一种气膜冷却孔型结构的制作方法

本发明涉及燃气轮机涡轮叶片气膜冷却技术领域，具体涉及一种气膜冷却孔型结构。

背景技术：

随着科技发展水平的不断提高，燃气透平进口温度也不断上升，燃气透平叶片想要在如此恶劣的环境下工作，得益于气膜冷却技术的广泛应用。

气膜冷却的基本原理是：通过气膜孔流出的冷却气流覆盖于叶片表面，将叶片表面和高温主流气体隔绝开，从而达到冷却壁面的作用。

圆柱形冷却孔具有结构简单、加工容易等优点，广泛应用于气膜冷却当中。但圆柱孔的出口面积小，冷气出口速度大，高吹风比时容易吹离壁面。如专利号为ZL201010106756.6的中国专利中公开了一种提高壁面展向冷却效率的结构，其不足之处在于该专利中气膜孔如果为圆孔，当使用高吹风比时，冷却气流容易冲入主流当中，使冷却效率降低。近年来主流温度逐渐增加，圆柱孔的冷却效率低，覆盖面小的缺点日益明显。因此，近年来国内外通过增大气膜孔出口面积，用来提高下游壁面冷却效率。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种气膜冷却孔型结构。该结构以圆柱形气膜孔为基础(冷气入口段是圆柱形)，沿冷气流方向分为圆柱段和扩张段，扩张段由中间孔和两侧扩张孔组合而成，将冷却气体分流，增大冷气在壁面横向的覆盖面积，明显改善下游壁面横向的冷却效率；并且由于分流减小了冷气垂直壁面的流速，在高吹风比下也不易冲入主流，能良好地贴近壁面，同时提高展向冷却效率。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种气膜冷却孔型结构，包括气膜孔和壁面，气膜孔的出口位于壁面的上游区域，其特征在于所述气膜孔包括圆柱段和扩张段，圆柱段的一端为冷气进气口，圆柱段的另一端连接扩张段的一端，扩张段的另一端为气膜孔的出口，所述扩张段由中间孔和两个扩张孔组成，中间孔与每个扩张孔之间相互联通，在壁面的俯视图中，两个扩张孔以中间孔为轴对称布置，每个扩张孔与中间孔的中心轴线之间的夹角β为10-40°。

与现有技术(圆柱形气膜孔)相比，本发明对圆柱形孔进行扩张，通过不同形状间孔的自由组合，使得气膜孔出口面积大大增加，降低了冷气出口垂直壁面的速度，冷气可以很好的被主流压在壁面上，不设置凹槽或凸起仍然能够使冷气贴近壁面，显著提高冷却效率。冷气流经扩张孔时，冷却气体向壁面横向扩散，显著增大了对下游壁面的横向冷却效率。同时，出口面积增大，气流沿垂直壁面方向的出口速度降低，在高吹风比(吹风比大于0.8时)下冷却气不会吹离壁面，因此本发明在高吹风比条件下也同样适用。本发明稳定性好，结构简单，实施方便，价格低廉。

实验表明，在吹风比为0.5的条件下，与现有圆柱形气膜孔结构相比，在无开槽和凸起结构影响下，本发明气膜冷却效率在横向有明显的提高，而在展向的冷却效率降低并不明显。在5倍孔径处，本发明的平均冷却效率比现有结构提高了164.3％；在10倍孔径处，本发明的平均冷却效率比现有结构提高了103.7％。而在吹风比为1的条件下，本发明展向冷却效率比现有结构提高了77.8％。

