一种用于燃机叶片的气膜冷却结构的制作方法

1.本实用新型涉及一种燃气轮机叶片的冷却技术领域，特别是涉及一种用于燃机叶片的气膜冷却结构的技术领域。


背景技术：

2.随着现代燃机效率和功率的要求不断提升，透平叶片进口气流温度也越来越高；燃机叶片1可分为叶根a、叶片b以及叶顶c，并且根据燃气进给方向分为前缘d和尾缘e；在检修中发现，叶顶c存在高温现象，该区域的热障涂层和基材会受到损伤；因此气膜冷却技术作为一种行之有效的热防护措施变得尤为重要，气膜冷却由壁面上气膜孔喷出冷却来阻隔燃气流对壁面的加热，主要起到两个作用，一通过冷却气流带走一部分热量，二是通过冷却气将壁面和燃气阻隔，保护壁面。
3.如专利文献cn107143383a，透平叶片的叶顶凹槽处一般设置等间距的多个气膜孔，容易导致整个叶片结构的不稳固，并且多次开孔容易增加工序复杂和成本；此外，该文献中的气膜孔一般还设于叶片压力面处，无法对叶顶吸力面进行有效的降温。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种用于燃机叶片的气膜冷却结构，用于解决现有技术中在简化气膜冷却结构同时，保持更好的冷却性能的问题。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种用于燃机叶片的气膜冷却结构，包括：
6.燃机叶片，所述燃机叶片的叶顶前缘沿叶片高度设线性阵列的多个第一气膜孔；
7.所述燃机叶片的叶顶凹槽沿中弦线设四个气膜出气区域；每个所述气膜出气区域沿中弦线设线性阵列的多个第二气膜孔；
8.所述燃机叶片的叶顶压力面外侧的全弦长设线性阵列的多个第三气膜孔；每个所述第三气膜孔的轴线与所述叶顶压力面的切线方向呈锐角，每两相邻的所述第三气膜孔的距离由前缘至尾缘逐渐增大；
9.所述燃机叶片的叶顶吸力面外侧由前缘至中弦区段设线性阵列的多个第四气膜孔；
10.所述第一气膜孔、所述第二气膜孔、所述第三气膜孔和所述第四气膜孔均与所述燃机叶片的冷却气流腔连通。
11.优选地：多个所述第四气膜孔设于前缘至所述叶片吸力面的喉口前。
12.优选地：所述第一气膜孔、所述第三气膜孔和所述第四气膜控的孔径均为d1， 0.5mm≤d1≤1.5mm；并且每两相邻的第一气膜孔、或所述第三气膜孔或所述第四气膜孔之间间距为5～8d1，且法向夹角为30
°
～60
°
。
13.优选地：所述第二气膜孔孔径均为d2，1mm≤d2≤4mm。
14.优选地：由所述叶顶前缘起算的第一个所述气膜出气区域，该所述气膜出气区域所在位置为10％～20％的中弦线长度；该所述气膜出气区域的所述第二气膜孔的轴线与所述叶顶凹槽所在面的夹角为θ1，10
°
≤θ1≤40
°
；该区域内的所述第二气膜孔的轴线与中弧线切线方向夹角为δ1，0
°
≤δ1≤40
°
。
15.优选地：由所述叶顶前缘起算的第二个所述气膜出气区域，该所述气膜出气区域所在位置为35％～40％的中弦线长度；该所述气膜出气区域的所述第二气膜孔的轴线与所述叶顶凹槽所在面的夹角为θ2，20
°
≤θ2≤50
°
，该区域内的所述第二气膜孔的轴线与中弧线切线方向夹角为δ2，
‑
10
°
≤δ2≤30
°
。
16.优选地：由所述叶顶前缘起算的第三个所述气膜出气区域，该所述气膜出气区域所在位置为50％～55％的中弦线长度；该所述气膜出气区域的所述第二气膜孔的轴线与所述叶顶凹槽所在面的夹角为θ3，20
°
≤θ3≤50
°
，该区域内的所述第二气膜孔的轴线与中弧线切线方向夹角为δ3，
‑
30
°
≤δ3≤
‑
10。
17.优选地：由所述叶顶前缘起算的第四个所述气膜出气区域，该所述气膜出气区域所在位置为85％～90％的中弦线长度；该所述气膜出气区域的所述第二气膜孔的轴线与所述叶顶凹槽所在面的夹角为θ4，60
°
≤θ4≤90
°
；该区域内的所述第二气膜孔的轴线与中弧线切线方向夹角为δ4，
‑
30
°
≤δ4≤0
°
。
18.如上所述，本实用新型的一种用于高压涡轮动力叶片顶部的气膜冷却结构，具有以下有益效果：
19.本实用新型改进叶顶区域的冷却设计，通过在在叶顶的四个区域设置气膜孔，使低温冷气从气膜孔内流出后立刻覆盖在叶顶表面，形成有效的冷气保护，达到改善叶顶超温的目的。
附图说明
20.图1显示为本实用新型的一种用于燃机叶片的气膜冷却结构的燃机叶片的立体图；
21.图2显示为本实用新型的一种用于燃机叶片的气膜冷却结构的燃机叶片的叶顶处；
22.图3显示为本实用新型的一种用于燃机叶片的气膜冷却结构的多个第二气膜孔的布置图；
23.图4显示为本实用新型的一种用于燃机叶片的气膜冷却结构的多个第二气膜孔和叶顶凹槽的夹角的示意图；
24.图5显示为本实用新型的一种用于燃机叶片的气膜冷却结构的多个第二气膜孔和中弧线的夹角的示意图；
25.图6显示为本实用新型的一种用于燃机叶片的气膜冷却结构的多个第一气膜孔和多个第三气膜孔的示意图；
26.图7显示为本实用新型的一种用于燃机叶片的气膜冷却结构的多个第四气膜孔的示意图；
27.图8显示为本实用新型的一种用于燃机叶片的气膜冷却结构和现有技术的温度比较图；
28.图9显示为本实用新型的一种用于燃机叶片的气膜冷却结构的两相对燃机叶片的喉口的示意图；
29.图10显示为本实用新型的一种用于燃机叶片的气膜冷却结构的燃机叶片未设气膜孔的温差图；
30.图11显示为本实用新型的一种用于燃机叶片的气膜冷却结构的温差图。
