一种用于燃气轮机透平叶片的气膜冷却结构的制作方法

1.本发明属于燃气轮机叶片冷却技术领域，具体涉及一种用于燃气轮机透平叶片的气膜冷却结构，可提供高效的燃气轮机透平叶片气膜冷却效果。


背景技术：

2.当前重型燃气轮机透平初温不断提高，对叶片设计提出了更高的要求。透平中燃气的温度已经远远超过叶片材料的许用温度，并且燃气温度的提高也导致叶片热负荷提高、热应力增大，而透平进口初温的提高速度远远大于通过材料技术提高材料许用温度的速度，因此燃气透平冷却技术成为燃气轮机技术中极为重要的一环。
3.气膜冷却是透平叶片中常用的一种冷却方式，冷气通过透平叶片表面的气膜孔或者槽缝结构射入主流，在叶片外表面上形成一层气膜覆盖，将金属叶片与高温主流隔离开来并与高温主流掺混以降低其温度，以使高温部件处于耐受温度范围内。气膜冷却由于涉及冷气与主流的掺混以及相互作用等问题，流场结构较为复杂且与透平的工作情况直接相关，一直以来都是透平叶片冷却结构设计的热点问题。
4.针对气膜孔出口上下游流场结构分析发现，由于主流与冷气的相互掺混，气膜孔出口下游会形成一对反向旋转涡(肾形涡对)，如图1所示。通过削弱肾形涡对的强度，气膜冷却效果可以得到显著提升。在气膜孔上游布置凸起结构，并通过改变凸起形状和凸起高度可以增加冷气贴附壁面的效果和冷气横向地覆盖面积，并且主流气体由于凸起的扰流作用会在气膜孔出口附近形成正向的二次流肾型涡，从而削弱冷却气流肾形涡对的强度，改善气膜孔的冷却效率。因此，提出了不同形状的气膜孔上游结构，但已有结构虽然能够有效提高气膜冷却效率，但部分结构加工难度大成本高，在实际涡轮中不易采用，部分结构对主流影响较大，带来额外的气动损失。


技术实现要素：

5.针对现有技术不足，本发明提供了一种用于燃气轮机透平叶片的气膜冷却结构，该结构剖面由两段光滑过渡的圆弧构成，可在不引入额外气动损失的前提下，提高透平叶片的气膜冷却效率。
6.本发明采用如下的技术方案来实现：
7.一种用于燃气轮机透平叶片的气膜冷却结构，包括设置在透平叶片及端壁上的气膜孔和气膜孔上游的凸起结构，该凸起结构以气膜孔出口平行于主流来流方向的轴线为对称轴，且凸起结构的剖面由两段光滑过渡的圆弧与构成。
8.本发明进一步的改进在于：所述凸起结构剖面的第一段圆弧以o1为圆心，r1为半径，该圆弧右侧与壁面交点记为a，左侧端点记为b。
9.本发明进一步的改进在于：圆弧的圆心o1与下游气膜孔前端距离s的取值范围为0.5d～3d，圆心o1与壁面垂直距离h的取值范围为0.5d～2d，半径r1的取值范围为1.2h～
2.2h。
10.本发明进一步的改进在于：圆弧左侧端点b与圆心o1的连线与壁面交于d点，bd与垂直于壁面方向的夹角为θ，θ的取值范围为0
°
～30
°
。
11.本发明进一步的改进在于：所述凸起剖面的第二段圆弧以位于bd连线上的点o2为圆心，以r2为半径，作圆弧与壁面相交于c点。
12.本发明进一步的改进在于：所述凸起剖面的第二段圆弧的圆心o2位于bd连线的中点，半径r2的值为bo2的长度。
13.本发明进一步的改进在于：所述凸起结构展向方向上的宽度为w，w的取值范围为0.5d～1.2d。
14.本发明进一步的改进在于：该气膜孔出口展向宽度为d，且冷却气流与主流流向之间的倾角α为0～90
°
。
15.本发明至少具有如下有益的技术效果：
16.本发明提供的一种用于燃气轮机透平叶片的气膜冷却结构，通过在气膜孔出口上游布置剖面由两段光滑连结的圆弧组成的凸起结构，在不引入额外气动损失的前提下，提高透平叶片的气膜冷却效率。
17.本发明的优势在于，有别于以往的其它方法，此结构形式简单、效果明显、实施方便，同时由于凸起尺寸小且过渡光滑，额外带来的气动损失可忽略。
附图说明
18.图1为气膜孔下游形成涡对的示意图。
19.图2为本发明的三维示意图。
20.图3为本发明的俯视图。
21.图4为本发明的侧视图。
具体实施方式
22.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
23.本发明提供一种用于燃气轮机透平叶片的气膜冷却结构，包括设置在透平叶片及端壁上的气膜孔和气膜孔上游的凸起结构。
24.气膜孔的展向宽度为d，与壁面的夹角为α。在本实施实例中，取展向宽度d为1mm，夹角α为30
°
。
25.凸起结构以气膜孔出口平行于主流来流方向的轴线为对称轴，且剖面由两段光滑过渡的圆弧与构成。凸起剖面的第一段圆弧以o1为圆心，r1为半径，该圆弧右侧与壁面交点记为a，左侧端点记为b。
26.圆弧的圆心o1与下游气膜孔前端距离s的取值范围为0.5d～3d，本实施实例中优选s为2.5mm。
27.圆心o1与壁面垂直距离h的取值范围为0.5d～2d，本实施实例中优选h为1mm。
28.半径r1的取值范围为1.2h～2.2h，本实施实例中优选r1为1.5mm。
29.圆弧左侧端点b与圆心o1的连线与壁面交于d点，bd与垂直于壁面方向的夹角为θ，θ的取值范围为0
°
～30
°
，本实施实例中优选θ为15
°
。
30.凸起剖面的第二段圆弧以位于bd连线上的中点o2为圆心，以bo2为半径，作圆弧与壁面相交于c点。
31.凸起结构展向方向上的宽度为w，w的取值范围为0.5d～1.2d，本实施实例中优选w为0.8mm。
32.在本实施实例中，通过在气膜孔出口上游布置由两段光滑连结的圆弧组成的凸起结构，在不引入额外气动损失的前提下，提高透平叶片的气膜冷却效率。
33.以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。


