提高组件外部冷却效果的上游结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及燃气轮机冷却涡轮叶片技术领域，具体涉及一种提高组件外部冷却效果的上游结构。
【背景技术】
[0002]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。燃气轮机的发展主要受燃气初温的影响，目前先进燃气透平进口温度已超过了2000K，燃气透平叶片之所以能在这样严酷的环境下安全、稳定地工作，一方面是由于它的热端部件采用了新型的耐高温材料和防热涂层(Thermal Barrier Coatings ,TBC)；另一方面则得益于高效强化冷却技术的应用。在涡轮叶片冷却系统中，气膜冷却技术被广泛应用。
[0003]采用在气膜孔上游布置凸起的结构，现正被研究来提高冷却气膜对涡轮叶片的保护效果。现有技术主要关注两个方面来提高气膜冷却效率:一是基于横向开槽结构，通过采用横向开槽降低冷却气对主流的穿透力，减小冷却气的出口动量，提高壁面横向及展向的壁面冷却效果。二是在壁面上设置某种结构的凸起，通过改变凸起结构或凸起高度来增加冷却气贴附于壁面的效果和冷却气膜横向覆盖面积。如专利申请号为200710017790.4的中国专利公开了一种开槽气膜冷却孔，但该冷却孔对下游的横向冷却保护作用有限，在吹风比大于1.0时的工况下冷却效果明显下降。专利申请号为201010106756.6的中国专利公开了一种提高离散孔气膜冷却效率的结构，其不足之处在于凸起不但是一体结构，而且设置在气膜孔下游某一位置，这不仅会增大流体的流动损失，还会抬高气膜孔射出的冷却气，使凸起附近一定范围的壁面暴露在高温气体中，对壁面起不到冷却保护作用。
【实用新型内容】
[0004]针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种提高组件外部冷却效果的上游结构。该结构用以增大冷却气在壁面横向的覆盖面积，明显改善气膜孔附近及下游壁面横向及展向的冷却效率，并适用于所有离散分布的不同孔结构的气膜冷却技术。
[0005]为解决上述技术问题本实用新型采用如下技术方案:提供一种提高组件外部冷却效果的上游结构，包括气膜孔、凸起和壁面，气膜孔位于壁面的上游区域，其特征在于所述凸起设置在气膜孔的上游，凸起由两个形状结构完全相同的长条状部分组成，两个长条状部分以过气膜孔出口的中心且平行于主流来流方向的线为轴对称布置，两个长条状部分之间的最短距离是气膜孔孔径的0.5-2倍，每个长条状部分靠近气膜孔出口的一端设有倾斜面，倾斜面与壁面的夹角为15-75°;凸起迎着主流来流方向的一侧为迎风面，背对着主流来流方向的一侧为背压面，凸起的背压面到气膜孔出口中心位置的距离是气膜孔孔径的1-4倍，所述凸起高度与气膜孔孔径的比值为0.1-3。
[0006]与现有技术(上游无凸起结构)相比，本实用新型采用在气膜孔上游布置中间断开的凸起结构，即凸起由两个形状结构完全相同的长条状部分组成，两个长条状部分以过气膜孔出口的中心且平行于主流来流方向的线为轴对称布置，主流中心区域的流体经凸起中间的断开截面后，把从气膜孔射出的冷却气压覆在壁面上，从而提高了壁面中心区域气膜冷却效果，两侧的主流气在流经凸起时被凸起抬高，也有利于冷却气向两侧蔓延，改善壁面横向冷却效果，在高吹风比时，也具有良好的冷却效果，能广泛应用于燃气透平端壁及叶片表面的冷却保护。本实用新型结构简单、实施方便、成本低廉，适用于实际的工业领域。
【附图说明】
[0007]图1本实用新型提高组件外部冷却效果的上游结构一种实施例的整体结构示意图；
[0008]图2本实用新型提高组件外部冷却效果的上游结构一种实施例的俯视结构示意图；
[0009]图3本实用新型提高组件外部冷却效果的上游结构一种实施例的主视结构示意图；
[0010]图4本实用新型提高组件外部冷却效果的上游结构一种实施例的左视结构示意图；
[0011]图5本实用新型凸起2提高组件外部冷却效果的原理示意图；
[0012]图6a为吹风比为0.25的条件下，现有结构的气膜孔下游壁面冷却效率分布图；
[0013]图6b为吹风比为0.25的条件下，本实用新型的气膜孔下游壁面冷却效率分布图；
[0014]图7吹风比为0.25时，现有结构与本实用新型的气膜孔下游壁面中心线上冷却效率的比较；
