一种应用于涡轮静叶的气膜冷却结构

1.本发明属于涡轮叶片冷却技术领域，具体涉及一种应用于涡轮静叶的气膜冷却结构。


背景技术：

2.热力学相关原理，以及燃气轮机工作原理可知，提高燃气初温是一种能够显著提高燃气轮机功率以及整机效率的方法。近年来，燃气轮机第一级涡轮叶片前的燃气初温已经到达了2000k，这已经远远地超过了一般材料的耐热极限，为了燃气轮机的安全运行虽然已经采用了各种先进高温材料来提高叶片材料的耐热性，如定向结晶、单晶等技术，但是仍然无法满足运行温度需求，所以对涡轮叶片进行高效冷却是非常有必要的。燃气轮机透平的发展经过无冷却、有且仅有内部冷却到同时拥有外部冷却和内部冷却三个过程。
3.气膜冷却是一种应用于燃气轮机透平叶片外部冷却的主要方式，它是从处于高温环境的表面上的一个或多个离散孔中引入二次流(冷却工质或射流)，喷射出的冷却工质在高温主流的压力和摩擦力共同作用下向壁面弯曲并粘附在壁面上，在需要被冷却的壁面形成冷气膜以阻隔高温主流对壁面的传热、热辐射和腐蚀。气膜冷却技术广泛应用于现代燃气轮机透平叶片冷却部位，这些需要被冷却的部件包括了端壁/平台、燃烧室、透平叶片前缘淋浴头、压力面和吸力面和叶顶等。所使用的冷气空气是从压气机相应级中抽取，通过二次空气系统输运到各个需要冷却的部位。气膜冷却通过二次空气系统将压气机的高压冷气运送到涡轮叶片内部，冷却气体从气膜孔出口出射，在叶片表面形成一层薄薄的气膜，以保护叶片不被高温燃气烧蚀。传统气膜冷却由于存在射流动量集中、穿透性较强、覆盖性较弱的缺点，射流冷气的利用率较低。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种以提高气膜冷却效果、提高冷气利用率、减少冷气消耗量和提高燃气轮机整机效率的应用于涡轮静叶的气膜冷却结构。
5.本发明的目的通过如下技术方案来实现：
6.一种应用于涡轮静叶的气膜冷却结构包括：冷气腔、第一组气膜孔入口、第一组气膜孔出口、叶片表面凹槽、第二组气膜孔入口、第二组气膜孔出口；第一组圆柱形气膜冷却孔入口连接冷气腔，第一组气膜孔出口固定在叶片表面凹槽上，叶片表面凹槽固定在叶片压力面上，第二组圆柱形气膜孔入口固定在叶片表面凹槽的另一端，第二组圆柱形气膜孔贯穿整个叶片，第二组气膜孔出口固定在涡轮静叶吸力面上。
7.进一步地，所述第一组圆柱形气膜孔与冷气腔径向夹角α1＝20
°
～60
°
，第一组圆柱形气膜孔径d＝0.7～1.4mm。
8.进一步地，所述叶片表面凹槽底面与第一组气膜孔中心线的夹角为β1＝20～40
°
。
9.进一步地，所述叶片表面凹槽的入口处深度σ1＝1～1.5d，片表面凹槽出口处深度为0。
10.进一步地，所述叶片表面凹槽呈渐扩状，两侧边的轴向角度为β2＝40～70
°
。
11.进一步地，所述第二组圆柱形气膜孔径向夹角为α2＝20
°
～60
°
，第二组气膜孔的孔径为d2＝0.2～0.4d1。
12.进一步地，所述两个第二组气膜孔入口对称分布，两孔之间的距离l1＝1d～2d。
13.进一步地，所述第二组圆柱形气膜孔入口与第一组气膜孔出口之间的距离l2＝2d～4d。
14.本发明的有益效果在于：
