CN105065122A - 一种应用于涡轮叶片气膜冷却的孔-锯齿槽结构 - Google Patents
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Abstract
一种应用于涡轮叶片气膜冷却的孔-锯齿槽结构，包括位于涡轮叶片压力面和吸力面上的气膜孔和锯齿槽，锯齿槽的一端位于气膜孔出口，靠近气膜孔出口前沿一侧沿着横向修平；另一端位于气膜孔下游。本发明利用锯齿槽对气膜孔出口冷气的导流作用，冷气速度方向改变小于90度就可以进入槽内，冷气在槽内流动距离更远，与燃气掺混的冷气动量更低。冷气垂直穿入燃气内的能力降低，横向扩展能力升高。冷气更容易贴附在壁面上，横向气膜冷却效率分布更均匀。另一方面，利用锯齿槽的导流作用改变冷气与燃气掺混后的流场，使冷气核心区的速度矢量指向壁面，提高横向平均气膜冷却效率值。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机涡轮叶片气膜冷却结构，尤其是一种应用于涡轮叶片气膜冷却的孔-锯齿槽结构，属于燃气轮机技术领域。
背景技术
气膜冷却是应用在燃气轮机叶片上的冷却技术，即从压气机末级抽取高压冷气输运到叶片内部通道，再从叶片壁上的气膜孔喷出，在高温燃气的挤压作用下贴附在叶片表面，将高温燃气和叶片表面隔开，以达到叶片不被高温燃气烧坏的目的。提高气膜冷却效率并使其横向尽可能均匀是气膜冷却设计追求的目标。目前的气膜孔-横向槽结构如图1所示，虽然在一定程度上提高了气膜冷却效率，但是冷气从气膜孔喷出后速度方向必须改变90度才能够在槽内有效扩展，由于流动的惯性是不容易实现的，导致冷气横向扩展非常有限，冷气从气膜孔喷出后与燃气掺混所形成的对漩涡结构并没有改变，高温燃气仍然会进入气膜底层，气膜冷却效率提高并不明显。气膜孔间距较大时，横向槽对气膜冷却效果的改进更弱，在孔间区域的气膜冷却效率接近0。从图1可以看出，气膜孔喷出的冷气主要集中在气膜孔出口下游，相邻的气膜孔之间区域的冷气量会非常少。从结构上来说，由于气膜孔出口通常要位于整个横向槽内，随着气膜孔倾斜角减小，横向槽宽度必须增加，通常的槽宽度都是气膜孔直径的1.5倍以上，这会减弱叶栅的气动性能。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种使冷气从气膜孔喷出后更容易向着横向扩展，冷热流体掺混形成相对有利于气膜贴附的孔-锯齿槽气膜冷却结构。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种应用于涡轮叶片气膜冷却的孔-锯齿槽结构，包括位于涡轮叶片压力面和吸力面上的气膜孔和锯齿槽，锯齿槽的一端位于气膜孔出口，靠近气膜孔出口前沿一侧沿着横向修平；另一端位于气膜孔下游。在叶片高度一定条件下，孔间距越大，锯齿数目越少，锯齿弯角越大；气膜孔直径越大，锯齿槽越宽；气膜孔设计吹风比越大，锯齿槽越深。
优选的，所述的气膜孔直径D尺寸为0.2-1mm，气膜孔间距P与气膜孔直径D比值为2-6。气膜孔轴线与叶片壁面夹角β为20-90度。
优选的，所述的锯齿槽槽宽W为0.2-1.5mm,槽弯角α为30-150度，槽深H是气膜孔直径的0.3-1倍。
本发明的整体思路是利用锯齿槽对气膜孔出口冷气的导流作用，冷气速度方向改变小于90度就可以进入槽内，冷气在槽内流动距离更远，与燃气掺混的冷气动量更低。冷气垂直穿入燃气内的能力降低，横向扩展能力升高。冷气更容易贴附在壁面上，横向气膜冷却效率分布更均匀。另一方面，利用锯齿槽的导流作用改变冷气与燃气掺混后的流场，使冷气核心区的速度矢量指向壁面，提高横向平均气膜冷却效率值。
本发明的优点是：
(1)横向平均气膜冷却效率明显提高，相比于横向槽结构，平均气膜冷却效率提高70-130％。
(2)孔间气膜冷却效率明显提高，而孔中心下游气膜冷却效率并没有明显降低，气膜冷却效率横向均匀性明显改善。
