一种用于涡轮叶片气膜冷却出口上游扩张孔结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于涡轮叶片气膜冷却出口上游扩张孔结构，由叶片内冷却通道、叶片吸力面气膜孔、叶片压力面气膜孔及倾斜主圆柱孔、扩张圆柱孔组成，叶片压力面气膜孔和叶片吸力面气膜孔与叶片内冷却通道相通；在倾斜主圆柱孔出口上游处逆着主流流向方向进行圆柱孔扩张而成，只有流向倾斜而无展向倾斜。气膜孔进口截面为完整的椭圆曲线，气膜孔出口截面为两个椭圆相交形成的曲线。涡轮叶片上的气膜孔扩张圆柱孔的中心线与叶片表面之间的夹角为35～90度，扩张圆柱孔直径d与主圆柱孔直径D之比为0.7；扩张孔喷出的冷气沿着流向覆盖面积较宽，且随着动量比增大仍能较好地贴附在壁面，具有冷却效果好、加工简单、成本较低的特点。
【专利说明】
一种用于涡轮叶片气膜冷却出口上游扩张孔结构
技术领域
[0001]本发明涉及燃气轮机涡轮叶片技术领域，具体地说，涉及一种用于涡轮叶片气膜冷却出口上游扩张孔结构。
技术背景
[0002]气膜冷却是应用在燃气轮机叶片上的冷却技术，即从压气机末级抽取高压冷气输运到叶片内部通道，冷气在通道内强化对流换热将一部分热量带走，同时一部分冷气从叶片壁上的气膜孔喷出，这股冷气在主流和流体科恩达效应的作用下向下游弯曲，粘附在叶片壁面附近，形成温度较低的冷气膜，将壁面同高温燃气隔离，并带走部分高温燃气或明亮火焰对壁面的辐射热量，从而起到良好的保护作用，以达到叶片不被高温燃气烧坏的目的。目前，涡轮叶片上主要采用圆柱孔型，但是圆柱孔型的射流比较集中，形成的气膜不能很好地覆盖所有展向区域，而且大吹风比下圆柱孔型射流容易冲出壁面不能形成有效的气膜覆盖。为了满足日益提高的现代燃气轮机性能要求，燃气温度不断升高，必须采用更高效的冷却技术，因而在气膜冷却技术中采用圆柱形孔的不足就显得越来越突出。
[0003]二十世纪70年代，国外学者首次发现在圆柱孔型的出口进行扩张设计能增强气膜冷却效率，且随吹风比增大扩张孔形冷却效率降低相对较小，这是因为一方面出口扩张降低了气膜孔出口射流垂直方向动量分量，使得射流更不容易喷射渗透进入主流，另一方面气流流过扩张处时出现科恩达效应，使得气流在拐角处能附于表面。从此之后，异形孔气膜冷却特性研究成为了气膜冷却技术研究的一个重要分支。在专利US20020090295中提出的孔型是一种出口扩张结构，是在出口上游和下游分别进行了扩张;在专利US20050042074中提出的孔型也是类似结构，并且在出口上游进行了二次扩张，截面呈现圆形形状。孔型形状虽然能够改善冷却效率，但加工难度较大、成本相对较高，因而目前还没有应用在实际叶片上。
【发明内容】
[0004]为了提高涡轮叶片气膜冷却出口圆柱孔型的气膜冷却效率，克服现有技术中异形孔加工困难、成本高的不足，本发明提出一种用于涡轮叶片气膜冷却出口上游扩张孔结构。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括叶片内冷却通道、叶片吸力面气膜孔、叶片压力面气膜孔、倾斜主圆柱孔、扩张圆柱孔，叶片压力面气膜孔和叶片吸力面气膜孔与叶片内冷却通道相通，其特征在于，在倾斜主圆柱孔出口上游处逆着主流方向进行圆柱形扩张，进口截面为椭圆曲线，出口截面为两个椭圆相交形成的曲线;所述倾斜主圆柱孔具有流向倾角α,倾角α为35°，倾斜主圆柱孔直径D为0.5?2mm;所述扩张圆柱孔直径d为0.7D，同时具有逆流向倾角，扩张圆柱孔的流向倾角为β，倾角β的取值范围为35?90° ;扩张圆柱孔的外轮廓线与倾斜主圆柱孔的外轮廓线交线的端点A与X轴相距P为0.2D。
