一种提高气膜冷却效率的结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种提高气膜冷却效率的结构，包括气膜孔、横向开槽和壁面，气膜孔设在壁面的上游区域，横向开槽开设在气膜孔的出口处，其特征在于该结构在横向开槽的下游槽壁上的中间位置开设有顺流阶梯，在顺流阶梯的两侧对称布置导流面，所述顺流阶梯迎着来流方向的平面垂直于壁面，顺流阶梯的最低点和最高点分别与横向开槽的底面和下游壁面平齐，顺流阶梯以过气膜孔出气孔中心且平行于壁面的中心线为轴对称布置；所述导流面为与壁面呈15°-75°夹角的斜坡，所述顺流阶梯的一个阶梯在沿壁面展向方向的最大投影纵向长度与气膜孔孔径的比值为0.25-1.0，顺流阶梯在沿壁面横向方向的最大投影长度与气膜孔孔径的比值为1.0-4.0。
【专利说明】
一种提高气膜冷却效率的结构
技术领域
[0001]本实用新型涉及燃气透平传热与冷却技术领域，具体涉及一种提高气膜冷却效率的结构。
【背景技术】
[0002]目前，燃气透平在航空、航海、交通运输以及火力发电中有广泛的应用，它的发展代表着一个国家的科学技术水平、军事发展以及国家综合实力。为进一步提高燃气透平的经济性，其中最有效的方法是提高燃气透平的入口初始温度，但是由于受到耐高温材料的限制，燃气透平的入口初始温度提高后应采用一些有效的措施来降低高温部件的工作环境温度，以此来保证燃气透平安全可靠的运行。在燃气透平的冷却系统中，气膜冷却技术应用的最为广泛。
[0003]现有技术研究表明开槽气膜孔结构能有效提高气膜冷却效率，开槽能够降低气膜孔出口处冷却气流的动量，减小冷却气对主流的穿透力，提高壁面气膜冷却效率。如专利号为ZL200710017790.4的中国专利公开了一种开槽气膜冷却孔，该气膜冷却孔包括第一横槽和第二横槽，第一横槽上设有尖角舌片，保证了冷却气在第一横槽内的横向扩散，但对于横槽下游的横向冷却保护作用有限，在吹风比大于1.0时的工况时冷却效果明显下降。
【实用新型内容】
[0004]针对现有结构的不足之处，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种提高气膜冷却效率的结构。该结构用以增大冷却气在气膜孔下游壁面的覆盖面积，提高壁面展向(X正半轴方向)气膜冷却效率，并改善壁面横向(y轴方向)冷却效率，适用于所有类型的带有开槽结构的离散孔分布形式的气膜冷却技术。
[0005]本实用新型解决所述技术问题所采用的技术方案是:提供一种提高气膜冷却效率的结构，包括气膜孔、横向开槽和壁面，气膜孔设在壁面的上游区域，横向开槽开设在气膜孔的出口处，其特征在于该结构在横向开槽的下游槽壁上的中间位置开设有顺流阶梯，在顺流阶梯的两侧对称布置导流面，所述顺流阶梯迎着来流方向的平面垂直于壁面，顺流阶梯的最低点和最高点分别与横向开槽的底面和下游壁面平齐，顺流阶梯以过气膜孔出气孔中心且平行于壁面的中心线为轴对称布置;所述导流面为与壁面呈15°-75°夹角的斜坡，所述顺流阶梯的一个阶梯在沿壁面展向方向的最大投影纵向长度与气膜孔孔径的比值为0.25-1.0，顺流阶梯在沿壁面横向方向的最大投影长度与气膜孔孔径的比值为1.0-4.0;导流面与横向开槽的底面相交线的横向宽度与气膜孔孔径的比值为1.0-4.0。
