一種用于渦輪葉片氣膜冷卻出口上游擴張孔結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于渦輪葉片氣膜冷卻出口上游擴張孔結(jié)構(gòu)，由葉片內(nèi)冷卻通道、葉片吸力面氣膜孔、葉片壓力面氣膜孔及傾斜主圓柱孔、擴張圓柱孔組成，葉片壓力面氣膜孔和葉片吸力面氣膜孔與葉片內(nèi)冷卻通道相通；在傾斜主圓柱孔出口上游處逆著主流流向方向進行圓柱孔擴張而成，只有流向傾斜而無展向傾斜。氣膜孔進口截面為完整的橢圓曲線，氣膜孔出口截面為兩個橢圓相交形成的曲線。渦輪葉片上的氣膜孔擴張圓柱孔的中心線與葉片表面之間的夾角為35～90度，擴張圓柱孔直徑d與主圓柱孔直徑D之比為0.7；擴張孔噴出的冷氣沿著流向覆蓋面積較寬，且隨著動量比增大仍能較好地貼附在壁面，具有冷卻效果好、加工簡單、成本較低的特點。
【專利說明】
一種用于渦輪葉片氣膜冷卻出口上游擴張孔結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及燃氣輪機渦輪葉片技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種用于渦輪葉片氣膜冷卻出口上游擴張孔結(jié)構(gòu)。
技術(shù)背景
[0002]氣膜冷卻是應(yīng)用在燃氣輪機葉片上的冷卻技術(shù)，即從壓氣機末級抽取高壓冷氣輸運到葉片內(nèi)部通道，冷氣在通道內(nèi)強化對流換熱將一部分熱量帶走，同時一部分冷氣從葉片壁上的氣膜孔噴出，這股冷氣在主流和流體科恩達效應(yīng)的作用下向下游彎曲，粘附在葉片壁面附近，形成溫度較低的冷氣膜，將壁面同高溫燃氣隔離，并帶走部分高溫燃氣或明亮火焰對壁面的輻射熱量，從而起到良好的保護作用，以達到葉片不被高溫燃氣燒壞的目的。目前，渦輪葉片上主要采用圓柱孔型，但是圓柱孔型的射流比較集中，形成的氣膜不能很好地覆蓋所有展向區(qū)域，而且大吹風(fēng)比下圓柱孔型射流容易沖出壁面不能形成有效的氣膜覆蓋。為了滿足日益提高的現(xiàn)代燃氣輪機性能要求，燃氣溫度不斷升高，必須采用更高效的冷卻技術(shù)，因而在氣膜冷卻技術(shù)中采用圓柱形孔的不足就顯得越來越突出。
[0003]二十世紀70年代，國外學(xué)者首次發(fā)現(xiàn)在圓柱孔型的出口進行擴張設(shè)計能增強氣膜冷卻效率，且隨吹風(fēng)比增大擴張孔形冷卻效率降低相對較小，這是因為一方面出口擴張降低了氣膜孔出口射流垂直方向動量分量，使得射流更不容易噴射滲透進入主流，另一方面氣流流過擴張?zhí)帟r出現(xiàn)科恩達效應(yīng)，使得氣流在拐角處能附于表面。從此之后，異形孔氣膜冷卻特性研究成為了氣膜冷卻技術(shù)研究的一個重要分支。在專利US20020090295中提出的孔型是一種出口擴張結(jié)構(gòu)，是在出口上游和下游分別進行了擴張;在專利US20050042074中提出的孔型也是類似結(jié)構(gòu)，并且在出口上游進行了二次擴張，截面呈現(xiàn)圓形形狀?？仔托螤铍m然能夠改善冷卻效率，但加工難度較大、成本相對較高，因而目前還沒有應(yīng)用在實際葉片上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了提高渦輪葉片氣膜冷卻出口圓柱孔型的氣膜冷卻效率，克服現(xiàn)有技術(shù)中異形孔加工困難、成本高的不足，本發(fā)明提出一種用于渦輪葉片氣膜冷卻出口上游擴張孔結(jié)構(gòu)。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:包括葉片內(nèi)冷卻通道、葉片吸力面氣膜孔、葉片壓力面氣膜孔、傾斜主圓柱孔、擴張圓柱孔，葉片壓力面氣膜孔和葉片吸力面氣膜孔與葉片內(nèi)冷卻通道相通，其特征在于，在傾斜主圓柱孔出口上游處逆著主流方向進行圓柱形擴張，進口截面為橢圓曲線，出口截面為兩個橢圓相交形成的曲線;所述傾斜主圓柱孔具有流向傾角α,傾角α為35°，傾斜主圓柱孔直徑D為0.5?2mm;所述擴張圓柱孔直徑d為0.7D，同時具有逆流向傾角，擴張圓柱孔的流向傾角為β，傾角β的取值范圍為35?90° ;擴張圓柱孔的外輪廓線與傾斜主圓柱孔的外輪廓線交線的端點A與X軸相距P為0.2D。