31.元件标号说明
32.现有技术
33.a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
叶根
34.b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
叶片
35.c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
叶顶
36.d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
前缘
37.e
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
尾缘
38.本技术
[0039]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
燃机叶片
[0040]
111
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一气膜孔
[0041]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
叶顶凹槽
[0042]
120
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
气膜出气区域
[0043]
1201
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
a区域
[0044]
1202
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
b区域
[0045]
1203
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
c区域
[0046]
1204
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
d区域
[0047]
121
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二气膜孔
[0048]
1211
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
a区域的第二气膜孔
[0049]
1212
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
b区域的第二气膜孔
[0050]
1213
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
c区域的第二气膜孔
[0051]
1214
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
d区域的第二气膜孔
[0052]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
叶顶压力面
[0053]
131
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第三气膜孔
[0054]
14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
叶顶吸力面
[0055]
141
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第四气膜孔
具体实施方式
[0056]
以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。
[0057]
请参阅图1至图9。须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、
“
右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。
[0058]
如图1所示，本实用新型提供一种用于燃机叶片的气膜冷却结构，包括：
[0059]
燃机叶片1，燃机叶片1的叶顶前缘沿叶片高度设线性阵列的多个第一气膜孔111；
[0060]
燃机叶片1的叶顶凹槽12沿中弦线设四个气膜出气区域120；每个气膜出气区域121沿中弦线设线性阵列的多个第二气膜孔121；四个气膜出气区域120分别为由前缘至尾缘的a 区域1201、b区域1202、c区域1203和d区域1204；且a区域1201设置的第二气膜孔121 均朝向叶顶吸力面14，从而使得a区域吹出的冷气可对该处区域1201以及叶顶吸力面14进行冷却；
[0061]
燃机叶片1的叶顶压力面13外侧的全弦长设线性阵列的多个第三气膜孔131；
[0062]
燃机叶片1的叶顶吸力面14外侧由前缘至中弦区段设线性阵列的多个第四气膜孔141；
[0063]
第一气膜孔111、第二气膜孔121、第三气膜孔131和第四气膜孔141均与燃机叶片1的冷却气流腔连通。
[0064]