[0006]与现有技术(在气膜孔处仅设计有开槽结构)相比，本实用新型在横向开槽气膜孔结构的基础上于开槽结构下游槽壁上开设了顺流阶梯和导流面(斜坡)，顺流阶梯能够降低开槽对冷却气在壁面展向方向流动的阻力，减小冷却气对主流的穿透力，使冷却气更贴近壁面流动，减小了反向涡对的强度，提高了壁面展向的冷却效率。顺流阶梯两侧的导流面，减小主流与冷却气的掺混，对槽内的冷却气起到导流的作用，从而提高壁面横向气膜冷却效率。本实用新型在开槽处设置顺流阶梯和斜坡不会出现因为吹风比大于1.0时而导致壁面气膜冷却效率明显下降的现象。此外，本实用新型中所提出的结构也具有易加工、经济实用等诸多优点，尤其在燃气透平叶片及其端壁的冷却保护方面，可以满足实际工程中的应用需要，从而提高部件寿命和节约成本。
【附图说明】
[0007]图1本实用新型提高气膜冷却效率的结构的整体结构示意图；
[0008]图2本实用新型提高气膜冷却效率的结构的一种实施例俯视结构示意图；
[0009]图3本实用新型提高气膜冷却效率的结构的一种实施例主视结构示意图；
[0010]图4本实用新型提高气膜冷却效率的结构的一种实施例左视结构示意图；
[0011 ]图5本实用新型的开槽2提高气膜冷却效率的原理示意图；
[0012]图6吹风比为0.5的条件下的冷却效率分布对比图，其中，图6a为现有结构的气膜孔下游壁面冷却效率分布，图6b为本实用新型的气膜孔下游壁面冷却效率分布；
[0013]图7吹风比为0.5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；
[0014]图8吹风比为0.5时，图8a为现有结构与本实用新型在壁面横向x/d= 5处气膜冷却效率的比较，图Sb为现有结构与本实用新型在壁面横向x/d = 10处气膜冷却效率的比较；
[0015]图9本实用新型提高气膜冷却效率的结构中导流面22的俯视图为直角梯形的整体结构示意图；
[0016]图10本实用新型提高气膜冷却效率的结构中顺流阶梯21的阶梯数为I且具有倾斜表面的台阶的整体结构示意图；
[0017]图中，1-气膜孔，2-横向开槽(或开槽)，3_壁面，11-气膜孔出气孔，21-顺流阶梯，22-导流面。
【具体实施方式】
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[0018]以下结合具体实施例和附图对本实用新型的结构作进一步的说明，但并不以此限制对本实用新型权利要求的保护范围。
[0019]本实用新型提高气膜冷却效率的结构(简称结构，参见图1-4)包括气膜孔1、横向开槽2和壁面3，气膜孔I设在壁面3的上游区域，横向开槽2开设在气膜孔I的出口处，在横向开槽2的下游槽壁上的中间位置开设有顺流阶梯21，在顺流阶梯21的两侧对称布置导流面22，所述顺流阶梯迎着来流方向的平面垂直于壁面，顺流阶梯的最低点和最高点分别与横向开槽2的底面和下游壁面3平齐，顺流阶梯21以过气膜孔出气孔11中心且平行于壁面3的中心线为轴对称布置;所述导流面22为与壁面3呈15°-75°夹角的斜坡，所述顺流阶梯21的一个阶梯在沿壁面展向方向(即X正方向)的最大投影纵向长度L1与气膜孔孔径d的比值为0.25-1.0，顺流阶梯在沿壁面横向方向(S卩Y方向)的最大投影长度与气膜孔孔径的比值为1.0-4.0；导流面22与横向开槽2的底面相交线的横向宽度w与气膜孔孔径d的比值为1.0-4.0。
[0020]本实用新型的进一步特征在于所述顺流阶梯21的阶梯个数为1-5个。
[0021 ]本实用新型的进一步特征在于所述顺流阶梯21的每个阶梯的形状尺寸相同。
[0022]本实用新型的进一步特征在于所述顺流阶梯21—个阶梯的纵截面的形状为矩形、半圆形、半椭圆形或梯形。
[0023]本实用新型的进一步特征在于所述导流面22的俯视图形状为梯形。
[0024]本实用新型的进一步特征在于所述导流面22的纵切面形状(即主视图形状)为曲边直角梯形或多边直角梯形。
