一种增强壁面冷却效果的导流罩结构的制作方法

本发明涉及燃气轮机涡轮叶片气膜冷却技术领域，具体涉及一种增强壁面冷却效果的导流罩结构。

背景技术：

随着社会的发展，人们对燃气轮机性能的要求不断提高。涡轮入口燃气温度是制约燃气轮机效率的主要因素。提高入口燃气温度通常会受到叶片材料熔点的限制，通常采用特定的冷却技术以辅助降低叶片表面温度。气膜冷却在现代叶片冷却技术中应用最为广泛，即通过在高温叶片表面开设小孔，将冷却气体通过小孔射入主流，冷却气体在主流的压力作用下被压覆于壁面，形成一层将壁面与高温燃气隔绝开的保护膜，从而达到保护壁面的效果。

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，冷却气体出口法向速度大，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。

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，提供一种增强壁面冷却效果的导流罩结构。该结构是在气膜孔出气口处添加导流罩，通过导流罩对冷却气体的阻挡，从而增加了导流罩出口下游壁面的水平面内垂直于壁面中心线方向(或称横向，图2中z方向)和壁面中心线方向(或称展向，图2中x方向)的冷却效率，并且适用于其他冷却孔孔型结构。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种增强壁面冷却效果的导流罩结构，包括气膜孔和壁面，气膜孔出气口位于壁面的上游区域，其特征在于该结构还包括导流罩，所述导流罩位于气膜孔出气口上方，关于壁面中心线方向对称；所述导流罩包括两个侧壁、顶部平直段和迎主流段，两个侧壁、顶部平直段和迎主流段围成的区域内设有导流罩腔，导流罩腔完全覆盖在气膜孔出气口的上方；导流罩的上游端封闭为迎主流段，下游端设置出口；所述出口的宽度为导流罩腔的最大宽度e，出口的高度为导流罩腔的最大高度a；所述导流罩腔的最大宽度e与气膜孔的孔径d的比值为1.5-2.5，导流罩腔的最大长度g与气膜孔的孔径d的比值为1.7-2.5，气膜孔出气口前端距导流罩前端内壁的距离j与气膜孔的孔径d的比值为0-0.5，气膜孔出气口后端距出口的距离i与气膜孔的孔径d的比值为0.25-0.5。

与现有技术(圆柱形气膜孔)相比，本发明在圆柱形孔的基础上添加导流罩，通过导流罩内壁对冷却气体的阻挡作用，降低了冷却气体出口垂直壁面的速度，同时增加了冷却气体的横向速度，不设置凹槽或凸起仍然能够使冷气贴近壁面，显著提高壁面横向冷却效率。同时，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)下冷却气体也不会吹离壁面，因此本发明在高吹风比条件下也同样适用。

在吹风比大于1时，现有圆柱形气膜孔结构中圆柱形气膜孔射出的冷却气体几乎全部冲入主流，导致对壁面的冷却效果极低；不考虑开槽和凸起结构的影响，本发明导流罩结构出口射出的冷却气体能够覆盖于下游壁面，壁面横向和展向冷却效率都显著增加，对壁面起到很好的保护效果。除此之外，本发明还具有稳定性好，结构简单，实施方便，价格低廉等优点。

附图说明

图1本发明一种增强壁面冷却效果的导流罩结构的一种实施例的导流罩的立体结构示意图；

图2本发明实施例1的立体结构示意图；

图3本发明实施例1的主视结构示意图；

图4本发明实施例1的俯视结构示意图；

图5本发明实施例1的右视结构示意图；

图6a吹风比为1.0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6b吹风比为1.0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6c吹风比为1.0的条件下，本发明实施例4的气膜孔下游壁面的冷却效率分布图；

图6d吹风比为1.0的条件下，现有圆锥形离散气膜孔下游壁面的冷却效率分布图；

图7a吹风比为1.0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3倍孔径(x/d＝3)处气膜冷却效率分布的比较图；

图7b吹风比为1.0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15倍孔径(x/d＝15)处气膜冷却效率分布的比较图；