[0015]图8a为吹风比为0.25时，现有结构与本实用新型在壁面横向x/d = 3处气膜冷却效率的对比图；
[0016]图8b为吹风比为0.25时，现有结构与本实用新型在壁面横向x/d= 10处气膜冷却效率的对比图；
[0017]图9本实用新型提高组件外部冷却效果的上游结构一种实施例中倾斜面24为凹弧形的立体结构示意图；
[0018]图10本实用新型提高组件外部冷却效果的上游结构一种实施例中凸起2的纵切面形状为半椭圆形的立体结构示意图；
[0019]图11本实用新型提高组件外部冷却效果的上游结构中倾斜面24为凹弧形，凸起2纵切面形状为三角形的立体结构示意图；
[0020]图12本实用新型提高组件外部冷却效果的上游结构中倾斜面24为凸弧形，凸起2纵切面形状为三角拓扑形状的立体结构示意图；
[0021]图中，1-气膜孔、2-凸起、3-壁面、11-气膜孔出口、21-迎风面、22-背压面、23-侧立面、24-倾斜面。
【具体实施方式】
[0022]下面结合实施例及其附图对本实用新型做进一步说明，但并不以此限制对本实用新型权利要求的保护范围。
[0023]本实用新型提高组件外部冷却效果的上游结构(简称结构，参见图1-10)包括气膜孔1、凸起2和壁面3，气膜孔I位于壁面3的上游区域，凸起2设置在气膜孔I的上游，所述凸起2由两个形状结构完全相同的长条状部分组成，两个长条状部分以过气膜孔出口 11的中心且平行于主流来流方向的线为轴对称布置，两个长条状部分之间的最短距离b是气膜孔I孔径d的0.5-2倍，每个长条状部分靠近气膜孔出口的一端设有倾斜面24，倾斜面24与壁面3的夹角为15-75°;定义凸起2迎着主流来流方向的一侧为迎风面21，背对着主流来流方向的一侧为背压面22;凸起2的背压面22到气膜孔出口 11中心位置的距离L是气膜孔孔径d的1-4倍，所述凸起高度h与气膜孔I孔径d的比值h/d为0.1-3。
[0024]本实用新型进一步特征在于倾斜面24可为平直面、多边形、凹弧形或凸弧形等相似的几何拓扑形状。
[0025]本实用新型进一步特征在于凸起2的纵切面为矩形、三角形、多边形或半椭圆形等相似的几何拓扑形状。
[0026]本实用新型进一步特征在于所述凸起的最大宽度t(迎风面与背压面的最大间距)与气膜孔孔径d的比值t/d为0.1-1。
[0027]本实用新型进一步特征在于所述气膜孔I为圆柱形孔、锥形孔、月牙形孔或Console孔等相似的几何拓扑。
[0028]本实用新型进一步特征在于所述气膜孔I相对于壁面3的夹角β为15°-60°，所述壁面3的横向宽度w与气膜孔I的孔径d的比值w/d为3-10。
[0029]本实用新型进一步特征在于在所述倾斜面24的下部设有侧立面23，侧立面23平行于主流来流方向且垂直于壁面3，所述侧立面的高度In为凸起高度h的1/6-1/2。
[0030]本实用新型提高组件外部冷却效果的上游结构中凸起2能提高气膜孔下游壁面气膜冷却效率的原理(参见图5):凸起2布置在气膜孔I上游，且凸起2为中间断开且对称布置，即由两个形状结构完全相同的长条状部分组成，两个长条状部分以过气膜孔出口 11的中心且平行于主流来流方向的线为轴对称布置，倾斜面可为任意面(平直面、弧形面及多边形面等)，且与壁面保持一定倾斜角度，在倾斜面下方可以设置侧立面，且侧立面高度可改变。主流气在经过凸起2时，一部分主流气f沿主流来流方向流动，把从气膜孔I射出的冷却气压覆在壁面上，另一部分主流气m在经过凸起2断开截面后向两侧扩散，一方面是由于经过凸起后气体会有一个突扩，另一方面由于冷却气被一部分主流气f压覆在壁面上，大部分冷却气g沿壁面展向流动，改善壁面展向的冷却效果;部分冷却气η向壁面两侧流动，当另一部分主流气m遇到冷却气η时，冷却气η动量大，把主流气m吹到壁面两侧，进而增加冷却气膜覆盖面积，改善壁面横向冷却效果。
[0031]本实用新型气膜孔I呈横向多排布置，壁面3横向宽度w与单排气膜孔I的孔径d的比值为3-10，气膜孔I与壁面3所呈夹角β为15°-60°，适用于任何顺压梯度的表面，包括各种凹面和凸面等曲面，在吹风比为0.25-1.5时气膜冷却效果显著。本实用新型中当气膜孔为不规则形状时，其孔径是指等效当量孔径。
[0032]本实用新型在气膜孔I上游布置凸起2，有利于提高气膜孔附近区域及其下游壁面气膜