附图说明

图1本发明一种气膜冷却孔型结构的一种实施例的整体结构框架图；

图2本发明一种气膜冷却孔型结构的一种实施例的主视结构示意图；

图3本发明一种气膜冷却孔型结构的一种实施例的俯视结构示意图；

图4本发明一种气膜冷却孔型结构的一种实施例的右视结构示意图；

图5a吹风比为0.5的条件下，本发明实施例1的气膜孔下游壁面的冷却效率分布图；

图5b吹风比为0.5的条件下，现有圆柱形气膜孔结构气膜孔下游壁面的冷却效率分布图；

图5c吹风比为0.5的条件下，现有离散圆锥形气膜孔结构气膜孔下游壁面的冷却效率分布图；

图6a吹风比为1时，本发明实施例1气膜孔下游横向下游壁面中心线(z/d＝0)处气膜冷却效率分布图；

图6b吹风比为1时，现有圆柱形气膜孔结构气膜孔下游横向下游壁面中心线(z/d＝0)处气膜冷却效率分布图；

图7a吹风比为0.5时，现有圆柱形气膜孔结构(或现有结构)与本发明实施例1的气膜孔下游壁面展向5倍孔径(x/d＝5)处气膜冷却效率分布的比较；

图7b吹风比为0.5时，现有圆柱形气膜孔结构与本发明实施例1的气膜孔下游壁面展向10倍孔径(x/d＝10)处气膜冷却效率分布的比较；

图8吹风比为1时，现有圆柱形气膜孔结构与本发明实施例1的气膜孔下游壁面中心线(z/d＝0)处气膜冷却效率分布的比较；

图9本发明气膜冷却孔型结构的冷却原理示意图；

图10本发明一种气膜冷却孔型结构一种实施例中扩张孔为四棱柱形孔的俯视结构示意图；

图11本发明一种气膜冷却孔型结构一种实施例中间孔为圆锥形孔的俯视结构示意图；

图中，1-气膜孔、2-壁面、11-圆柱段、12-扩张段、13-冷气进气口、14-气膜孔的出口、121-中间孔、122-扩张孔。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明，但并不以此限制对本发明权利要求的保护范围。

本发明气膜冷却孔型结构(简称结构，参见图1-8)包括气膜孔1和壁面2，气膜孔的出口位于壁面的上游区域，所述气膜孔1包括圆柱段11和扩张段12，圆柱段的一端为冷气进气口13，圆柱段的另一端连接扩张段的一端，扩张段的另一端为气膜孔的出口14，所述扩张段12由中间孔121和两个扩张孔122组成，中间孔与每个扩张孔之间相互联通，在壁面的俯视图中，两个扩张孔以中间孔为轴对称布置，即气膜孔的出口沿壁面横向呈轴对称形状，每个扩张孔与中间孔的中心轴线之间的夹角β为10-40°。

本发明进一步特征在于所述扩张孔122的形状为圆柱形孔、棱柱形孔、棱锥形孔或圆锥形孔等几何拓扑结构。

本发明进一步特征在于所述中间孔121的形状可以为圆柱形孔、锥形孔、月牙形孔或Console孔等几何拓扑结构。

本发明进一步特征在于圆柱段11与扩张段12的长度比值为0.75-1.25。

本发明进一步特征在于扩张孔孔径与中间孔孔径比值为0.5-1.5。

本发明进一步特征在于气膜孔中心线与壁面的夹角α为20-70°，这里的气膜孔中心线与壁面的夹角α又称为喷射角。

本发明进一步特征在于该孔型结构在壁面上沿横向等距布置多个气膜孔。具体布置气膜孔的数量以实际需要经过计算得到。

本发明进一步特征在于壁面横向宽度w与中间孔的孔径的比值为5-10。

本发明一种气膜冷却孔型结构，其重点在于扩张孔与中间孔的中心轴线之间的夹角β、扩张孔与中间孔的孔型、气膜孔中心线与壁面的夹角(即喷射角α)、圆柱段11与扩张段12的比值、扩张孔孔径与中间孔孔径比值以及气膜孔出口横向排布数量，以上参数对下游冷却效果的影响起决定作用。在高吹风比环境下，可通过减小喷射角α，以减小出口冷却气体c在垂直壁面方向(壁面法线方向)上的分速度，使冷气贴壁流出，进而增大冷却效果。通过增大每个扩张孔与中间孔的中心轴线之间的夹角和改变扩张孔孔型，可以增加冷气的横向覆盖面积，进而增大下游壁面横向冷却效率。

本发明气膜冷却孔型结构的冷却原理(参见图9)是：冷气进气口冷却气体b流经扩张段12，将冷却进行横向扩散，增大了横向冷却效率。同时主流气体a从上游吹过，冷却气体在气膜孔的出口处与主流气体a相遇，由于扩张段降低了气膜孔的出口处冷却气体c垂直壁面2的分速度，使得冷气更容易被主流气体a压于壁面2，因此也适用于高吹风比情况。

本发明说明书及附图中出现的X代表平行壁面来流方向，Y代表壁面法线方向，Z代表垂直于来流方向和壁面法线的方向，文中所述的横向即指Z轴方向，展向指X轴方向。图中x的正半轴指向壁面的下游方向。

本发明中当扩张孔、中间孔为不规则形状时，其孔径是指等效当量孔径。

实施例1

本实施例气膜冷却孔型结构(参见图1-4)包括气膜孔1和壁面2，气膜孔的出口位于壁面的上游区域，所述气膜孔1包括圆柱段11和扩张段12，圆柱段的一端为冷气进气口13，圆柱段的另一端连接扩张段的一端，扩张段的另一端为气膜孔的出口14，所述扩张段12由中间孔121和两个扩张孔122组成，中间孔与每个扩张孔之间相互联通，在壁面的俯视图中，两个扩张孔以中间孔为轴对称布置，即气膜孔的出口沿壁面横向呈轴对称形状，每个扩张孔与中间孔的中心轴线之间的夹角β为30°。