[0006]有益效果
[0007]本發(fā)明提出的用于渦輪葉片氣膜冷卻出口上游擴張孔結(jié)構(gòu)，由葉片內(nèi)冷卻通道、葉片吸力面氣膜孔、葉片壓力面氣膜孔及傾斜主圓柱孔、擴張圓柱孔組成，葉片壓力面氣膜孔和葉片吸力面氣膜孔與葉片內(nèi)冷卻通道相通;擴張孔結(jié)構(gòu)是在傾斜主圓柱出口上游處逆著主流流向方向進行圓柱形擴張而成，只有流向傾斜而無展向傾斜。氣膜孔進口截面是完整的橢圓曲線，出口截面則是兩個橢圓相交形成的曲線。渦輪葉片上的氣膜孔擴張圓柱孔的中心線與葉片表面之間的夾角為35?90度，擴張圓柱孔直徑d與傾斜主圓柱孔直徑D之比為d/D = 0.7。擴張氣膜孔噴出的冷氣沿著流向覆蓋面積較寬，并且發(fā)現(xiàn)隨著動量比增大仍能較好地貼附在壁面，具有冷卻效果好的特點。渦輪葉片氣膜冷卻出口上游擴張孔結(jié)構(gòu)通過不同型號的鉆頭直接加工而成，加工簡單方便，成本較低。
【附圖說明】
[0008]下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明一種用于渦輪葉片氣膜冷卻出口上游擴張孔結(jié)構(gòu)作進一步的詳細說明。
[0009]圖1為本發(fā)明用于渦輪葉片氣膜冷卻出口上游擴張孔結(jié)構(gòu)位置示意圖。
[0010]圖2為本發(fā)明的氣膜孔單元結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011 ]圖3為本發(fā)明的氣膜孔單元結(jié)構(gòu)主視圖。
[0012]圖4為本發(fā)明的氣膜孔單元結(jié)構(gòu)俯視圖。
[0013]圖中:
[0014]1.葉片壓力面氣膜孔2.葉片吸力面氣膜孔3.葉片內(nèi)冷卻通道4.傾斜主圓柱孔
5.擴張圓柱孔
【具體實施方式】
[0015]參閱圖1?圖4，本實施例用于渦輪葉片氣膜冷卻出口上游擴張孔結(jié)構(gòu)，由葉片內(nèi)冷卻通道3、葉片吸力面氣膜孔2、葉片壓力面氣膜孔1、傾斜主圓柱孔4、擴張圓柱孔5組成，葉片壓力面氣膜孔和葉片吸力面氣膜孔與葉片內(nèi)冷卻通道3相通;擴張孔結(jié)構(gòu)是在傾斜主圓柱孔4出口上游處逆著主流流向方向進行圓柱形擴張而成，只有流向傾斜而無展向傾斜。氣膜孔進口截面為橢圓曲線，出口截面為兩個橢圓相交形成的曲線。傾斜主圓柱孔4具有流向即X向傾角α，不具有展向傾角，擴張圓柱孔5具有逆流向即-X向傾角，不具有展向傾角，擴張圓柱孔5的流向傾角為β。葉片氣膜孔結(jié)構(gòu)可通過兩次不同型號的鉆頭直接加工而成，加工簡單方便。在葉片氣膜冷卻出口上游進行了擴張，該擴張使得出口下游附近沿流向方向中心線處的氣膜覆蓋面積有了一定的減小，但隨著流向下游，氣膜覆蓋面積明顯比圓柱形孔大，是因為相對圓柱形孔，出口擴張降低了出口冷氣的垂直速度分量，改變了主流流場分布，降低了冷氣與主流的摻混作用并使得冷氣在主流的作用下更好地貼附壁面，沿流動方向冷卻效率下降緩慢;更大的展向速度擴大了氣膜冷卻展向覆蓋面積。
[0016]實施例一
[0017]本實施例是用于某型渦輪葉片氣膜冷卻出口上游擴張孔結(jié)構(gòu)。在渦輪葉片的壓力面和吸力面分別設(shè)置有葉片壓力面氣膜孔I和葉片吸力面氣膜孔2，葉片壓力面氣膜孔I和葉片吸力面氣膜孔2與葉片內(nèi)冷卻通道3相通，由葉片內(nèi)冷卻通道3供氣。在流向傾斜主圓柱孔4出口上游處逆著主流流向方向進行圓柱形擴張，傾斜主圓柱孔具有流向傾角α，傾斜主圓柱孔直徑D;擴張圓柱孔5直徑為d，同時擴張圓柱孔5具有逆流向即-X向傾角，不具有展向傾角，擴張圓柱孔5的流向傾角β = 90° ο傾斜主圓柱孔4具有流向傾角α，傾角α = 35°，其不具有展向傾角，傾斜主圓柱孔直徑D = Imm;以傾斜主圓柱孔4的出口中心為原點，流向為X軸，展向為Z軸。在Y軸方向上，圓柱的高度為H=3D = 3mm，其外輪廓長為L = 5.23mm。擴張圓柱孔5具有逆流向即-X向傾角，不具有展向傾角，擴張圓柱孔5的流向傾角β = 90°，其直徑d =