[0006]有益效果
[0007]本发明提出的用于涡轮叶片气膜冷却出口上游扩张孔结构，由叶片内冷却通道、叶片吸力面气膜孔、叶片压力面气膜孔及倾斜主圆柱孔、扩张圆柱孔组成，叶片压力面气膜孔和叶片吸力面气膜孔与叶片内冷却通道相通;扩张孔结构是在倾斜主圆柱出口上游处逆着主流流向方向进行圆柱形扩张而成，只有流向倾斜而无展向倾斜。气膜孔进口截面是完整的椭圆曲线，出口截面则是两个椭圆相交形成的曲线。涡轮叶片上的气膜孔扩张圆柱孔的中心线与叶片表面之间的夹角为35?90度，扩张圆柱孔直径d与倾斜主圆柱孔直径D之比为d/D = 0.7。扩张气膜孔喷出的冷气沿着流向覆盖面积较宽，并且发现随着动量比增大仍能较好地贴附在壁面，具有冷却效果好的特点。涡轮叶片气膜冷却出口上游扩张孔结构通过不同型号的钻头直接加工而成，加工简单方便，成本较低。
【附图说明】
[0008]下面结合附图和实施方式对本发明一种用于涡轮叶片气膜冷却出口上游扩张孔结构作进一步的详细说明。
[0009]图1为本发明用于涡轮叶片气膜冷却出口上游扩张孔结构位置示意图。
[0010]图2为本发明的气膜孔单元结构示意图。
[0011 ]图3为本发明的气膜孔单元结构主视图。
[0012]图4为本发明的气膜孔单元结构俯视图。
[0013]图中:
[0014]1.叶片压力面气膜孔2.叶片吸力面气膜孔3.叶片内冷却通道4.倾斜主圆柱孔
5.扩张圆柱孔
【具体实施方式】
[0015]参阅图1?图4，本实施例用于涡轮叶片气膜冷却出口上游扩张孔结构，由叶片内冷却通道3、叶片吸力面气膜孔2、叶片压力面气膜孔1、倾斜主圆柱孔4、扩张圆柱孔5组成，叶片压力面气膜孔和叶片吸力面气膜孔与叶片内冷却通道3相通;扩张孔结构是在倾斜主圆柱孔4出口上游处逆着主流流向方向进行圆柱形扩张而成，只有流向倾斜而无展向倾斜。气膜孔进口截面为椭圆曲线，出口截面为两个椭圆相交形成的曲线。倾斜主圆柱孔4具有流向即X向倾角α，不具有展向倾角，扩张圆柱孔5具有逆流向即-X向倾角，不具有展向倾角，扩张圆柱孔5的流向倾角为β。叶片气膜孔结构可通过两次不同型号的钻头直接加工而成，加工简单方便。在叶片气膜冷却出口上游进行了扩张，该扩张使得出口下游附近沿流向方向中心线处的气膜覆盖面积有了一定的减小，但随着流向下游，气膜覆盖面积明显比圆柱形孔大，是因为相对圆柱形孔，出口扩张降低了出口冷气的垂直速度分量，改变了主流流场分布，降低了冷气与主流的掺混作用并使得冷气在主流的作用下更好地贴附壁面，沿流动方向冷却效率下降缓慢;更大的展向速度扩大了气膜冷却展向覆盖面积。
[0016]实施例一
[0017]本实施例是用于某型涡轮叶片气膜冷却出口上游扩张孔结构。在涡轮叶片的压力面和吸力面分别设置有叶片压力面气膜孔I和叶片吸力面气膜孔2，叶片压力面气膜孔I和叶片吸力面气膜孔2与叶片内冷却通道3相通，由叶片内冷却通道3供气。在流向倾斜主圆柱孔4出口上游处逆着主流流向方向进行圆柱形扩张，倾斜主圆柱孔具有流向倾角α，倾斜主圆柱孔直径D;扩张圆柱孔5直径为d，同时扩张圆柱孔5具有逆流向即-X向倾角，不具有展向倾角，扩张圆柱孔5的流向倾角β = 90° ο倾斜主圆柱孔4具有流向倾角α，倾角α = 35°，其不具有展向倾角，倾斜主圆柱孔直径D = Imm;以倾斜主圆柱孔4的出口中心为原点，流向为X轴，展向为Z轴。在Y轴方向上，圆柱的高度为H=3D = 3mm，其外轮廓长为L = 5.23mm。扩张圆柱孔5具有逆流向即-X向倾角，不具有展向倾角，扩张圆柱孔5的流向倾角β = 90°，其直径d =
