提高开槽孔下游气膜冷却效率的盖式结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及燃气轮机内部叶片冷却技术领域，具体涉及一种提高开槽孔下游气膜冷却效率的盖式结构。
【背景技术】
[0002]燃气轮机作为一种重要的动力装置，被广泛应用于航空航天、化工、车辆、发电等多种领域。燃气轮机的发展标志着一个国家的科技水平、军事实力和综合实力。燃气轮机的热效率与输出功率主要受燃气温度的影响，现阶段主要从不断研制耐高温的材料和采用冷却技术两方面提高燃气轮机的入口初始温度。但是由于受到耐高温材料发展的限制，因此必须采用有效的冷却手段来防止燃气轮机的热端部件受损。气膜冷却在现阶段是有效的冷却方法之一，被广泛应用于燃气轮机领域。
[0003]采用在下游壁面布置凸起的开槽孔冷却技术，被用于燃气轮机内透平叶片的保护。横向开槽能有效减小冷却气对主流的穿透力，有效提高气膜冷却的效率，降低壁面与燃气的换热系数，减小表面热流比，采用合理的结构能有效提高气膜孔下游壁面横向和纵向的气膜冷却效率。现阶段主要在两个方面来提高透平叶片气膜冷却效率:一是在开设气膜孔的基础上采用横向开槽结构来达到提高冷却效果的目的；二是在气膜孔下游壁面布置某种凸起结构，通过不同结构的凸起来增加下游壁面冷却气膜横向覆盖面积和冷却效果。如专利号为200710017790.4的中国专利提出了一种开槽气膜冷却孔结构，当吹风比大于1.0的工况时，气膜冷却效果明显降低，对气膜孔下游壁面的横向保护有限。中国专利(专利号为201010106756.6)提出了一种提高离散孔气膜冷却效率的结构，该结构没有考虑到横向开槽气膜冷却对壁面冷却的叠加作用，下游凸起不但和壁面是一体的，同时离气膜孔较近，阻碍了冷却气向下游壁面的流动，凸起抬高冷却气，使凸起附近一定范围内的壁面暴露在高温燃气中，降低了冷却气膜对壁面的保护作用。申请人在先申请专利(201520094208.4)提出一种提高开槽气膜孔下游壁面气膜冷却效率的结构，该结构具有横向开槽和凸起，但该专利尚存在以下不足:该专利所设凸起不能充分地收集到离壁面较远处的冷却气，该部分冷却气遇到凸起时有所抬升，降低了凸起附近壁面的冷却效率。
【实用新型内容】
[0004]针对现有设计的不足，本实用新型提出一种提高开槽孔下游气膜冷却效率的盖式结构。该结构能充分地收集到离壁面较远处的冷却气，使这部分冷却气遇到凸起时不会发生抬升，避免了凸起附近壁面的冷却效率的降低，可提高离散孔气膜冷却对下游壁面横向冷却效果，增大冷却气膜对下游壁面的覆盖面积，有效提高燃气轮机内透平叶片气膜孔下游壁面横向冷却效果。适用于所有带有开槽结构的离散孔分布形式的气膜冷却技术。
[0005]本实用新型所采用的技术方案是:提供一种提高开槽孔下游气膜冷却效率的盖式结构，包括气膜孔、横向开槽、壁面、凸起和封顶，壁面上游区域设有气膜孔，横向开槽开设在气膜孔出气口处，凸起在壁面的下游区域；凸起以过气膜孔出气口中心的壁面中心线为轴对称分布；凸起迎着气膜孔出气口的为凸起进气口，相反方向为凸起出气口，凸起迎向气膜孔出气口的型线为迎风线，背对着气膜孔出气口的型线为背压型线，所述背压型线是向壁面下游方向凸出的型线；凸起进气口的长度与气膜孔的孔径的比值为2.0-5.0，凸起进气口的长度是凸起出气口长度的1.5-5.0倍；凸起进气口到气膜孔出气口中心的距离是气膜孔的孔径的10-30倍；所述凸起的高度与气膜孔的孔径的比为0.25-3.0 ;其特征在于该结构还包括封顶，封顶覆盖在凸起上，所述封顶的两侧分别与凸起的顶部固定连接，封顶的厚度不大于1/5的气膜孔的孔径。
[0006]申请人的在先专利技术(专利号为201520094208.4)提出一种提高开槽气膜孔下游壁面气膜冷却效率的结构。与之相比，本实用新型在横向开槽气膜冷却孔的基础上在下游壁面布置了一个封顶的凸起，即在现有的凸起上部覆盖封顶，封顶两侧与凸起的顶部固定连接。该结构能够对上游横向和纵向冷却气起到收集的作用，防止冷却气因遇到壁面凸起结构而被直接抬离，提高了凸起上游及附近的壁面气膜冷却效果，冷却气经过该凸起后会有一个扩充和收集作用，增大冷却气对下游壁面的覆盖面积。本实用新型结构不会由于凸起抬高冷却气而降低壁面冷却效果，此外，由于凸起有进气口和出气口且正对冷却气的来流方向，对冷却气不会造成太大的流动损失，且增强了横向壁面气膜冷却效率，在吹风比大于1.0时冷却气对壁面仍有良好的冷却效果。实验结果表明，本实用新型通过采用盖式的凸起结构，能使其壁面冷却效率整体显著提高，相对申请人之前的无盖的凸起结构冷却效率平均增加了 13.1%。
[0007]本实用新型结构还具有加工简单、成本低廉等特点，适用于对燃气透平叶片及端壁的冷却保护，更能满足实际工程的需要。
【附图说明】
[0008]图1本实用新型提高开槽孔下游气膜冷却效率的盖式结构的整体结构示意图；
[0009]图2本实用新型提高开槽孔下游气膜冷却效率的盖式结构一种实施例的俯视结构示意图；