本实用新型通过在叶顶的四个区域(叶顶前缘、叶顶凹槽12、叶顶压力面13和叶顶吸力面14)设置气膜孔(包括第一气膜孔111、第二气膜孔121、第三气膜孔131和第四气膜孔141)用于冷却，并且通过cfd数值方法可比较得出相对于未开设气膜孔的叶顶设计(参见图10)，参见图11，本实用新型的设计可使得叶顶平均温度降低约70k，且冷气增量百分比仅为0.8％；说明本实用新型的叶顶气膜设计可在避免明显增加冷气量的条件下，有效降低叶片顶部区域的热载荷，起到冷却保护叶顶作用；另外，本实用新型设置叶顶凹槽12的a 区域1201可朝向叶顶吸力面14喷射冷气，从而进一步对叶顶吸力面14进行冷却。
[0065]
由于靠近叶顶前缘的部分更容易收到燃气侵蚀，因此需在叶顶前缘沿叶片高度设线性阵列的多个第一气膜孔111，从而保护燃机叶片1的前缘不被燃气侵蚀。
[0066]
由于冷气存在叠加效应，而通过将孔间距由密到疏排布，能够更好发挥冷气叠加效应，从而改善叶顶压力面13和尾缘的高温；因此现在叶顶压力面13外侧的全弦长设线性阵列的多个第三气膜孔131，每两相邻的第三气膜孔131的距离由前缘至尾缘逐渐增大。
[0067]
为了使得第三气膜孔131冷却射流顺着外部主流的方向，贴附在下游壁面上；现设置使得每个第三气膜孔131的中心线方向与叶顶压力面13的切线方向呈锐角。
[0068]
对于叶顶吸力面14的后半段，由于存在叶顶气流越过现象，可在一定程度上进行冷却保护，无需布置气膜孔；并且为了叶顶吸力面14位于喉口(参见图9所示，燃机叶栅通道中，该通道最小截面处，并且喉口的一侧位于一燃机叶片的尾缘，另一侧位于相对燃机叶片的叶顶吸力面14)的后侧处避免发生流动分离以及流态复杂，现在叶顶吸力面14的外侧的喉口前设置气膜孔，具体的，多个第四气膜孔141设于前缘至叶片吸力面14的喉口前。
[0069]
本实施例中，第一气膜孔111、第三气膜孔131和第四气膜孔141的孔径均为d1， 0.5mm≤d1≤1.5mm；并且每两相邻的第一气膜孔111、或第三气膜孔131或第四气膜孔141之间间距为5～8d1，且法向夹角为30
°
～60
°
。
[0070]
本实施例中，第二气膜孔121的孔径为d2，且范围为1mm≤d2≤4mm；通过增大d2的孔径，实现增加冷气量的效果，从而吹出来的冷气可使叶顶降温幅度增大。另外，第二气膜
孔 121的轴向与叶顶凹槽12的凹槽面呈锐角，且与中弧线切线方向呈锐角；另外，通过cfd 仿真方式，得出效果最好的第二气膜孔121的排布，在第二气膜孔121的数量为五个的情况下，具体如下设置：
[0071]
为了能够叶顶凹槽12的各孔能够实现不同的作用；具体的，分为四个气膜出气区域120 分别为由前缘至尾缘的a区域1201、b区域1202、c区域1203和d区域1204；a区域能够集中冷却叶顶吸力面14的30～40％弦长处以及叶顶凹槽12的前部，而b区域和c区域的第二气膜孔121能够冷却叶顶凹槽12的中后部，而d区域1204的第二气膜孔1214能够冷却叶顶凹槽12的尾部。具体的：
[0072]
由叶顶前缘起算的第一个气膜出气区域120
‑
a区域1201：该a区域1201所在位置为 10％～20％的中弦线长度；该a区域1201的第二气膜孔1211的轴线与叶顶凹槽12所在面的夹角为θ1，10
°
≤θ1≤40
°
；该a区域1201的第二气膜孔1211的轴线与中弧线切线方向夹角为δ1，0
°
≤δ1≤40
°
。通过将δ1设置为正数，从而使得a区域1201喷射出的冷气能够朝向叶顶吸力面14。
[0073]
由叶顶前缘起算的第二个气膜出气区域120
‑
b区域1202：该b区域1202所在位置为 35％～40％的中弦线长度；该b区域1202的第二气膜孔1212的轴线与叶顶凹槽12所在面的夹角为θ2，20
°
≤θ2≤50
°
，该b区域1202的第二气膜孔1212的轴线与中弧线切线方向夹角为δ2，
‑
10
°
≤δ2≤30
°
。
[0074]
由叶顶前缘起算的第三个气膜出气区域120
‑
c区域1203：该c区域1203所在位置为 50％～55％的中弦线长度；该c区域1203的第二气膜孔1213的轴线与叶顶凹槽12所在面的夹角为θ3，20
°
≤θ3≤50
°
，该c区域1203的第二气膜孔1213的轴线与中弧线切线方向夹角为δ3，
‑
30
°
≤δ3≤
‑
10
°
。
[0075]
由叶顶前缘起算的第四个气膜出气区域120
‑
d区域1204：该d区域1204所在位置为 85％～90％的中弦线长度；该d区域1204的第二气膜孔1214的轴线与叶顶凹槽12所在面的夹角为θ4，60
°
≤θ4≤90
°
；该d区域1204内的第二气膜孔1214的轴线与中弧线切线方向夹角为δ4，
‑
30
°
≤δ4≤0
°
。
[0076]
综上所述，本实用新型改进叶顶区域的冷却设计，通过在在叶顶的四个区域(叶顶前缘、叶顶凹槽12、叶顶压力面13和叶顶吸力面14)设置气膜孔(包括第一气膜孔111、第二气膜孔121、第三气膜孔131和第四气膜孔141)，使低温冷气从气膜孔内流出后立刻覆盖在叶顶表面，形成有效的冷气保护，达到改善叶顶超温的目的；另外，相比于现在未开设气膜孔的设置，本实用新型设置气膜孔后的叶顶的三维温度分布，在冷气增量百分比仅为0.8％。实现平均温度降低约70k的效果，有效降低叶片顶部区域的热载荷，起到冷却保护叶顶作用。
[0077]
所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0078]
上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。