(3)锯齿槽宽度可以设计的较小，更有利于减小槽的存在带来的气动性能损失。
附图说明
图1是已有涡轮叶片上的气膜孔-横向槽示意图。
图2是本发明的结构示意图
图3平面上的气膜孔-锯齿槽结构示意图。
图4是气膜孔喷出的冷气在锯齿槽内运动轨迹图。
图5是气膜孔-锯齿槽尺寸示意图。
图6是气膜孔倾角和深度示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2和图3所示：一种应用于涡轮叶片气膜冷却的孔-锯齿槽结构，包括位于涡轮叶片压力面5和吸力面6前端的气膜孔1和锯齿槽2，锯齿槽2的一端位于气膜孔1出口，靠近气膜孔1出口前沿一侧沿着横向修平；另一端位于气膜孔1下游。在叶片高度一定条件下，孔间距越大，锯齿数目越少，锯齿弯角越大；气膜孔直径越大，锯齿槽越宽；气膜孔设计吹风比越大，锯齿槽越深。
本实施例是用于某发动机的涡轮叶片气膜冷却结构，叶片弦长在50mm-100mm之间，叶片高度40mm-200mm之间。具体是在叶片压力面或者吸力面的气膜孔出口布置锯齿槽，如图4-图6所示，气膜孔1直径D尺寸为0.2-1mm，气膜孔间距与气膜孔直径比值2-6。气膜孔轴线与叶片壁面夹角β为20-90度。锯齿槽槽宽w为0.2-1.5mm,槽弯角α为30-150度，槽深H是气膜孔直径D的0.3-1倍。
本发明的气动工况要求是：气膜孔喷气速度与当地燃气速度比值在0.5-2之间。当冷气从气膜孔喷出后，在槽内进行有效扩散的同时逐渐流出槽外，将冷气有效的扩展开，与燃气进行掺混之前的冷气速度明显降低，更容易形成贴附性均匀并且靠近壁面的气膜层。
实施例1
叶片弦长在50mm，叶片高度40mm。在叶片压力面开有一排气膜孔，气膜孔1直径D为0.2mm，孔间距P为0.4mm。气膜孔轴线与叶片壁面夹角β为20度。槽宽w为0.2mm，槽弯角α为30度。槽深H为0.6mm。
本实施例的气动工况要求是：气膜孔喷气速度与当地燃气速度比值为0.5。气膜孔出口喷出的冷气在锯齿槽内逐渐流出并与燃气掺混。
实施例2
叶片弦长在100mm，叶片高度200mm。在叶片吸力面开有一排气膜孔，气膜孔直径D为1mm，孔间距P为6mm。气膜孔轴线与叶片壁面夹角β为90度。槽宽w为1.5mm,槽弯角α为150度。槽深H为1mm。
本实施例的气动工况要求是：气膜孔喷气速度与当地燃气速度比值为2。气膜孔出口喷出的冷气在锯齿槽内逐渐流出并与燃气掺混。
实施例3
叶片弦长在70mm，叶片高度120mm。在叶片吸力面开有一排气膜孔，气膜孔直径D为0.5mm，孔间距P为2mm。气膜孔轴线与叶片壁面夹角β为45度。槽宽w为0.7mm,槽弯角α为90度。槽深H为0.5mm。
本实施例的气动工况要求是：气膜孔喷气速度与当地燃气速度比值为1。气膜孔出口喷出的冷气在锯齿槽内逐渐流出并与燃气掺混。
Claims (4)
1.一种应用于涡轮叶片气膜冷却的孔-锯齿槽结构，其特征在于：包括位于涡轮叶片压力面和吸力面上的气膜孔和锯齿槽，锯齿槽的一端位于气膜孔出口，靠近气膜孔出口前沿一侧沿着横向修平；另一端位于气膜孔下游；在叶片高度一定条件下，孔间距越大，锯齿数目越少，锯齿弯角越大；气膜孔直径越大，锯齿槽越宽；气膜孔设计吹风比越大，锯齿槽越深。
2.如权利要求1所述的一种应用于涡轮叶片气膜冷却的孔-锯齿槽结构，其特征在于：所述的气膜孔直径D尺寸为0.2-1mm，气膜孔间距P与气膜孔直径D比值为2-6。
3.如权利要求1所述的一种应用于涡轮叶片气膜冷却的孔-锯齿槽结构，其特征在于：所述气膜孔的轴线与叶片壁面夹角β为20-90度。
4.如权利要求1所述的一种应用于涡轮叶片气膜冷却的孔-锯齿槽结构，其特征在于：所述的锯齿槽槽宽W为0.2-1.5mm,槽弯角α为30-150度，槽深H是气膜孔直径的0.3-1倍。
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