一种有斜下吹式气膜冷却孔的涡轮叶片

摘要

一种有斜下吹式气膜冷却孔的涡轮叶片，在该涡轮叶片压力面上15％～75％的压力面弦长区域L内分布有多个斜下吹式气膜孔。所述各斜下吹式气膜孔孔口中心的位置h＝5％H。所述各斜下吹式气膜孔斜下吹式气膜孔另一端的孔口与涡轮叶片的冷气进气腔连通。各斜下吹式气膜孔沿涡轮叶片流向倾斜，形成了流向倾斜角α；同时该斜下吹式气膜孔在展向向下倾斜，形成了展向倾斜角β。本发明中涉及的斜下吹式气膜孔排可以在小吹风比下实现良好的气膜冷却效果，经过CFD数值模拟发现，本发明在整体吹风比0.5的下就可以实现对端壁压力面区域的全覆盖，且平均气膜冷却效率不低于0.2，相比常规的压力面侧端壁冷却方法，冷气用量至少减少了30％。

说明书

技术领域

本发明涉及燃气轮机涡轮叶片技术领域，具体是一种布置在静叶压力面上的斜下吹式气膜孔排，用以冷却常规端壁冷却技术难以有效冷却的部分端壁区域。

背景技术

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斜下吹式气膜孔喷出，这股冷气粘附在壁面附近，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，以达到燃气轮机高温涡轮部件不被高温燃气烧坏的目的。对于端壁冷却，出现在端壁附近的二次流，通道涡和马蹄涡使得端壁的气膜冷却呈现出强烈的三维特性。涡轮压力面侧端壁存在很强的三维，常规在端壁前缘开孔的冷却方式由于受到叶栅通道涡的影响，冷却气流喷出后会被推向吸力面，导致低吹风比时压力面根部冷气量稀少，造成高温燃气烧蚀叶片根部；为了避免这种情况，通常采用提高吹风比的方法，但这又会造成斜下吹式气膜孔出口的下游发生气膜脱离壁面，冷气消耗量增加等不利于涡轮总体性能的情况出现。CN104832218A公布了一种用于涡轮叶片前缘气膜冷却的错位对冲斜下吹式气膜孔排结构，在叶片前缘布置斜下吹式气膜孔用以冷却叶片前缘。Luzeng Zhang在ASME上发表了一篇名为《The Effects of Vane Showerhead Injection Angle and Film Compound Angle on Nozzle Endwall Cooling (Phantom Cooling)》(doi:10.1115/1.4028291)的论文，文中提出用在布置在涡轮前缘的斜下吹式气膜孔排来冷却涡轮端壁，但尚无在压力面一侧的叶片上设置斜下吹式气膜孔以冷却压力面一侧的端壁的方法。

发明内容

为克服现有技术中存在的会造成斜下吹式气膜孔出口的下游发生气膜脱离壁面，冷气消耗量增加的不足，本发明提出了一种有斜下吹式气膜冷却孔的涡轮叶片。

本发明在该涡轮叶片压力面上15％～75％的压力面弦长区域L内分布有3～9个斜下吹式气膜孔，并使各斜下吹式气膜孔位于该涡轮叶片压力面上的孔口均位于所述分涡轮叶片压力面上15％～75％弦长的区域L内；各斜下吹式气膜孔位于该涡轮叶片压力面上的孔口的的中心距p为7.5～30％的压力面弦长Cps。所述各斜下吹式气膜孔孔口中心的位置h＝5％H，其中的h为斜下吹式气膜孔出口处圆心到端壁的距离，H为叶片展向长度；所述各斜下吹式气膜孔斜下吹式气膜孔另一端的孔口与涡轮叶片的冷气进气腔连通。所述各斜下吹式气膜孔的横截面为圆形。斜下吹式气膜孔沿涡轮叶片流向倾斜，形成了流向倾斜角α；同时该斜下吹式气膜孔在展向向下倾斜，形成了展向倾斜角β。

所述各斜下吹式气膜孔的流向倾斜角度α为斜下吹式气膜孔流向倾斜角度为孔中心线在流向与斜下吹式气膜孔出口切平面法向量之间的夹角；所述各斜下吹式气膜孔展向倾斜角度β为斜下吹式气膜孔展向倾斜角度为孔中心线在展向与斜下吹式气膜孔出口切平面法向量之间的夹角。