图8吹风比为1.0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；

图9a本发明一种增强壁面冷却效果的导流罩结构的冷却原理整体示意图；

图9b本发明一种增强壁面冷却效果的导流罩结构的冷却原理主视图；

图10a本发明实施例2的主视结构示意图；

图10b本发明实施例2的俯视结构示意图；

图10c本发明实施例2的右视结构示意图；

图11本发明实施例3的俯视结构示意图；

图12本发明实施例4的俯视结构示意图；

图中，1-气膜孔、2-壁面、3-导流罩、11-气膜孔进气口、12-气膜孔出气口、31-迎主流段、32-导流罩腔、33-侧壁、34-顶部平直段、35-出口。

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。

本发明增强壁面冷却效果的导流罩结构(简称结构，参见图1-5)包括气膜孔1、壁面2和导流罩3，气膜孔出气口12位于壁面的上游区域，所述导流罩3位于气膜孔出气口上方，关于壁面中心线方向(x方向)对称(如图4所示)；所述导流罩3包括两个侧壁33、顶部平直段34和迎主流段31，两个侧壁33、顶部平直段34和迎主流段31围成的区域内设有导流罩腔32，导流罩腔32完全覆盖在气膜孔出气口的上方，导流罩的上游端封闭为迎主流段，下游端设置出口35，所述出口35的宽度为导流罩腔的最大宽度e，出口的高度为导流罩腔的最大高度a；所述导流罩腔的最大宽度e与气膜孔的孔径d的比值为1.5-2.5，导流罩腔的最大长度g(长度指沿气体流动方向)与气膜孔的孔径d的比值为1.7-2.5，气膜孔出气口前端距导流罩前端内壁的距离j与气膜孔的孔径d的比值为0-0.5，气膜孔出气口后端距出口35的距离i与气膜孔的孔径d的比值为0.25-0.5。

本发明结构的进一步特征在于导流罩顶部平直段的壁厚b与气膜孔的孔径d的比值为0.25-0.5，两个侧壁的壁厚f与气膜孔的孔径d的比值为0.25-0.5，导流罩迎主流段最大壁厚c与气膜孔孔径比值为0.125-0.5，导流罩腔的最大高度a与气膜孔孔径比值为0.125-0.5。

本发明结构的进一步特征在于所述气膜孔1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，为不规则形状时，所述气膜孔的孔径d是指气膜孔进气口处对应的气膜孔的孔径。

本发明进一步特征在于导流罩的迎主流段31的几何形状可以为流线型或非流线型，如矩形、圆弧形、椭圆柱形等。

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°。

本发明进一步特征在于该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与气膜孔的孔径的比值为5-10。

本发明一种增强壁面冷却效果的导流罩结构，其重点在于导流罩形状及气膜孔孔型、导流罩腔的最大高度a、导流罩腔的最大长度g、导流罩腔的最大宽度e、气膜孔出气口前端距导流罩前端内壁距离j、气膜孔出气口后端距出口35的距离i、气膜孔中心线与壁面的夹角α、气膜孔出气口横向排布数量，以上参数对下游冷却效果的影响起决定作用。本发明气膜孔在高吹风比环境下，由于有导流罩的阻挡，可以减小出口冷却气体在垂直壁面方向(图2中y方向)上的分速度，使冷气贴壁流出，进而增大冷却效果。通过改变导流罩腔最大高度a、导流罩腔的最大长度g和导流罩腔的最大宽度e，可以改变冷却气体在下游壁面的横向覆盖面积，进而增大壁面横向冷却效率。

本发明一种增强壁面冷却效果的导流罩结构的冷却原理(参见图9a和图9b)是：冷却气体n通过气膜孔出气口12进入导流罩腔32内，由于导流罩壁的阻挡作用，降低冷却气体在垂直壁面方向(y方向)上的分速度，同时增加了横向(z方向)的分速度，使得冷却气体通过导流罩出口35与主流m混合时能很好地覆盖在壁面上，提高下游壁面横向和展向的冷却效率。本发明对于高吹风比(吹风比大于0.8)的情况效果更明显。

本发明中导流罩腔要求能完全覆盖气膜孔出气口，并且出口尺寸限制了导流罩的大小。

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。

实施例1

本实施例一种增强壁面冷却效果的导流罩结构(参见图1-5)包括气膜孔1、壁面2和导流罩3，气膜孔出气口12位于壁面的上游区域，所述导流罩3位于气膜孔出气口上方，关于壁面中心线方向(x方向)对称；所述导流罩3包括两个侧壁33、顶部平直段34和迎主流段31，两个侧壁33、顶部平直段34和迎主流段31围成的区域内设有导流罩腔32，导流罩腔32完全覆盖在气膜孔出气口的上方，导流罩的上游端封闭为迎主流段，下游端设置出口35，所述出口35的宽度为导流罩腔的最大宽度e，出口的高度为导流罩腔的最大高度a；所述导流罩腔的最大宽度e与气膜孔的孔径d的比值为2.0，导流罩腔的最大长度g(长度指沿气体流动方向)与气膜孔的孔径d的比值为2.0，气膜孔出气口前端距导流罩前端内壁的距离j与气膜孔的孔径d的比值为0.25，气膜孔出气口后端距出口35的距离i与气膜孔的孔径d的比值为0.25。

本实施例所述气膜孔为圆柱形气膜孔，孔径为d，气膜孔进气口11与壁面的垂直距离h为1.74d，喷射角α为35°；所述导流罩整体为长方体；导流罩顶部平直段的壁厚b与气膜孔的孔径d的比值为0.25，两个侧壁的壁厚f与气膜孔的孔径d的比值为0.25，导流罩迎主流段最大壁厚c与气膜孔孔径比值为0.125，导流罩腔的最大高度a与气膜孔孔径比值为0.25。