[0025]本实用新型的进一步特征在于所述气膜孔I为圆柱形孔、锥形孔、矩形孔、梯形孔、月牙孔或簸箕形孔等几何多边形孔。
[0026]本实用新型的进一步特征在于所述横向开槽2的槽宽c与气膜孔孔径d的比为2-6，横向开槽2的槽深H与气膜孔孔径d的比为0.2-1。
[0027]本实用新型的进一步特征在于所述气膜孔I相对于水平面的夹角α为15°-60°，所述壁面3的横向长度e与气膜孔孔径d的比值e/d为3-10。
[0028]本实用新型中顺流阶梯的阶梯数量及阶梯形状与具体工况有关，每个阶梯的形状尺寸可相同也可不同，但要保证整个顺流阶梯的的最低点和最高点分别与横向开槽2的底面和下游壁面3平齐。
[0029]本实用新型中在横向开槽2的下游槽壁上设置的顺流阶梯21及导流面22能提高气膜孔下游壁面气膜冷却效率的基本原理(参见图5)为:在开槽2的下游槽壁上设置顺流阶梯21，降低下游槽壁对从气膜孔流出的冷却气m的阻力，减小冷却气在壁面垂直方向(z方向)的动量，减小冷却气对主流的穿透力，并且降低冷却气在壁面展向的流动速度，使冷却气更好地铺展在壁面上，提高壁面中心区域的冷却效率，在顺流阶梯21两侧布置倾斜导流面22，冷却气从气膜孔流出，并在开槽2内与主流气相遇，此部分气体s温度低于主流气体，通过导流面22进入壁面两侧，对壁面横向的冷却效率起到叠加的作用。
[0030]本实用新型中气膜孔I可为圆柱形孔、锥形孔、矩形孔、梯形孔、月牙孔或簸箕形孔等几何多边形孔，气膜孔I在横向(y方向)呈多排布置，气膜孔I与水平壁面夹角α为15°-60°，壁面3的横向长度e与气膜孔孔径d的比值e/d在3.0-10之间，本实用新型结构适用于各种顺压梯度的壁面，包括凹面、凸面等曲面，在吹风比为0.25-1.5之间冷却效率有明显提尚O
[0031]本实用新型在横向开槽2下游槽壁上设置顺流阶梯21及导流面22有利于提高壁面的冷却效率，顺流阶梯21减小冷却气与主流的掺混，使冷却气沿着壁面3流动，槽内冷却气顺着导流面22流经壁面3，提高壁面展向及横向的气膜冷却效率。本结构的特点在于顺流阶梯21的阶梯数量、每个阶梯的形状尺寸、导流面22的倾斜角度β、导流面22的俯视形状及纵切面的形状，以上参数对冷却气在下游壁面的流动、形成涡量的大小、湍流强度及冷却效率起着至关重要的作用。根据实验结果，对顺利阶梯21及导流面22的设计有如下几个要求:第一，顺流阶梯21的阶梯高度h不宜过高，否则起不到降低冷却气在垂直壁面的动量，不能有效减小冷却气对主流的穿透力，阶梯高度h根据冷却气流速增大而增加，随着冷却气流速的减小而降低;第二，顺流阶梯21的阶梯数不宜过多，阶梯数过多会对冷却气造成较大的气动损失，降低冷却气在壁面展向的冷却效率;第三，导流面22与壁面3的夹角β不宜过大，β过大对槽内的冷却气的导流作用减小，该部分气体不能很好的贴附在壁面上流动，在壁面两侧上方形成较大的反向涡对，降低壁面气膜冷却效率;第四，导流面22与横向开槽2的底面相交线的横向宽度w不宜过小，否则起不到加强壁面横向冷却效果的作用。
[0032]实施例1
[0033]本实施例结构(参见图1-4)包括气膜孔1、横向开槽2和壁面3，气膜孔I设在壁面3的上游区域，横向开槽2开设在气膜孔I的出口处，在横向开槽2的下游槽壁上的中间位置开设有顺流阶梯21，在顺流阶梯21的两侧对称布置导流面22，所述顺流阶梯迎着来流方向的平面垂直于壁面，顺流阶梯的最低点和最高点分别与横向开槽2的底面和下游壁面3平齐，顺流阶梯21以过气膜孔出气孔11中心且平行于壁面3的中心线为轴对称布置;所述导流面22为与壁面3呈15°-75°夹角的斜坡，所述顺流阶梯21的一个阶梯在沿壁面展向方向(S卩X正方向)的最大投影纵向长度L1与气膜孔孔径d的比值为0.25-1.0，顺流阶梯在沿壁面横向方向(即Y方向)的最大投影长度与气膜孔孔径的比值为1.0-4.0;导流面22与横向开槽2的底面相交线的横向宽度w与气膜孔孔径d的比值为1.0-4.0。