所述各斜下吹式气膜孔孔径d＝0.3～0.6mm。各斜下吹式气膜孔的流向倾斜角度α＝35～55°。各斜下吹式气膜孔展向倾斜角度β＝60～75°

为了精确地对涡轮压力面侧端壁行进冷却，节约冷气用量，本发明在叶片压力面上布置斜下吹式气膜孔以对该区域进行冷却，避免了现有的在端壁上开设斜下吹式气膜孔的气膜冷却技术被叶栅通道叶栅通道涡影响的局限性。

本发明提出的斜下吹式气膜孔排结构布置在压力面上的特定区域，即15％～75％的压力面弦长区域，冷却气流从该的斜下吹式气膜孔排流出，先冷却压力面根部，又在周向和流向上发展，延伸到端壁区域，达到冷却靠近压力面一侧端壁的作用。

由于涡轮压力面侧端壁存在很强的二次流流动，常规在端壁前缘开孔的冷却方式受到叶栅通道涡的影响，冷却气流喷出后会被推向吸力面，导致低吹风比时压力面根部冷气量稀少，造成高温燃气烧蚀叶片根部；为了避免这种情况，通常采用提高吹风比或者在靠近压力面侧端壁处开孔的方法，但这又会造成斜下吹式气膜孔出口的下游发生气膜脱离壁面，冷气消耗量增加，端壁结构强度减弱等不利于涡轮总体性能的情况出现。本发明提出布置的斜下吹式气膜孔排布置于叶片上，不受端壁通道涡的影响，冷却气流从叶片上的斜下吹式气膜孔喷出之后，一方面随主流向后流动，另一方面由于存在展向倾角，冷气朝着端壁向下流动，最终冷气在端壁压力面侧形成均匀了覆盖的气膜。由于“躲开”了通道涡的影响，本发明中涉及的斜下吹式气膜孔排可以在小吹风比下实现良好的气膜冷却效果，经过CFD数值模拟发现，本发明在整体吹风比0.5的下就可以实现对端壁压力面区域的全覆盖，且平均气膜冷却效率不低于0.2，相比常规的压力面侧端壁冷却方法，冷气用量至少减少了30％。

综上所述，本发明采取较少的开孔，可以端壁压力面侧形成均匀覆盖的气膜，针对压力面侧端壁这个冷却目标，有冷却用量少，冷却效果好的特点，同时避免了采用过大的吹风比导致冷气浪费和在靠近叶身出开孔的风险。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的A-A向视图。

图3为斜下吹式气膜孔排结构侧位透视图。

图中：1涡轮叶片；2为斜下吹式气膜孔；3冷气进气腔；4为斜下吹式气膜孔入口面；5为斜下吹式气膜孔出口面；h为斜下吹式气膜孔出口椭圆圆心到端壁的距离；L为本发明的斜下吹式气膜孔排在压力面上布置能达到端壁冷却效果的有效范围；p为斜下吹式气膜孔的中心距；N为对应的斜下吹式气膜孔出口切平面的法向量；。Cps为叶片压力面弦长。

具体实施方式

实施例1

本实施例是一种有冷却孔的涡轮叶片。所述的涡轮叶片为燃气轮机涡轮叶片，其叶型采用现有技术。在所述涡轮叶片压力面上15％～75％弦长的区域L内均布有3个斜下吹式气膜孔，并使各斜下吹式气膜孔位于该涡轮叶片压力面上的孔口均位于所述的区域L内。

所述各斜下吹式气膜孔位于该涡轮叶片压力面上的孔口的中心距p为30％的压力面弦长Cps，当确定了孔间距p，即能够得到所需的斜下吹式气膜孔数。本实施例中各斜下吹式气膜孔分布在距前缘15％、45％、和75％弦长处。

所述各斜下吹式气膜孔孔口中心的位置h＝2.5％H，其中的h为斜下吹式气膜孔出口处圆心到端壁的距离，H为叶片展向长度；各斜下吹式气膜孔另一端的孔口与涡轮叶片的冷气进气腔连通。所述各斜下吹式气膜孔的横截面为圆形。斜下吹式气膜孔沿涡轮叶片流向倾斜，形成了流向倾斜角α；同时该斜下吹式气膜孔在展向向下倾斜，形成了展向倾斜角β。

所述各斜下吹式气膜孔孔径d＝0.6mm。各斜下吹式气膜孔的流向倾斜角度α相同，该α为斜下吹式气膜孔流向倾斜角度为孔中心线在流向与斜下吹式气膜孔出口切平面法向量之间的夹角，流向倾斜角度α取值为35°。各斜下吹式气膜孔展向倾斜角度β相同，β为斜下吹式气膜孔展向倾斜角度为孔中心线在展向与斜下吹式气膜孔出口切平面法向量之间的夹角，展向倾斜角度β取值为65°

