[发明专利]一种提高离散孔气膜冷却效率的结构

说明书

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，是一种离散孔气膜冷却的新结构，可提高燃气轮机涡轮叶片以及燃烧室壁面的气膜冷却效率，适用于所有类型的离散孔形式的气膜冷却。

背景技术

离散孔气膜冷却作为一种高效的冷却技术，广泛应用于燃气轮机涡轮叶片以及燃烧室壁面冷却。其基本原理是冷却空气通过气膜孔流出，使得冷却空气覆盖于叶片表面，从而达到隔绝热主流与金属叶片表面的目的。离散孔形式的气膜冷却通常在孔与孔之间(横向)的冷却效率较低，在孔间距较大时，孔间的冷却效率下降很快。对于离散孔气膜冷却，提高冷却效率的核心问题之一是增加横向气膜覆盖并提高横向平均的气膜冷却效率。现有技术所采用的方法一般是通过较近的孔间距或扩大孔出口的横向尺寸达到。以往离散气膜冷却结构的改进侧重在气膜孔形状的改进，如采用非圆柱形的扩散孔等所谓异型孔。

发明内容

本发明的目的是公开一种提高离散孔气膜冷却效率的结构，以提高离散孔气膜冷却的横向气膜覆盖及横向平均的气膜冷却效率。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种提高离散孔气膜冷却效率的结构，用于燃气轮机涡轮叶片或燃烧室的气膜冷却，包括壁表面上的气膜孔；其还包括下游凸起结构，凸起横向设置，凸起的前部为进气边、后部为出气边，凸起进气边距气膜孔出口后边缘有一距离λ，距离λ与气膜孔径D的比值λ/D在0.5-1.0之间；凸起高度H与气膜孔直径D的比值H/D在1/4-1/2之间。

所述的提高离散孔气膜冷却效率的结构，其所述凸起为月牙型或拓扑相似结构，进气边呈前凸、出气边呈前凹；

凸起进气边与出气边之间的距离为δ，距离δ与凸起的长度L的比δ/L在0-1之间，优选为0.5左右。

所述的提高离散孔气膜冷却效率的结构，其所述气膜孔，为圆柱形或非圆柱形离散气膜孔；气膜孔间距y/D在3-8之间；气膜冷却吹风比在0.5-1.5之间，适用于任何顺压梯度的表面。

所述的提高离散孔气膜冷却效率的结构，其所述凸起的宽度W与气膜孔直径D的比W/D在1.5-2.5之间，气膜孔间距y/D小则W/D比值向下限靠近，孔间距y/D大则W/D向上限靠近。

所述的提高离散孔气膜冷却效率的结构，其所述凸起的长宽比L/W在0.6-1.2之间。

本发明的提高离散孔气膜冷却效率的结构，采用在气膜孔出口后的近下游放置一个较低高度的月牙型凸起的方法，通过强制气膜冷气横向扩展，并改变气膜冷却流动固有的漩涡结构，进而提高整个下游的气膜覆盖率及横向平均冷却效率。

本发明的提高离散孔气膜冷却效率的结构，是一种在气膜孔后的被冷却表面上增加一个较低高度的月牙型凸起的方法，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，气动损失增加不大。

附图说明

图1为本发明的一种提高离散孔气膜冷却效率的结构示意图；其中：

图1a为本发明的一种提高离散孔气膜冷却效率的俯视图；

图1b为本发明的一种提高离散孔气膜冷却效率的侧视图；

图2为本发明的凸起提高气膜横向覆盖及增加气膜冷却效率的基本原理示意图；

图3为本发明通过气膜孔中心线横向截面的气膜冷却效率分布图；其中：

图3a无凸起；

图3b有凸起；

图4为本发明被冷却表面的气膜冷却效率分布图；其中：

图4a无凸起；

图4b有凸起；

图5为本发明气膜孔下游6个流向截面的冷却效率分布图；其中：

图5a无凸起；

图5b有凸起；

图6为本发明气膜孔下游x/D＝10流向截面的速度矢量流线图；其中：

图6a为无凸起2的下游x/D＝10流向截面速度矢量流线图；

图6b为本发明有凸起2的下游x/D＝10流向截面速度矢量流线图；

图7是有无凸起时气膜孔下游横向平均的冷却效率对比图；

图8是有无凸起时气膜孔中心线冷却效率对比图(孔间距y/D＝5，吹风比为1.0)；

图9为本发明中典型的与月牙型凸起拓扑相似的结构变形示意图；其中：

图9a为月牙型凸起，其中凸起的进气边线和出气边线为曲线；

图9b为与月牙形凸起拓扑相似的结构，其中凸起的进气边线和出气边线为直线。

具体实施方式