0.7D = 0.7mm。扩张圆柱孔5的外轮廓线与倾斜主圆柱孔4外轮廓线交线的端点A与X轴相距P= 0.2D = 0.2mm。
[0018]本实施例是比较特殊的一种情况，因为扩张圆柱孔5的流向倾角β= 90°意味着扩张圆柱孔的中心线是沿着Y轴方向，从俯视图中可发现扩张圆柱的截面是一段优弧，而不是一部分椭圆。
[0019]实施例二
[0020]本实施例是用于某型涡轮叶片气膜冷却出口上游扩张孔结构。在涡轮叶片的压力面设置有叶片压力面气膜孔I，在涡轮叶片的吸力面设置有叶片吸力面气膜孔2，叶片压力面气膜孔I和叶片吸力面气膜孔2与叶片内冷却通道3相通，由内冷却通道3供气。流向倾斜主圆柱孔4出口上游处逆着主流流向方向进行圆柱形扩张，倾斜主圆柱孔4的倾角为α，圆柱直径为D;扩张圆柱孔5直径为d，同时具有逆流向即-X向倾角，不具有展向倾角，扩张圆柱孔5的流向倾角为β = 55°。倾斜主圆柱孔4具有固定的流向倾角α = 35°其不具有展向倾角，直径D = Imm，以倾斜主圆柱孔4的出口中心为原点，流向为X轴，展向为Z轴;在Y轴方向上，圆柱的高度为H=3D = 3mm，其外轮廓长为L = 5.23mm。扩张圆柱孔5具有逆流向即-X向倾角，不具有展向倾角，扩张圆柱孔5的流向倾角为β = 55°，其直径为d = 0.7D = 0.7mm。扩张圆柱孔5的外轮廓线与倾斜主圆柱孔4外轮廓线交线的端点A与X轴相距P = 0.2D = 0.2mm。
[0021 ] 实施例三
[0022]本实施例是用于某型涡轮叶片气膜冷却出口上游扩张孔结构。在涡轮叶片的压力面设置有叶片压力面气膜孔I，在涡轮叶片的吸力面设置有叶片吸力面气膜孔2，叶片压力面气膜孔I和叶片吸力面气膜孔2与叶片内冷却通道3相通，且由内冷却通道3供气。流向倾斜主圆柱孔4出口上游处逆着主流流向方向进行圆柱形扩张，倾斜主圆柱孔4的倾角为α，圆柱直径为D;扩张圆柱孔5直径为d，同时具有逆流向即-X向倾角，不具有展向倾角，扩张圆柱孔5的流向倾角为β = 35°。倾斜主圆柱孔4具有固定的流向倾角α = 35°，其不具有展向倾角，直径为D = Imm，以倾斜主圆柱孔4的出口中心为原点，流向为X轴，展向为Z轴。在Y轴方向上，圆柱的高度为H= 3D = 3mm，其外轮廓长为L = 5.23mm。扩张圆柱孔5具有逆流向即-X向倾角，不具有展向倾角，扩张圆柱孔5的流向倾角为β = 35°，其直径为d = 0.7D = 0.7mm。扩张圆柱孔5的外轮廓线与倾斜主圆柱孔4外轮廓线交线的端点A与X轴相距P = 0.2D = 0.2mm。
【主权项】
1.一种用于涡轮叶片气膜冷却出口上游扩张孔结构，包括叶片内冷却通道、叶片吸力面气膜孔、叶片压力面气膜孔、倾斜主圆柱孔、扩张圆柱孔，叶片压力面气膜孔和叶片吸力面气膜孔与叶片内冷却通道相通，其特征在于:在倾斜主圆柱孔出口上游处逆着主流方向进行圆柱形扩张，进口截面为椭圆曲线，出口截面为两个椭圆相交形成的曲线;所述倾斜主圆柱孔具有流向倾角α,倾角α为35°，倾斜主圆柱孔直径D为0.5?2mm;所述扩张圆柱孔直径d为0.7D，同时具有逆流向倾角，扩张圆柱孔的流向倾角为β，倾角β的取值范围为35?90° ;扩张圆柱孔的外轮廓线与倾斜主圆柱孔的外轮廓线交线的端点A与X轴相距P为0.2D。
【文档编号】F01D5/18GK105909318SQ201610263415
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月26日
【发明人】朱惠人, 周申平, 魏建生
【申请人】西北工业大学