一种瓣状气膜冷却结构及涡轮叶片

1.本说明书涉及涡轮叶片气膜冷却技术领域，具体涉及一种瓣状气膜冷却结构及涡轮叶片。


背景技术：

2.提高涡轮前温度是目前提升燃气轮机工作性能的主要技术途径之一，然而当前涡轮叶片材料可承受温度极限远远低于涡轮前的燃气温度，在一定程度上限制了燃气轮机工作效率的提升。为保证燃气轮机高效安全运行，必须对涡轮叶片进行有效的冷却。气膜冷却技术作为涡轮叶片中广泛应用的冷却技术，其原理为将压气机末级引过来的高压冷气经过空气系统流路输送到涡轮叶片内冷通道内，流经叶片表面离散气膜孔时，冷气从气膜孔喷出。受主流的压力和康达效应的影响下，气膜孔喷出的冷气在叶片表面附着，在靠近壁面附近形成一层低温气膜，避免了高温燃气与金属叶片直接接触，同时冷气与主流的掺混作用带走部分高温燃气的热量，从而对涡轮叶片形成保护，有效的防止涡轮叶片在高热负荷工作条件下烧蚀。
3.当前涡轮叶片中主要采用的是圆柱形气膜孔，但其存在展向覆盖面积小、高吹风比下易吹离壁面等问题，对涡轮叶片的气膜保护效果较差。为了匹配燃气轮机性能提升带来的涡轮前温度的升高，必须采用冷却效果更佳的气膜孔结构对涡轮叶片表面进行冷却。针对上述问题，国内外学者开展了大量气膜孔孔型的研究，goldstein发现出口扩张型气膜孔出口扩张减少射流出口动量，增加展向覆盖面积，可以显著改善三维气膜冷却效果。sargison提出了收缩-扩张孔结构，其出流结构类似二维缝，在降低孔内损失的同时获得了更好的冷却效率。虽然优化后孔型相比圆柱孔可以有效的提升冷效，但限于目前的加工水平，优化孔型用于真实叶片难度较大，成本较高，目前国内涡轮叶片仍以圆柱形气膜孔为主要气膜冷却元件。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本说明书实施例提供一种瓣状气膜冷却结构及涡轮叶片，以达到加工简单，提高涡轮叶片冷却效果的目的。
5.本说明书实施例提供以下技术方案：
6.一种瓣状气膜冷却结构，包括：
7.内部贯通的主圆柱孔和辅圆柱孔，主圆柱孔的中轴线和辅圆柱孔的中轴线之间存在展向偏角，瓣状气膜冷却结构的冷气入口端为主圆柱孔的冷气入口端，瓣状气膜冷却结构的冷气出口端为主圆柱孔的冷气出口端和辅圆柱孔的冷气出口端共同形成的连通孔洞。
8.进一步地，辅圆柱孔至少为两个，两个辅圆柱孔沿主圆柱孔的中轴线对称分布。
9.进一步地，主圆柱孔的直径为d1，d1为0.45mm至1.5mm。
10.进一步地，辅圆柱孔的直径为d2，且0.6d1≤d2≤0.8d1。
11.进一步地，主圆柱孔的径向长度为l1，且2.8d1≤l1≤8d1。
12.进一步地，辅圆柱孔的径向长度为l2，且0.6l1≤l2≤0.8l1。
13.进一步地，展向偏角β为4
°
至8
°
。
14.进一步地，主圆柱孔和辅圆柱孔具有相同的流向倾角α，α为30
°
至55
°
。
15.进一步地，涡轮叶片包括多个瓣状气膜冷却结构。
16.进一步地，涡轮叶片的吸力面和压力面均可设置瓣状气膜冷却结构。
17.与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：
18.瓣状气膜冷却结构存在两侧对称的辅气膜孔结构，随着气膜孔冷气出口端面积的增加，喷出的冷气沿流向和展向的覆盖面积也随之增加，由于该瓣状气膜孔结构冷气射流增加向两侧的流动，其出口动量降低，离开气膜孔的冷气能很好的贴覆在近壁区域，沿流向冷却效率的衰减程度大大降低，对气膜孔下游区域的冷却效果大大增强。加工方面仅采用圆柱形气膜孔的加工方式，采用不同尺寸的圆柱形刀具直接加工而成，不需要专用的刀具，加工成本较低，适用于叶片不同位置的气膜冷却。瓣状气膜冷却结构采用辅圆柱孔孔径小于主圆柱孔孔径的设计，气膜孔入口端仍保持传统圆柱孔结构，仅在出口端进行扩张，从而获得良好的气膜冷却效果。由于未改变入口的结构，该孔型可在不改变涡轮叶片气膜孔布局的条件下，直接对现有圆柱形气膜孔涡轮叶片进行改造，大大降低了设计以及制造成本。同时，辅圆柱孔和主圆柱孔为一个整体，避免了由于出口段孔径的增大降低涡轮叶片整体结构强度的问题。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
