣膜冷卻效果，增大氣膜覆蓋面積，獲得有利的下遊渦結構，增強高吹風比下的氣膜貼附性。
(二)技術方案
為達到上述目的，本發明提供了一種離散氣膜冷卻孔結構，用於燃氣渦輪葉片葉身或葉片上下緣板的氣膜冷卻，所述離散氣膜冷卻孔結構包括離散分布的多個冷卻孔，用於冷卻氣體從所述冷卻孔流出形成氣膜，所述冷卻孔的橫截面為帶有側壁內收結構的扁矩形。
上述方案中，所述冷卻孔整體呈兩段式擴張結構，包括平直段和擴張段，所述平直段的橫截面輪廓呈扁矩形，所述扁矩形兩側壁具有內收結構，所述擴張段是通過所述扁矩形兩側壁橫向擴張形成的；
上述方案中，所述平直段的橫截面的寬高比W/H在3和8之間；
上述方案中，所述平直段的橫截面的高度H為圓柱孔直徑D的0.3至0.6倍，所述圓柱孔的橫截面面積與所述冷卻孔的橫截面面積相等；
上述方案中，所述平直段的長度與所述冷卻孔總長度之比Lt/L在1/4和1/2之間；
上述方案中，所述平直段的橫截面的兩側壁具有內收結構，所述內收結構是通過使冷卻孔下遊壁向內收縮形成的；
上述方案中，所述下遊壁的內收尺寸δ在圓柱孔直徑D的0.1至0.3倍，所述圓柱孔的橫截面面積與所述冷卻孔的橫截面面積相等；
上述方案中，所述擴張段兩側具有橫向擴張角γ，所述橫向擴張角γ在10°和14°之間；
上述方案中，所述冷卻孔適用的噴射角α範圍在30°和70°之間；
上述方案中，所述多個冷卻孔之間的橫向孔間距為S，所述橫向孔間距S與圓柱孔徑D的比值S/D不小於5，所述圓柱孔的橫截面面積與所述冷卻孔的橫截面面積相等。
(三)有益效果
本發明提供的冷卻孔，是將普通擴張孔的圓形橫截面轉變為帶有側壁內收結構的扁矩形橫截面，有效的擴大了孔的出口寬度，有利於獲得大寬度的氣膜覆蓋達到的冷卻效果極高。通過扁矩形橫截面兩側向下遊壁的內收結構，能夠控制冷卻孔內的擴張流動，在冷卻孔下遊獲得有利的反腎型渦對，調節氣膜的橫向擴張度，使氣膜分布更趨於均勻，且增強了在高吹風比下的氣膜貼附能力。
附圖說明
圖1a為現有的扇型擴張孔結構示意圖；
圖1b為現有的簸箕形孔結構示意圖；
圖2a為本發明的冷卻孔結構示意圖；
圖2b為本發明的平直段的橫截面形狀示意圖；
圖2c為本發明的平直段的橫截面端壁內收的多種方式示意圖；
圖2d為本發明的多個冷卻孔橫向布置三維示意圖；
圖2e為本發明的多個冷卻孔橫向間距示意圖；
圖3a為本發明的平直段的扁矩形橫截面變化示意圖；
圖3b為本發明的冷卻孔不同扁矩形寬高比下的結構示意圖；
圖3c為本發明的冷卻孔半圓形側壁時空間平均冷效實驗結果；
圖3d為本發明的冷卻孔直線形側壁時空間平均冷效實驗結果；
圖4a為本發明的冷卻孔橫向擴張角變化時的結構示意圖；
圖4b為本發明的冷卻孔半圓形側壁時橫向擴張角對空間平均冷效影響的實驗結果；
圖4c為本發明的冷卻孔直線形側壁時橫向擴張角對空間平均冷效影響的實驗結果；
圖5為本發明的冷卻孔對應圖2c的側壁內收方案時的下遊x/D＝10處的冷卻效果分布數值計算結果；
圖6為本發明的冷卻孔在大矩形寬高比時側壁內收方案示意圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
圖1a和圖1b分別展示了現有的扇形以及簸箕形擴張孔的結構，這是目前兩種應用最廣泛的冷卻孔，比簡單圓柱孔的冷卻效果都大幅提高。兩孔都屬於擴張型孔，即冷卻孔的前半段為圓柱孔，冷卻孔的後半段為擴張結構，包括橫向擴張和前擴張。孔的平直段長度用Lt表示，孔的總長度用L表示，橫向擴張角用γ表示，前擴張角用ε表示。顯然，所展示的兩種現有的典型擴張型孔都是在普通圓柱孔的基礎上對出口進行了擴張處理，以獲得更好的氣膜冷卻效果。