[0034]图2-4分别是图1所示结构的俯视图、主视图和左视图，在图2、图3和图4中，三个流动方向分别用坐标Χ、γ、ζ表示，X为流体的流动方向，即纵向，Χ正半轴为下游方向，Υ为横向，Z为垂直壁面方向，气膜孔I的孔径用d表示，气膜孔I相对于水平壁面的夹角为α，横向开槽2的槽宽用c表示，横向开槽2的高度用H表示，壁面3的横向长度用e表示，顺流阶梯21的一个阶梯的高度用h表示，顺流阶梯21在沿X方向的最大投影纵向长度用L1表示，导流面22在X方向的长度用L表示，导流面22在y方向与横向开槽2的底面相交线长度用w表示，导流面22与壁面3的夹角为β，夹角β越小，壁面横向气膜冷却效率越好。
[0035]本实施例中顺流阶梯21有两个阶梯，且两个阶梯的高度h相等，导流面22连接开槽2的底面与壁面3。气膜孔I为圆柱形，气膜孔I与壁面3的夹角α为35°，壁面3的横向长度e是气膜孔I孔径的4倍，横向开槽2的槽深H为0.5d，槽宽c为3d，顺流阶梯21在沿x方向的最大投影纵向长度L1为0.25d，每个阶梯的高度相同，均为0.25d，导流面22在y方向与横向开槽2的底面相交线长度w为Id;导流面22在X方向的长度L与气膜孔孔径相等，导流面22与壁面的夹角β可根据开槽的深度H及导流面22在X方向的长度L算出。
[0036]采用本实施例结构，在吹风比为0.5的条件下，图6a为现有结构的气膜孔下游壁面气膜冷却效率分布(η)，图6b为本实用新型的气膜孔下游壁面气膜冷却效率分布，图中0.4和0.3代表两壁面该区域的气膜冷却效率为0.4和0.3，两条虚线是为了更清晰的展示出两种结构的气膜冷却效率分布，两图对比可以发现，在壁面的横向及展向，本实用新型有更好的气膜冷却效果。这是由于本实用新型在开槽的下游槽壁的中间布置顺流阶梯21，减小冷却气在壁面垂直方向的动量，冷却气能更好的沿壁面展向流动，冷却气在流经顺流阶梯21时，提高了冷却气对阶梯的冷却保护，顺流阶梯21也起到降低冷却气流速的作用，冷却气能更均匀的覆盖在壁面上，削弱了反向涡对的形成，提高壁面中心区域冷却效果。顺流阶梯21两侧的导流面22的作用是减小开槽槽壁对槽内部分冷却气的阻力，该部分冷却气顺着导流面22流经壁面两侧，对壁面的冷却效率起到叠加的作用，改善壁面横向冷却效果，具体数据分析可见图7和图8。
[0037]吹风比为0.5时，图7定量的分析了现有结构与本实用新型在气膜孔下游壁面中心线上的气膜冷却效率，本实用新型在壁面展向的气膜冷却效率要高于现有结构，在接近气膜孔的壁面上，由于现有结构的冷却气在壁面垂直方向有较大的动量，刚接触壁面时不能很好的被压覆在壁面上，所以在接近气膜孔的壁面上会出现一个峰值，而本实用新型就避免了这种现象的出现，在所研究的范围内，本实用新型与现有结构在壁面中心线上的气膜冷却效率平均提高了9.1%。