20.图1是本发明实施例瓣状气膜冷却结构的整体结构示意图；
21.图2是本发明实施例瓣状气膜冷却结构的冷气入口端和冷气出口端结构立体图；
22.图3是本发明实施例瓣状气膜冷却结构的流向倾角和径向长度示意图；
23.图4是本发明实施例在涡轮叶片冷却通道的应用位置示意图；
24.图5是本发明实施例瓣状气膜冷却结构的效果示意图。
25.附图标记说明：1、叶片内部第一冷却通道；2、叶片内部第二冷却通道；3、叶片内部第三冷却通道；4、吸力面第一气膜孔；5、吸力面第二气膜孔；6、压力面第一气膜孔；7、压力面第二气膜孔；8、主圆柱孔；9、辅圆柱孔。
具体实施方式
26.下面结合附图对本技术实施例进行详细描述。
27.以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可
以相互组合。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
28.要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本技术，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
29.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本技术的基本构想，图式中仅显示与本技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
30.另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
31.以下结合附图，说明本技术各实施例提供的技术方案。
32.参考图1，本发明实施例的瓣状气膜冷却结构由主圆柱孔8和两侧带展向偏角的辅圆柱孔9组合而成，主圆柱孔8贯通冷气入口端和冷气出口端，辅圆柱孔9从冷气入口端不远处一直延伸至冷气出口端，由于展向偏角的存在，辅圆柱孔9与主圆柱孔8相交，构成冷气出口端扩张的瓣状气膜冷却结构。因为存在两侧对称辅圆柱孔9气膜冷却结构，所以相对于只有主圆柱孔8的气膜孔结构，气膜孔的出口的面积显著增加。来自叶片内冷通道的冷气流通过本实施例的瓣状气膜冷却结构，向主流射入，喷出的冷气射流沿流向和展向的覆盖面积均增加。
33.两侧辅圆柱孔9的中轴线与主圆柱孔8的中轴线具有展向偏角β，根据涡轮叶片的具体形状，偏转角度在一定范围内可调节，β为4
°
至8
°
之间。主圆柱孔8的直径为d1，d1为0.45mm至1.5mm，两个辅圆柱孔9的直径均为d2，且0.8d1≤d2≤0.9d1。
34.与圆柱孔相比，出口扩张结构有效降低了冷气射流出口动量，冷气向主流渗透作用减弱，冷气流能很好贴覆在近壁区域，冷却效率沿流向的衰减大大降低，尤其在近孔区域呈现高冷却效率区域，对气膜孔下游区域的冷却效果大大增强。同时主圆柱孔8和辅圆柱孔9均可通过圆柱形气膜孔的加工方法，采用不同尺寸的刀具直接加工而成，无加工方面的难题。辅圆柱孔9从主圆柱孔8的冷气入口端不远处延伸至主圆柱孔8的冷气出口端，辅圆柱孔9对主圆柱孔8有孔内扩张的效果，在增加出口面积的同时又可以降低出口动量，贴附性更好。同时，气膜冷却结构的冷气入口端仅分布有主圆柱孔8，在不改变进口端气膜孔的排布的条件下，增加出口面积，降低出口动量且容易加工。
35.参考图2，瓣状气膜冷却结构的冷气入口端为主圆柱孔8的冷气入口端，气膜冷却结构的冷气出口端为主圆柱孔8的冷气出口端和两侧带展向偏角的辅圆柱孔9的冷气出口端相互连通共同组成的瓣状膜冷却结构的冷气出口端。在冷气入口端不变的情况下，冷气出口端明显增大。本发明实施例的气膜孔采用辅圆柱孔孔径小于主圆柱孔孔径的设计，瓣状气膜冷却结构的冷气入口端仍保持传统圆柱孔结构，仅在冷气出口端进行扩张，从而获
得良好的气膜冷却效果。同时，辅圆柱孔和主圆柱孔为一个整体，避免了结构强度的问题。