15.1、本发明在第一组气膜孔出口处设置凹槽，且凹槽的深度逐渐降低，这增加了气膜孔出口面积，减小了冷气出射速度，这能使冷气射流更好地贴附在凹槽表面；由于康达效应，冷气从气膜孔出口出射后会向两侧扩展，增加覆盖宽度，因此凹槽按梯形逐渐变宽的设计也可以更好地配合冷气流动使其覆盖在凹槽表面。
16.2、本发明采用了第二组气膜孔，第二组气膜孔贯穿整个静叶叶片，因为静叶压力面与吸力面存在压力差与温度差，所以第一组气膜孔出口处流出的冷却气体能更好的贴附在凹槽壁面上，轻度掺混的气流进入第二组气膜孔还可以减少叶片的热应力，增加叶片使用寿命，从第二组气膜孔出口射出后形成气膜，因此冷气得以二次利用，这可以减少冷气消耗量，从而提高整机效率。
附图说明
17.图1是应用于涡轮静叶的气膜冷却结构的结构示意图；
18.图2是应用于涡轮静叶的气膜冷却结构凹槽处的俯视示意图；
19.图3是应用于涡轮静叶的气膜冷却结构的刨面示意图；
20.图4是应用于涡轮静叶的气膜冷却结构的冷气流动示意图。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明做进一步描述。
22.根据图1至图4，本发明提出了一种应用于涡轮静叶的气膜冷却结构，包括一个冷气腔1，第一组圆柱形气膜冷却孔入口2，第一组圆柱形气膜冷却孔出口3，叶片表面凹槽4，第二组气膜孔入口5贯穿整个叶片，第二组气膜孔出口6。
23.第一组圆柱形气膜冷却孔入口2与冷气腔1相连，出口3固定在叶片表面凹槽4上，叶片表面凹槽4固定在叶片压力面上，第二组圆柱形气膜孔入口5固定在叶片表面凹槽4的下游部分，第二组圆柱形气膜孔贯穿整个叶片，第二组气膜孔出口6固定在涡轮静叶吸力面上。
24.根据图2，第一组圆柱形气膜孔径向夹角α1＝20
°
～60
°
，第一组圆柱形气膜冷却孔入口2与冷气腔1相连，第一组圆柱形气膜冷却孔出口3固定在叶片压力面凹槽上，第一组气膜孔孔径d＝0.7～1.4mm，压力面表面凹槽底面与第一组气膜孔中心线的夹角为β1＝20～40
°
，压力面表面凹槽的入口处深度σ1＝1～1.5d，凹槽出口处深度为0，第二组圆柱形气膜孔径向夹角为α2＝20
°
～60
°
，第二组圆柱形气膜孔贯穿整个叶片，第二组气膜孔出口6固定在涡轮静叶吸力面上，第二组气膜孔的孔径为d2＝0.2～0.4d
25.根据图3，叶片表面凹槽4呈渐扩状，两侧边的轴向角度为β2＝40
°
～70
°
，第二组气
膜孔的两个气膜孔对称分布，两孔之间的距离l1＝1d～2d，第二组圆柱形气膜孔入口5与第一组圆柱形气膜冷却孔出口3之间的距离l2＝2d～4d。
26.具体地说，本实例应用于涡轮静叶叶片中，第一组圆柱形气膜孔的径向夹角α1＝30
°
，其孔径d＝1mm，压力面表面凹槽底面与第一组气膜孔中心线的夹角为β1＝30
°
，压力面表面凹槽的入口处深度σ1＝1.2mm，叶片表面凹槽4出口处深度为0，第二组圆柱形气膜孔径向夹角为α2＝40
°
，第二组圆柱形气膜孔贯穿整个叶片，第二组气膜孔出口6固定在涡轮静叶吸力面上，第二组气膜孔的孔径为d2＝0.3mm，叶片表面凹槽4两侧边的扩张角度为β2＝45
°
，第二组气膜孔的两个气膜孔之间的距离l1＝1.5mm，第二组圆柱形气膜孔入口5与第一组圆柱形气膜冷却孔出口3之间的距离l2＝2.5mm。