圖2a為本發明的冷卻孔結構示意圖。本發明提供的用於燃氣渦輪葉片葉身或葉片通道上下端壁的氣膜冷卻的冷卻孔，沿冷氣流向分為平直段和擴張段兩部分，平直段位於冷氣側，擴張段位於燃氣側，平直段的長度與該冷卻孔總長度之比Lt/L在1/4至1/2之間。圖2b為本發明的平直段的橫截面形狀示意圖，平直段橫截面整體呈扁矩形，如圖中虛線所示，長寬比W/H在3和8之間，擴張段以矩形兩側壁為基礎向兩側橫向擴張，橫向擴張角在10°和14°之間。需要注意的是，矩形的兩側短邊具有內收結構，內收尺寸δ在0.1D和0.3D之間。除了圖2b中所示的半圓形，實現兩側壁的內收還可通過弧線、導圓、斜線等方式實現，如圖2c所示。圖2c中包含了無內收結構(方案1)以及上遊壁內收結構(方案5和6)的情況，主要作為對比使用。圖2d為本發明的多個冷卻孔橫向布置三維示意圖。圖2e為本發明的多個冷卻孔橫向間距示意圖，在布置為一排時，孔間距用S表示，由於孔出門寬度較大，布置時要求S/D至少在5以上。
通過圖2a、圖2b、以及圖2c展示的本發明的冷卻孔結構可見，本發明孔型的橫截面由傳統擴張孔的圓形轉為等橫截面積的扁矩形，同時保留了出門擴張的結構形式(本發明孔型只有橫向擴張)，因此本發明提供的冷卻孔與現有冷卻孔的本質區別是冷卻孔的橫截面由圓形轉為寬高比很大的扁矩形。重要的是，由於側壁內收結構的存在，使得孔內的擴張流動得到合理控制，可以在孔下遊產生有利的反腎型渦對，增強氣膜的貼附性能和氣膜覆蓋的均勻性。本發明提供的冷卻孔相對於基於圓柱孔的擴張孔而言，優勢在於：首先，橫截面橫向尺寸有效擴大，配合橫向擴張角，冷卻孔出口的橫向寬度更大，氣膜的橫向覆蓋面積更廣；其次，通過合理控制內收尺寸，可以在孔下遊獲得更均勻穩定的氣膜覆蓋；最後，在只有橫向擴張角的前提下，本發明提供的離散氣膜冷卻孔出口面積小於基於圓柱孔的擴張孔，因此本發明孔型的冷氣出口速度更高，有利於改善遠下遊的冷卻效果，並減少氣動摻混損失。
本發明冷卻孔的每個參數對氣膜冷卻效果均有顯著影響，結合實驗和數值計算結果，以下詳細說明本發明提供的離散氣膜冷卻結構中每個參數的作用及取值範圍。每個參數定義可參見圖2a-2d。數值計算是針對孔徑為D＝10mm的情況進行的，計算模型為平板，主流馬赫數Ma＝0.3，冷氣-主流密度比為DR＝1.75，吹風比範圍M＝0.5-2.5，主流湍流度為Tu＝5％，孔間距S/D＝6。實驗是在平板模型進行，採用PSP測量方法獲得氣膜冷卻效果，其中主流速度為Vm＝25m/s，孔徑D＝4mm，冷氣-主流密度比為DR＝1.38，吹風比範圍M＝0.5-2.5，主流湍流度為Tu＝3.5％，孔間距S/D＝6。
矩形截面的寬高比(W/H)：為了與普通圓柱孔的橫截面積等價，或保持單個孔的質量流量接近，本發明提供的冷卻孔的扁矩形截面積要求與圓柱孔的圓形截面積相等或相似，同時為了使扁矩形截面積形狀更接近槽結構，要求W/H至少是3，考慮到加工工藝問題，以直徑為D的普通圓柱孔為基準，假設實際渦輪葉片的冷卻孔徑為D＝1mm，如果矩形橫截面的兩側為半圓形，W/H＝3.5時，則對應的橫截面高度為H＝0.49左右。如果採用圖2c中不同的扁矩形側壁形狀，則H值可能在一定範圍內有小的變化。