36.参考图3，主圆柱孔8和辅圆柱孔9有相同的流向倾角α，流向倾角α为主圆柱孔8的中轴线和气膜孔冷气入口端平面的夹角。根据涡轮叶片不同的位置，所需要的射入和喷出的角度不尽相同，α的度数可以按照具体需要进行改变，α为30
°
至50
°
之间。主圆柱孔8径向长度为l1，l1的取值范围为2.8d1至8d1。辅圆柱孔9的径向长度为l2，l2的取值范围为0.6l 1
至0.8l1。辅圆柱孔9距离主圆柱孔8的入气端有一定距离，但是距离并不大。这样冷气入口端就能保持主圆柱孔8的结构，在冷气出口端进行扩张，由于未改变入口结构，使得本实施例的气膜冷却结构的孔型可在不改变涡轮叶片气膜孔布局的条件下，直接对现有圆柱形气膜孔涡轮叶片进行改造，大大降低了设计以及制造成本。
37.参考图4，本发明实施例的气膜冷却结构可应用与涡轮叶片的吸力面侧和压力面侧，由叶片内冷通道供气并经由气膜孔流出，在叶片表面形成气膜保护。叶片内部第一冷却通道1、叶片内部第二冷却通道2和叶片内部第三冷却通道3均位于涡轮叶片内部。叶片内部第一冷却通道1的压力面一侧设置有压力面第一气膜孔6，压力面第一气膜孔6为本发明实施例的瓣状气膜冷却结构，叶片内部第一冷却通道1的吸力面一侧设置有吸力面第一气膜孔4，吸力面第一气膜孔4为本发明实施例的瓣状气膜冷却结构。叶片内部第二冷却通道2的吸力面一侧设置有吸力面第二气膜孔5，吸力面第二气膜孔5为本发明实施例的瓣状气膜冷却结构。叶片内部第三冷却通道3的压力面一侧设置有压力面第二气膜孔7，压力面第二气膜孔7为本发明实施例的瓣状气膜冷却结构。根据实际散热和叶片的强度要求，本发明实施例的瓣状气膜冷却结构可使用在涡轮叶片的任意位置。
38.如图5所示，上半部分为瓣状孔的气膜冷却结构的冷气出口端气膜冷却效果的示意图，下半部分为圆柱孔的气膜冷却结构的冷气出口端气膜冷却效果的示意图。图5中y为y轴方向，x为x轴方向，d1为主圆柱孔的直径，y/d1为y轴方向和主圆柱孔的直径比(无量纲位置)，x/d1为x轴方向和主圆柱孔的直径比(无量纲位置)，颜色的深浅代表气膜的冷却效率，颜色越深代表气膜冷却效率越大，颜色越浅代表气膜冷却效率越小。由上下两个图对比可知，与普通圆柱孔相比，瓣状气膜冷却结构的出口扩张结构增大冷气的展向覆盖面积，降低冷气射流出口动量，冷却效率沿流向的衰减大大降低，尤其在近孔区域呈现高冷却效率区域，对气膜孔下游区域的冷却效果大大增强。
39.图5测试时采用的瓣状孔的气膜冷却结构参数如下：主圆柱孔8的直径d1为1mm；辅圆柱孔9的直径d2为0.8mm；主圆柱孔8和两侧对称辅圆柱孔9的倾斜角度均为30
°
；两侧对称辅圆柱孔9的中轴线与主圆柱孔8的中轴线之间的展向偏角β为5
°
；主圆柱孔8径向长度为l1为6d1；辅圆柱孔9的径向长度为l2＝0.8l1。
40.在另一些实施例中，瓣状孔的气膜冷却结构还可包括一个主圆柱孔8和对应的多个辅圆柱孔9，每两个辅圆柱孔9为一组，每组的两个辅圆柱孔9均与主圆柱孔8对称分布。多个辅圆柱孔9能进一步放大出口扩张结构的冷气的展向覆盖面积从而进一步增强冷却效果。但是由于冷气出口端孔径的增大，会影响涡轮叶片的强度，所以可根据涡轮叶片的不同部位的具体要求，使用多辅圆柱孔9的瓣状气膜冷却结构或者2个辅圆柱孔9的瓣状气膜冷却结构。
41.本发明实施例采用了一种用于涡轮叶片的新型气膜孔冷却结构，增大气膜孔的出口面积，增加了涡轮叶片展向和流向的气膜覆盖，提高了叶片表面的冷却效率，防止了高温
燃气烧蚀叶片的风险。在现代燃气轮机中可推广使用，对提高涡轮叶片的性能和可靠性有积极的作用。
42.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于后面说明的方法实施例而言，由于其与系统是对应的，描述比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。
43.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。