一种用于涡轮叶片的拱型凹槽气膜冷却结构.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN106593543A(43)申请公布日2017.04.26(21)申请号201611060124.4(22)申请日2016.11.28(71)申请人西北工业大学地址710072陕西省西安市友谊西路127号(72)发明人张丽张博伦朱惠人刘存良魏建生姚春意(74)专利代理机构西北工业大学专利中心61204代理人陈星(51)Int.Cl.F01D5/18(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图2页(54)发明名称一种用于涡轮叶片的拱型凹槽气膜冷却结构(57)摘要本发明公开了一种用于涡轮叶片的拱型凹槽气膜冷却结构，通过在气膜孔出口设置拱形凹槽前缘与带倒圆角的凹槽后缘而成。拱形凹槽前缘通过将横向凹槽的底部与四分之一圆柱弧求差得到，且圆柱弧的半径小于槽深。拱形前缘有效地将气流离开气膜孔后的法向速度平顺过渡为流向速度，避免大量冷却气流直接射入主流造成冷气损失；冷却气流速度的平缓过渡，减小了射流的动量损失，使射流更好地贴覆壁面。带倒圆角的凹槽后缘减少了射流与后缘的碰撞，从而降低了冷却气流的流动阻力，使得射流更加容易的分向两边，增加冷气的展向覆盖，与此同时，还可使得爬升出凹槽的冷气紧紧贴覆在近壁面处，形成气膜对凹槽下游壁面保护,冷却效果好。CN106593543ACN106593543A权利要求书1/1页1.一种用于涡轮叶片的拱型凹槽气膜冷却结构，包括凹槽前缘、气膜孔板、气膜孔、凹槽后缘、圆柱弧、倒圆角、压力面拱型凹槽气膜孔、吸力面拱型凹槽气膜孔、内冷通道、扇形气膜孔，在涡轮叶片的压力面上设有压力面拱型凹槽气膜孔，在吸力面上设有吸力面拱型凹槽气膜孔，压力面拱型凹槽气膜孔和吸力面拱型凹槽气膜孔的两端分别形成气流的出口和入口,且与叶片内冷通道相通，其特征在于:在气膜孔出口部位设置有凹槽前缘与凹槽后缘，凹槽前缘与凹槽后缘组合形成拱形凹槽，位于气膜孔板上面，凹槽前缘底部与气膜孔出口前缘平齐，凹槽后缘与气膜孔出口后缘平齐；凹槽前缘与凹槽后缘的间距为W,凹槽前缘与凹槽后缘的厚度为H；气膜孔展向间距为S；所述气膜孔最小截面当量直径Df取值范围为0.3～2mm，气膜孔流向倾角θ取值范围为30～60°,气膜孔展向间距距S取值范围为2Df～4Df；凹槽前缘与凹槽后缘的厚度H取值范围为0.5Df～1.5Df；所述凹槽前缘为拱形结构,通过将横向凹槽的底部与圆柱弧求差得到，用于求差的圆柱弧半径Rl比凹槽前缘厚度H小0.1Df；所述凹槽后缘带有倒圆角,倒圆角半径Rt的取值范围为0.3Df～1.5Df。2.根据权利要求1所述的用于涡轮叶片的拱型凹槽气膜冷却结构，其特征在于:所述气膜孔为圆柱气膜孔或扇形气膜孔。3.根据权利要求1所述的用于涡轮叶片的拱型凹槽气膜冷却结构，其特征在于:所述圆柱弧为四分之一圆柱。2CN106593543A说明书1/4页一种用于涡轮叶片的拱型凹槽气膜冷却结构技术领域[0001]本发明涉及燃气轮机涡轮叶片的冷却技术领域，具体地说，涉及一种用于涡轮叶片的拱型凹槽气膜冷却结构。技术背景[0002]随着燃气轮机性能的改善,涡轮入口温度不断提高,现如今一些先进发动机的涡轮前进口温度已经达到2000K以上，因此，必须使用有效的冷却措施对涡轮叶片进行保护，避免叶片受到高温腐蚀和损伤。气膜冷却是叶片上使用的典型冷却方式之一。气膜冷却就是在壁面附近沿切线或以一定角度射入一股低温气流，用以将高温燃体与壁面隔离，达到对受热壁面的冷却保护作用。[0003]气膜圆柱孔型作为最早出现的孔型，得到了广泛的应用和研究。但是在随后的研究中发现圆柱孔所形成的气膜无法对孔间区域形成冷却保护，射流气体抬高使得近壁面无法形成气膜覆盖。随着气膜冷却技术的发展发现在气膜孔出口处沿着与冷气流动垂直的方向开一个有一定深度和宽度的横槽，可显著改善槽下游冷却壁面的冷却效果，但位于气膜孔出口处的凹槽后缘对射流的阻挡作用很强，射流很难向两边扩散，而且会在凹槽内形成回流涡大大的增加了流动阻力，流向孔间的射流十分有限，无法形成均匀的的气膜覆盖，而且射流离开气膜孔后由于法向速度较大造成大量的射流射入主流，气膜无法形成在近壁面处，冷却效果并不是太理想，因而很多学者通过改变凹槽前缘后缘结构来改善气膜冷却效果。类似缝槽气膜孔结构也被提出的，但是由于斜坡状凹槽前后缘使得射流不能实现平缓过渡，造成动量损失，射流的法相速度并没有得到明显改善。而且蒋永健等人发现凹槽后缘改成斜坡形状能够改善射流的展向覆盖范围，但是对冷却效率的提高并不明显。从而使得减小法相速度和提高射流的展向扩散能力的提升有限。发明内容[0004]为了避免现有技术存在的不足，提高横槽孔射流的展向覆盖范围，并减小其流动阻力，使得射流在近壁面处形成有效的气膜，本发明提出一种用于涡轮叶