本实施例中所述扩张孔和中间孔均为孔径为d的圆柱形孔，扩张段由三个等直径圆柱形孔组合而成，圆柱段也为孔径为d的圆柱形孔，冷气进气口13与壁面的垂直距离h为1.74d，圆柱段与扩张段的长度比值为1，喷射角α为35°。

采用本实施例结构，在吹风比为0.5的条件下，图5a为本实施例气膜孔下游壁面气膜冷却的效率分布，图5b为圆柱形气膜孔(无凸起无横向凹槽)下游壁面气膜冷却的效率分布，图5c为离散型圆锥形气膜孔(无凸起无横向凹槽)下游壁面气膜冷却的效率分布，图中标注冷却效率为0.3和0.4的区域。通过对比可发现，本发明的孔型结构相对于圆柱形气膜孔和圆锥形气膜孔，其气膜冷却效率在下游壁面的横向显著提高。这是由于冷气通过扩张孔122的分流作用，使冷气作用范围扩大，冷却气在壁面横向覆盖面积更广，进而显著提高壁面横向冷却效率。

在吹风比为0.5的条件下，图7a和图7b为本实施例与现有圆柱形气膜孔结构在下游壁面展向5倍孔径(x/d＝5)和10倍孔径(x/d＝10)处壁面横向气膜冷却效率对比图。与现有圆柱形气膜孔结构相比，本实施例气膜冷却效率在横向无论是5倍孔径还是10倍孔径处均有明显的提高，而在展向(z/d＝0附近)的冷却效率降低并不明显，(如图7a所示，在下游壁面展向5倍孔径处，最高冷却效率均为0.6，在下游壁面展向10倍孔径处，现有结构比本发明最高冷却效率高出0.1)，这是由于扩张段在显著提高冷却气体向横向扩散的同时，在中心冷却效率会有所降低。5倍孔径离气膜孔的出口较近，10倍孔径离气膜孔的出口较远，从上述实验结果可以表明本实施例在壁面下游一段距离内的冷却效果都有显著提高。在5倍孔径处，本发明的平均冷却效率比现有结构提高了164.3％，由于扩张段的作用，使得冷气在横向扩散，大大提高了横向冷却效率；在10倍孔径处，本发明的平均冷却效率比现有结构提高了103.7％。

采用本实施例结构，在吹风比为1的条件下，图6a为本实施例结构下气膜孔下游壁面中心线处气膜冷却效率分布，图6b为圆柱形气膜孔下游壁面中心线处气膜冷却效率分布，图中标注冷却效率为0.5和0.6的区域。通过对比发现，在高吹风比下本发明冷却气体在下游仍可以很好地贴近壁面，而现有圆柱形气膜孔的下游壁面冷却气体有明显吹离壁面的趋势。这是由于高吹风比时，现有圆柱形气膜孔的出口面积小，冷气出口流速大，而本发明气膜孔的出口面积大，能有效减小了冷气的出口流速，使冷气可以贴近壁面流出，从而增大下游壁面冷却效率。

在吹风比为1的条件下，图8为本实施例与现有圆柱形气膜孔结构在下游壁面中心线处气膜冷却效率对比图。在高吹风比下，在下游中心线处，本发明的冷却效率远远高于现有结构，由于吹风比较高，现有圆柱形气膜孔结构的冷气出口速度较大，易吹离壁面，导致壁面冷却效果下降；而本发明由于扩张孔的作用，使得冷气出口速度减小，不易吹离壁面，从而显著提高展向冷却效率。本发明展向平均冷却效率比现有结构提高了77.8％。

通过上述实验结果可知，本实施例的孔型结构不仅能显著提高横向冷却效果，而且在高吹风比下对展向冷却效果也有明显提高。

实施例2

本实施例气膜冷却孔型结构(参见图10)的各部分组成及位置关系同实施例1，不同之处在于扩张孔122孔型为四棱柱，每个扩张孔与中间孔的中心轴线之间的夹角β为40°，扩张孔与中间孔孔径比值为0.5。

实施例3

本实施例气膜冷却孔型结构(参见图11)的各部分组成及位置关系同实施例1，不同之处在于扩张段中间孔为渐缩圆锥形孔，能够让冷却气更多地从两侧扩张孔流过，可以增大壁面横向冷却效果，而且由于中间孔的收缩，壁面中心线处的展向冷却效果也不会因此而降低，扩张孔与中间孔孔径比值为0.85。

本发明未述及之处适用于现有技术。