27.根据图4，给出了本发明中冷气流动情况，本发明通过增加连接叶片压力面与吸力面的第二组气膜孔，并且利用叶片压力面与吸力面的压力差，使第一组圆柱形气膜冷却孔出口3处流出的冷却气体更好的贴附在叶片表面凹槽4壁面上，轻度掺混的气流进入第二组气膜孔还可以减少叶片的热应力，增加叶片使用寿命，从第二组气膜孔出口6射出后形成气膜，因此冷气得以二次利用，这可以减少冷气消耗量，从而提高整机效率。
28.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种应用于涡轮静叶的气膜冷却结构，其特征在于：包括冷气腔(1)、第一组气膜孔入口(2)、第一组气膜孔出口(3)、叶片表面凹槽(4)、第二组气膜孔入口(5)、第二组气膜孔出口(6)；第一组圆柱形气膜冷却孔入口(2)连接冷气腔(1)，第一组气膜孔出口(3)固定在叶片表面凹槽(4)上，叶片表面凹槽(4)固定在叶片压力面上，第二组圆柱形气膜孔入口(5)固定在叶片表面凹槽(4)的另一端，第二组圆柱形气膜孔贯穿整个叶片，第二组气膜孔出口(6)固定在涡轮静叶吸力面上。2.根据权利要求1所述的一种应用于涡轮静叶的气膜冷却结构，其特征在于：所述第一组圆柱形气膜孔与冷气腔(1)径向夹角α1＝20
°
～60
°
，第一组圆柱形气膜孔径d＝0.7～1.4mm。3.根据权利要求1所述的一种应用于涡轮静叶的气膜冷却结构，其特征在于：所述叶片表面凹槽(4)底面与第一组气膜孔中心线的夹角为β1＝20～40
°
。4.根据权利要求3所述的一种应用于涡轮静叶的气膜冷却结构，其特征在于：所述叶片表面凹槽(4)的入口处深度σ1＝1～1.5d，片表面凹槽(4)出口处深度为0。5.根据权利要3所述的一种应用于涡轮静叶的气膜冷却结构，其特征在于：所述叶片表面凹槽呈渐扩状，两侧边的轴向角度为β2＝40～70
°
。6.根据权利要求1所述的一种应用于涡轮静叶的气膜冷却结构，其特征在于：所述第二组圆柱形气膜孔径向夹角为α2＝20
°
～60
°
，第二组气膜孔的孔径为d2＝0.2～0.4d1。7.根据权利要6所述的一种应用于涡轮静叶的气膜冷却结构，其特征在于，所述两个第二组气膜孔入口(5)对称分布，两孔之间的距离l1＝1d～2d。8.根据权利要求1所述的一种应用于涡轮静叶的气膜冷却结构，其特征在于：所述第二组圆柱形气膜孔入口(5)与第一组气膜孔出口(3)之间的距离l2＝2d～4d。

技术总结
本发提供一种应用于涡轮静叶的气膜冷却结构，包括：冷气腔、第一组气膜孔入口、第一组气膜孔出口、叶片表面凹槽、第二组气膜孔入口、第二组气膜孔出口；第一组圆柱形气膜冷却孔入口连接冷气腔，第一组气膜孔出口固定在叶片表面凹槽上，叶片表面凹槽固定在叶片压力面上，第二组圆柱形气膜孔入口固定在叶片表面凹槽的另一端，第二组圆柱形气膜孔贯穿整个叶片，第二组气膜孔出口固定在涡轮静叶吸力面上。本发明在第一组气膜孔出口处设置凹槽，增加了气膜孔出口面积，减小了冷气出射速度，采用了第二组气膜孔，气流从第二组气膜孔出口射出后形成气膜，冷气得以二次利用，减少冷气消耗量，从而提高整机效率。而提高整机效率。而提高整机效率。


技术研发人员：姜玉廷 陆松兵 张昊苏 徐超 岳国强
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2021.11.25
技术公布日：2022/3/8