0.7D = 0.7mm。擴張圓柱孔5的外輪廓線與傾斜主圓柱孔4外輪廓線交線的端點A與X軸相距P= 0.2D = 0.2mm。
[0018]本實施例是比較特殊的一種情況，因為擴張圓柱孔5的流向傾角β= 90°意味著擴張圓柱孔的中心線是沿著Y軸方向，從俯視圖中可發(fā)現(xiàn)擴張圓柱的截面是一段優(yōu)弧，而不是一部分橢圓。
[0019]實施例二
[0020]本實施例是用于某型渦輪葉片氣膜冷卻出口上游擴張孔結(jié)構(gòu)。在渦輪葉片的壓力面設(shè)置有葉片壓力面氣膜孔I，在渦輪葉片的吸力面設(shè)置有葉片吸力面氣膜孔2，葉片壓力面氣膜孔I和葉片吸力面氣膜孔2與葉片內(nèi)冷卻通道3相通，由內(nèi)冷卻通道3供氣。流向傾斜主圓柱孔4出口上游處逆著主流流向方向進行圓柱形擴張，傾斜主圓柱孔4的傾角為α，圓柱直徑為D;擴張圓柱孔5直徑為d，同時具有逆流向即-X向傾角，不具有展向傾角，擴張圓柱孔5的流向傾角為β = 55°。傾斜主圓柱孔4具有固定的流向傾角α = 35°其不具有展向傾角，直徑D = Imm，以傾斜主圓柱孔4的出口中心為原點，流向為X軸，展向為Z軸;在Y軸方向上，圓柱的高度為H=3D = 3mm，其外輪廓長為L = 5.23mm。擴張圓柱孔5具有逆流向即-X向傾角，不具有展向傾角，擴張圓柱孔5的流向傾角為β = 55°，其直徑為d = 0.7D = 0.7mm。擴張圓柱孔5的外輪廓線與傾斜主圓柱孔4外輪廓線交線的端點A與X軸相距P = 0.2D = 0.2mm。
[0021 ] 實施例三
[0022]本實施例是用于某型渦輪葉片氣膜冷卻出口上游擴張孔結(jié)構(gòu)。在渦輪葉片的壓力面設(shè)置有葉片壓力面氣膜孔I，在渦輪葉片的吸力面設(shè)置有葉片吸力面氣膜孔2，葉片壓力面氣膜孔I和葉片吸力面氣膜孔2與葉片內(nèi)冷卻通道3相通，且由內(nèi)冷卻通道3供氣。流向傾斜主圓柱孔4出口上游處逆著主流流向方向進行圓柱形擴張，傾斜主圓柱孔4的傾角為α，圓柱直徑為D;擴張圓柱孔5直徑為d，同時具有逆流向即-X向傾角，不具有展向傾角，擴張圓柱孔5的流向傾角為β = 35°。傾斜主圓柱孔4具有固定的流向傾角α = 35°，其不具有展向傾角，直徑為D = Imm，以傾斜主圓柱孔4的出口中心為原點，流向為X軸，展向為Z軸。在Y軸方向上，圓柱的高度為H= 3D = 3mm，其外輪廓長為L = 5.23mm。擴張圓柱孔5具有逆流向即-X向傾角，不具有展向傾角，擴張圓柱孔5的流向傾角為β = 35°，其直徑為d = 0.7D = 0.7mm。擴張圓柱孔5的外輪廓線與傾斜主圓柱孔4外輪廓線交線的端點A與X軸相距P = 0.2D = 0.2mm。
【主權(quán)項】
1.一種用于渦輪葉片氣膜冷卻出口上游擴張孔結(jié)構(gòu)，包括葉片內(nèi)冷卻通道、葉片吸力面氣膜孔、葉片壓力面氣膜孔、傾斜主圓柱孔、擴張圓柱孔，葉片壓力面氣膜孔和葉片吸力面氣膜孔與葉片內(nèi)冷卻通道相通，其特征在于:在傾斜主圓柱孔出口上游處逆著主流方向進行圓柱形擴張，進口截面為橢圓曲線，出口截面為兩個橢圓相交形成的曲線;所述傾斜主圓柱孔具有流向傾角α,傾角α為35°，傾斜主圓柱孔直徑D為0.5?2mm;所述擴張圓柱孔直徑d為0.7D，同時具有逆流向傾角，擴張圓柱孔的流向傾角為β，傾角β的取值范圍為35?90° ;擴張圓柱孔的外輪廓線與傾斜主圓柱孔的外輪廓線交線的端點A與X軸相距P為0.2D。
【文檔編號】F01D5/18GK105909318SQ201610263415
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月26日
【發(fā)明人】朱惠人, 周申平, 魏建生
【申請人】西北工業(yè)大學(xué)