[0010]图3本实用新型提高开槽孔下游气膜冷却效率的盖式结构一种实施例的主视结构示意图；
[0011]图4本实用新型的凸起4提尚气I旲冷却效率的原理不意图，图4a为俯视图，图4b为中截面上的主视图；
[0012]图5吹风比为0.25时，开槽气膜孔下游壁面的冷却效率分布图，其中，图5a是吹风比为0.25，现有技术的开槽气膜孔下游壁面的冷却效率分布图；图5b是吹风比为0.25，本实用新型的开槽气膜孔下游壁面的冷却效率分布图；
[0013]图6吹风比为0.25时，开槽气膜孔下游壁面中心线上现有技术与本实用新型的冷却效率对比图；
[0014]图7吹风比为0.25时，开槽气膜孔下游壁面x/d = 14横向线上现有技术与本实用新型的冷却效率对比图；
[0015]图8本实用新型提高开槽孔下游气膜冷却效率的盖式结构中凸起4半括号型拓扑相似结构的俯视结构示意图；
[0016]图9本实用新型提高开槽孔下游气膜冷却效率的盖式结构中封顶5为弧形结构的整体示意图；
[0017]图中，1-气膜孔、2-横向开槽(或凹槽)、3_壁面、4-凸起、5-封顶、11-气膜孔出气口、41-凸起进气口、42-凸起出气口、43-迎风型线、44-背压型线。
【具体实施方式】
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[0018]下面结合实施例及附图对本实用新型结构做进一步说明，但并不以此限制对本实用新型权利要求的保护范围。
[0019]本实用新型提高开槽孔下游气膜冷却效率的盖式结构(简称结构，参见图1-9)包括气膜孔1、横向开槽2、壁面3、凸起4和封顶5，壁面3上游区域设有气膜孔1，横向开槽2开设在气膜孔出气口 11处，凸起4在壁面3的下游区域；凸起4以过气膜孔出气口 11中心的壁面中心线为轴对称分布；凸起4迎着气膜孔出气口 11的为凸起进气口 41，相反方向为凸起出气口 42，凸起4迎向气膜孔出气口 11的型线为迎风型线43，背对着气膜孔出气口11的型线为背压型线44，所述背压型线是向壁面下游方向凸出的型线；凸起进气口 41的长度w与气膜孔1的孔径d的比值为2.0-5.0，凸起进气口 41的长度是凸起出气口 42长度的
1.5-5.0倍；凸起进气口 41到气膜孔出气口 11中心的距离L是气膜孔1的孔径d的10-30倍；所述凸起4的高度Η与气膜孔1的孔径d的比为0.25-3.0 ;其特征在于该结构还包括封顶5，封顶5覆盖在凸起4上，所述封顶的两侧分别与凸起4的顶部固定连接，所述封顶5的厚度不大于1/5的气膜孔1的孔径。
[0020]本实用新型的进一步特征在于所述封顶5的最高点到壁面3的距离为凸起4的高度的1-2倍。
[0021]本实用新型的进一步特征在于所述封顶5为平面形或曲面形。
[0022]本实用新型的进一步特征在于所述凸起4为半括号型、棱镜型或拓扑相似结构。
[0023]本实用新型的进一步特征在于所述迎风型线43为直线或向壁面下游方向凸起的弧线。
[0024]本实用新型的进一步特征在于所述迎风型线与背压型线的间距b是可调整的。
[0025]本实用新型的进一步特征在于所述横向开槽2的槽宽c与气膜孔1的孔径d的比为2.0-6.0，横向开槽2的槽深s与气膜孔1的孔径d的比为0.2-1.0。
[0026]本实用新型的进一步特征在于所述气膜孔1为圆柱孔、锥形孔、矩形孔、梯形孔、月牙孔、簸箕形孔或Console孔。
[0027]本实用新型的进一步特征在于所述气膜孔1相对于水平面的夹角β为15° -60°，所述壁面3的横向长度e与气膜孔1的孔径d的比值e/d为3.0_10。
[0028]本实用新型中在凸起4上端设置封顶5能提高开槽孔下游壁面气膜冷却效率的基本原理(参见图4)是:冷却气从气膜孔出气口 11出来经横向开槽2进入主流区域z (该主流区域指高温气体所在区域)，在壁面的横向即z方向，冷却气经过凸起4时，部分冷却气a被凸起阻挡(参见图4a)，在垂直壁面的方向上即y方向，从气膜孔出气口出来的冷却气经封顶5后，会有部分冷却气c压进凸起4，此时，封顶5对冷却气起到了纵向收集积聚作用，再结合凸起4完成冷却气的横向收集，在封顶5和凸起4的双重作用下，使冷却气在凸起4与封顶5构成的空间内大量积聚，从而明显提升上游壁面的横向及纵向冷却效率，封顶5的设置能效防止冷却气因遇到凸起阻碍时，会出现冷却气被抬高的现象。同时，封顶5的设置能使收集的冷却气都从凸起出气口 42流出，冷却气经凸起4后发生突扩，会产生更大的涡量，部分冷却气g沿壁面中心线流动，部分冷却气m向两侧蔓延，由于冷却气在凸起4与封顶5构成的空间内大量积聚，增大了冷却气在壁面上的覆盖面积，最终使壁面整体的冷却效率显著提高。
[0029]本实用新型中气膜孔1除圆柱孔还可为矩形孔、锥形孔、梯形孔、月牙孔、簸箕形孔或Console孔等，气膜孔1在壁面横向多排布置，壁面3与凹槽2的横向长度e与气膜孔1的孔径d的比