技术特征：
1.一种用于燃气轮机透平叶片的气膜冷却结构，其特征在于，包括设置在透平叶片及端壁上的气膜孔和气膜孔上游的凸起结构，该凸起结构以气膜孔出口平行于主流来流方向的轴线为对称轴，且凸起结构的剖面由两段光滑过渡的圆弧与构成。2.根据权利要求1所述的一种用于燃气轮机透平叶片的气膜冷却结构，其特征在于：所述凸起结构剖面的第一段圆弧以o1为圆心，r1为半径，该圆弧右侧与壁面交点记为a，左侧端点记为b。3.根据权利要求2所述的一种用于燃气轮机透平叶片的气膜冷却结构，其特征在于：圆弧的圆心o1与下游气膜孔前端距离s的取值范围为0.5d～3d，圆心o1与壁面垂直距离h的取值范围为0.5d～2d，半径r1的取值范围为1.2h～2.2h。4.根据权利要求2所述的一种用于燃气轮机透平叶片的气膜冷却结构，其特征在于：圆弧左侧端点b与圆心o1的连线与壁面交于d点，bd与垂直于壁面方向的夹角为θ，θ的取值范围为0
°
～30
°
。5.根据权利要求1所述的一种用于燃气轮机透平叶片的气膜冷却结构，其特征在于：所述凸起剖面的第二段圆弧以位于bd连线上的点o2为圆心，以r2为半径，作圆弧与壁面相交于c点。6.根据权利要求5所述的一种用于燃气轮机透平叶片的气膜冷却结构，其特征在于：所述凸起剖面的第二段圆弧的圆心o2位于bd连线的中点，半径r2的值为bo2的长度。7.根据权利要求1所述的一种用于燃气轮机透平叶片的气膜冷却结构，其特征在于：所述凸起结构展向方向上的宽度为w，w的取值范围为0.5d～1.2d。8.根据权利要求1所述的一种用于燃气轮机透平叶片的气膜冷却结构，其特征在于：该气膜孔出口展向宽度为d，且冷却气流与主流流向之间的倾角α为0～90
°
。

技术总结
本发明公开了一种用于燃气轮机透平叶片的气膜冷却结构，包括设置在透平叶片及端壁上的气膜孔和气膜孔上游的凸起结构，该凸起结构以气膜孔出口平行于主流来流方向的轴线为对称轴，且凸起结构的剖面由两段光滑过渡的圆弧与构成。本发明通过在气膜孔出口上游布置剖面由两段光滑连结的圆弧组成的凸起结构，在不引入额外气动损失的前提下，提高透平叶片的气膜冷却效率。的气膜冷却效率。的气膜冷却效率。


技术研发人员：段静瑶 肖俊峰 高松 李园园 上官博 于飞龙 刘战胜
受保护的技术使用者：西安热工研究院有限公司
技术研发日：2021.11.16
技术公布日：2022/2/8