本实施例冷却气体n进入导流罩腔32后，由于导流罩壁35的阻挡，使冷却气体向横向扩散，并且通过导流罩出口35进入主流区域。

图6a为在吹风比为1.0的条件下，本实施例气膜孔下游壁面气膜冷却的效率分布，图6b为在吹风比为1.0的条件下，现有的圆柱形气膜孔(无凸起无横向凹槽)下游壁面气膜冷却的效率分布，图中均标注了冷却效率为0.2和0.3的区域。通过对比可发现，本实施例结构相对于仅有圆柱形气膜孔的结构，其气膜冷却效率在下游壁面的横向和展向均有显著提高。这是由于冷却气体进入导流罩腔32内与导流罩内壁相接触，冷却气体的壁面法向(y方向)速度降低，同时横向速度提高，使得冷却气体在壁面横向覆盖面积更广，同时又不会产生由于吹离壁面而造成冷气流失的问题，进而显著提高壁面横向冷却效率。

图7a和图7b为本实施例与现有圆柱形气膜孔结构在吹风比为1.0时，下游壁面展向3倍孔径(x/d＝3)和15倍孔径(x/d＝15)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3倍孔径还是15倍孔径处均有明显的提高，如图7a所示，在下游壁面展向3倍孔径处，本实施例的最高冷却效率接近1.0，而现有圆柱形气膜孔结构的最高冷却效率在0.3左右；在下游壁面展向15倍孔径处，本实施例的最低冷却效率比现有圆柱形气膜孔结构的最高冷却效率还要高。3倍孔径处，本实施例的平均冷却效率是现有结构的13倍；15倍孔径处，本实施例的平均冷却效率是现有结构的7倍。

在吹风比为1.0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。从图中可以发现，从气膜孔出气口到下游壁面16倍孔径处(x/d＝16),本实施例的冷却效率明显高于圆柱形气膜孔。而在16倍孔径之后，距离气膜孔较远位置，本实施例的冷却效率略低于圆柱形气膜孔。本发明展向平均冷却效率比现有结构提高了89.2％。

通过上述实验结果可知，本实施例导流罩结构在高吹风比下能显著提高壁面的横向和展向冷却效果。

实施例2

本实施例增强壁面冷却效果的导流罩结构(参见图10a、图10b和图10c)各部分组成及位置关系同实施例1，不同之处在于所述迎主流段31为流线型，在图10b的俯视图中，导流罩为矩形；所述导流罩腔的最大宽度e与气膜孔的孔径d的比值为2.2，导流罩腔的最大长度g与气膜孔的孔径d的比值为2.125，气膜孔出气口前端距导流罩前端内壁的距离j与气膜孔的孔径d的比值为0，即气膜孔出气口12的前端与导流罩3前端内壁相切，气膜孔出气口后端距出口35的距离i与气膜孔的孔径d的比值为0.5，导流罩腔的最大高度a与气膜孔孔径比值为0.375；迎主流段31的长度为气膜孔出气口长度k的一半，迎主流段31的长度为0.865d。

导流罩顶部平直段的壁厚b与气膜孔的孔径d的比值为0.25，两个侧壁的壁厚f与气膜孔的孔径d的比值为0.25，导流罩迎主流段最大壁厚c与气膜孔孔径比值为0.25。

本实施例中的流线型导流罩，可以减小主流气体对导流罩的冲击，进而减小导流罩的受磨损程度。

实施例3

本实施例增强壁面冷却效果的导流罩结构(参见图11)的各部分组成及位置关系同实施例1，不同之处在于气膜孔为圆锥形离散气膜孔，气膜孔出气口12的宽度为1.375d。迎主流段31为流线型半椭圆柱形，在图11的俯视图中，导流罩的迎主流段为半椭圆形，导流罩的两个侧壁的壁厚f为0.125d，导流罩的迎主流段最大壁厚c为0.25d。本实施例的导流罩，可以减小冷却气体对导流罩垂直壁面的冲击，同时流线型导流罩又可以减少导流罩两侧主流对导流罩的冲击，提高导流罩3的稳定性。所述气膜孔的孔径d是指气膜孔进气口处的孔径。

实施例4

本实施例增强壁面冷却效果的导流罩结构(参见图12)的各部分组成及位置关系同实施例1，不同之处在于气膜孔为圆锥形离散气膜孔，气膜孔出气口12的宽度为1.375d。导流罩整体形状为长方体，气膜孔出气口前端距导流罩前端内壁的距离j与气膜孔的孔径d的比值为0，即气膜孔出气口12的前端与导流罩3前端内壁相切。所述气膜孔的孔径d是指气膜孔进气口处的孔径。

图6c和图6d中给出了圆锥形离散气膜孔下，有无导流罩的壁面下游冷却效率分布图，图中标注了冷却效率为0.4和0.5的区域。通过对比可以发现，对于圆锥形离散气膜孔导流罩也可以有效减少冷却气体的流失，使冷却气体获得横向速度，增大了冷却气体的覆盖面积，从而提高下游壁面的冷却效率。

本发明未述及之处适用于现有技术。