實際上，扁矩形截面寬高比W/H越大，則被冷卻平板的平均氣膜冷卻效果越高。圖3a給出了三種典型的矩形寬高比變化，對應每種矩形寬高比，分別給出了兩種側壁形狀，即半圓形側壁和直線側壁。圖3b是不同矩形寬高比下的冷卻孔結構示意圖，其中17D、20D、23D分別表示矩形橫截面寬度為圓柱孔徑的1.7倍、2.0倍和2.3倍，Cir和Str分別表示半圓形側壁和直線側壁，14deg表示橫向擴張角是14度。圖3c和3d分別為實驗獲得的下遊30D×6D範圍內的空間平均氣膜冷卻效果隨吹風比的變化。從實驗結果看到，矩形寬高比越大，則空間平均冷卻效果越高，即使是最小的矩形寬高比情況，空間平均冷卻效果也比扇形孔顯著提高。此外，半圓形側壁比直線型側壁更加適應高吹風比情況，這也是設置矩形截面側壁內收結構的原因所在。
橫向擴張角γ：橫向擴張角越大，則冷卻孔出口的寬度越大。但由於擴張流動的存在，過大的橫向擴張角有可能導致孔內流動分離，因此最大擴張角取值在γ＝14°為宜。如果要達到一定的冷卻孔出門寬度，可以採用較大的矩形寬高比W/H配合稍小的橫向擴張角γ實現。圖4a顯示了兩種寬高比配合兩種擴張角的情況，四種方案的冷卻孔出口寬度大致一致，圖中12deg和10deg分別表示橫向擴張角為12度和10度，其它符號與圖3b中一致。圖4b和圖4c的空間平均冷卻效果顯示，在吹風比M＜2.0時，稍微減小橫向擴張角並未降低總體冷卻效果，但吹風比M＞2.0時，大擴張角對於增加總體冷卻效果是有利的。另外，半圓形側壁對高吹風比條件有利。
平直段長度Lt：這一參數影響冷氣在孔內的擴張流動，Lt數值較小時擴張流動發生早，Lt數值較大時擴張流動發生晚。為了保持出門流動均勻，Lt與孔的總長度L的比值Lt/L在1/4-1/2之間較合適，Lt/L＝1/3是推薦值。
孔噴射角α：氣膜冷卻孔在布置時均有一定的噴射角，而且孔布置在壓力面或吸力面噴射角的大小有差異，通常圓柱孔的噴射角在20-80度之間，本發明冷卻孔的噴射角在30-70度之間均適用。
孔間距S：由於本發明的冷卻孔截面積為扁矩形，而且寬高比較大，同時具有橫向擴張角，因此冷卻孔出口橫向寬度明顯大於普通圓柱孔以及以普通圓柱孔為基礎的改進型擴張孔，因此使用時以圓柱孔徑作為參考，S/D應不小於5。
側壁內收尺寸δ：這一參數對氣膜冷卻效果分布具有很強的影響。圖5顯示了圖2c中8種側壁形狀孔的橫向氣膜冷卻效果分布，該結果米自於數值計算。不難發現，側壁內收尺寸大小以及側壁內收是在上遊壁還是下遊壁都對氣膜冷卻效果分布具有顯著影響。側壁內收如果發生在上遊壁，則下遊氣膜分布是單峰模式。側壁內收發生在下遊壁，則下遊氣膜分布是雙峰或三峰形式，並與矩形截面長寬比有關。顯然，雙峰或三峰形式的總體冷卻效果較高。因此，側壁內收應取在下遊壁，如圖2c中的方案2，3，4，7，8。側壁內收尺寸大，則傾向於雙峰模式，側壁內收尺寸小，則傾向於三峰模式。對於長寬比較小的矩形橫截面，側壁內收尺寸應取小值。對於長寬比較大的矩形橫截面，側壁內收尺寸應取稍大的值。綜合來看，側壁內收尺寸取0.1D-0.3D之間較合適。只要有側壁內收存在，則氣膜孔下遊會產生反腎型渦對，對氣膜的穩定及均勻覆蓋有利。
圖6顯示了一種較大矩形寬高比的情況，此種情況下，較大的下遊壁內收尺寸比較易於在下遊獲得均勻的氣膜覆蓋。
以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。