[0038]图8定量分析了本实用新型与现有结构在吹风比为0.5条件下的壁面横向气膜冷却效率，图8a为在x/d = 5处本实用新型与现有结构的壁面横向气膜冷却效率，从图中可以看出，本实用新型的横向气膜冷却效率明显高于现有结构，尤其是与导流面22连接的壁面区域，本实用新型在该位置的气膜冷却效率大大提高，这是由于导流面22减小了槽壁对槽内冷却气的阻力，与现有结构相比，槽内冷却气在壁面垂直方向的动量减小，沿壁面展向的速度增大，槽内流出的冷却气更贴近于壁面流动，减小该区域壁面上方的反向涡对强度，提高了壁面横向冷却效率，在x/d = 5、l<y/d<2和-2<y/d<_l处本实用新型的气膜冷却效率提高49%。图8b为在x/d=10处本实用新型与现有结构的壁面横向气膜冷却效率，从图中也可以发现，本实用新型在该位置的气膜冷却效率要高于现有结构，在与导流面22连接的壁面区域，在x/d = 5处气膜冷却效率虽然没有明显提高，但略有改善;在x/d=10处，本实用新型结构的横向气膜冷却效率平均提高12.7%。与现有结构相比，本实用新型不仅改善了壁面展向气膜冷却效率，还大大提高壁面横向气膜冷却效果。
[0039]实施例2
[0040]本实施例结构中各部分组成及相对位置关系同实施例1，顺流阶梯的阶梯数量为2个，不同之处在于，本实施例中顺流阶梯中两个阶梯的尺寸不完全一样，上面的阶梯在Y方向的长度要大于下面的阶梯，顺流阶梯在沿壁面横向方向(即Y方向)的最大投影长度与气膜孔孔径的比值为2.0，导流面22的俯视图为直角梯形。
[0041 ] 实施例3
[0042]本实施例结构中各部分组成及相对位置关系同实施例1，不同之处在于，顺流阶梯的阶梯数量为I个，且为具有倾斜表面的台阶。
[0043]本实用新型未述及之处适用于现有技术。
【主权项】
1.一种提高气膜冷却效率的结构，包括气膜孔、横向开槽和壁面，气膜孔设在壁面的上游区域，横向开槽开设在气膜孔的出口处，其特征在于该结构在横向开槽的下游槽壁上的中间位置开设有顺流阶梯，在顺流阶梯的两侧对称布置导流面，所述顺流阶梯迎着来流方向的平面垂直于壁面，顺流阶梯的最低点和最高点分别与横向开槽的底面和下游壁面平齐，顺流阶梯以过气膜孔出气孔中心且平行于壁面的中心线为轴对称布置;所述导流面为与壁面呈15°-75°夹角的斜坡，所述顺流阶梯的一个阶梯在沿壁面展向方向的最大投影纵向长度与气膜孔孔径的比值为0.25-1.0，顺流阶梯在沿壁面横向方向的最大投影长度与气膜孔孔径的比值为1.0-4.0;导流面与横向开槽的底面相交线的横向宽度与气膜孔孔径的比值为1.0-4.0。2.根据权利要求1所述的提高气膜冷却效率的结构，其特征在于所述顺流阶梯的阶梯个数为1-5个。3.根据权利要求1所述的提高气膜冷却效率的结构，其特征在于所述顺流阶梯的每个阶梯的形状尺寸相同。4.根据权利要求1所述的提高气膜冷却效率的结构，其特征在于所述顺流阶梯一个阶梯的纵截面的形状为矩形、半圆形、半椭圆形或梯形。5.根据权利要求1所述的提高气膜冷却效率的结构，其特征在于所述导流面的俯视图形状为梯形。6.根据权利要求1所述的提高气膜冷却效率的结构，其特征在于所述导流面的纵切面形状为曲边直角梯形或多边直角梯形。7.根据权利要求1所述的提高气膜冷却效率的结构，其特征在于所述气膜孔为圆柱形孔、锥形孔、矩形孔、梯形孔、月牙孔或簸箕形孔。8.根据权利要求1所述的提高气膜冷却效率的结构，其特征在于所述横向开槽的槽宽与气膜孔孔径的比为2-6，横向开槽的槽深与气膜孔孔径的比为0.2-1。9.根据权利要求1所述的提高气膜冷却效率的结构，其特征在于所述气膜孔相对于水平面的夹角为15°-60°，所述壁面的横向长度与气膜孔孔径的比值为3-10。
【文档编号】F01D5/18GK205445689SQ201620299735
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月12日
【发明人】王进, 崔沛, 李倩倩, 翟郑佳, 闵春华, 朱恒宣
【申请人】河北工业大学