实施例2

本实施例是一种有冷却孔的涡轮叶片。所述的涡轮叶片为燃气轮机涡轮叶片，其叶型采用现有技术。在所述涡轮叶片压力面上15％～75％弦长的区域L内均布有6个斜下吹式气膜孔，并使各斜下吹式气膜孔位于该涡轮叶片压力面上的孔口均位于所述的区域L内。

所述各斜下吹式气膜孔位于该涡轮叶片压力面上的孔口的中心距p为10％的压力面弦长Cps，当确定了孔间距p，即能够得到所需的斜下吹式气膜孔数。本实施例中各斜下吹式气膜孔分布在距前缘15％、25％、35％、45％、55％、65％和75％弦长处。

所述各斜下吹式气膜孔孔口中心的位置h＝5％H，其中的h为斜下吹式气膜孔出口处圆心到端壁的距离，H为叶片展向长度；各斜下吹式气膜孔另一端的孔口与涡轮叶片的冷气进气腔连通。所述各斜下吹式气膜孔的横截面为圆形。斜下吹式气膜孔沿涡轮叶片流向倾斜，形成了流向倾斜角α；同时该斜下吹式气膜孔在展向向下倾斜，形成了展向倾斜角β。

所述各斜下吹式气膜孔孔径d＝0.4mm。各斜下吹式气膜孔的流向倾斜角度α相同，该α为斜下吹式气膜孔流向倾斜角度为孔中心线在流向与斜下吹式气膜孔出口切平面法向量之间的夹角，流向倾斜角度α取值为45°。各斜下吹式气膜孔展向倾斜角度β相同，β为斜下吹式气膜孔展向倾斜角度为孔中心线在展向与斜下吹式气膜孔出口切平面法向量之间的夹角，展向倾斜角度β取值为75°

实施例3

本实施例是一种有冷却孔的涡轮叶片。所述的涡轮叶片为燃气轮机涡轮叶片，其叶型采用现有技术。在所述涡轮叶片压力面上15％～75％弦长的区域L内均布有4个斜下吹式气膜孔，并使各斜下吹式气膜孔位于该涡轮叶片压力面上的孔口均位于所述的区域L内。

所述各斜下吹式气膜孔位于该涡轮叶片压力面上的孔口的中心距p为20％的压力面弦长Cps，当确定了孔间距p，即能够得到所需的斜下吹式气膜孔数。本实施例中各斜下吹式气膜孔分布在距前缘15％、35％、55％和75％弦长处。

所述各斜下吹式气膜孔孔口的位置h＝7.5％H，其中的h为斜下吹式气膜孔出口椭圆圆心到端壁的距离，H为叶片的展向长度；各斜下吹式气膜孔另一端的孔口与涡轮叶片的冷气进气腔连通。所述各斜下吹式气膜孔的横截面为圆形。斜下吹式气膜孔沿涡轮叶片流向倾斜，形成了流向倾斜角α；同时该斜下吹式气膜孔在展向向下倾斜，形成了展向倾斜角β。

所述各斜下吹式气膜孔孔径d相同，孔径d＝0.5mm。各斜下吹式气膜孔流向倾斜角度α相同，α为斜下吹式气膜孔流向倾斜角度为孔中心线在流向与斜下吹式气膜孔出口切平面法向量之间的夹角，流向倾斜角度α为55°。各斜下吹式气膜孔展向倾斜角度相同，β为斜下吹式气膜孔展向倾斜角度为孔中心线在展向与斜下吹式气膜孔出口切平面法向量之间的夹角，展向倾斜角度β为65°

实施例4

本实施例是一种有冷却孔的涡轮叶片。所述的涡轮叶片为燃气轮机涡轮叶片，其叶型采用现有技术。在所述涡轮叶片压力面上15％～75％弦长的区域L内均布有5个斜下吹式气膜孔，并使各斜下吹式气膜孔位于该涡轮叶片压力面上的孔口均位于所述的区域L内。

所述各斜下吹式气膜孔位于该涡轮叶片压力面上的孔口的中心距p为15％的压力面弦长Cps，当确定了孔间距p，即能够得到所需的斜下吹式气膜孔数。本实施例中各斜下吹式气膜孔分布在距前缘15％、30％、45％、60％和75％弦长处。

所述各斜下吹式气膜孔孔口的位置h＝4.5％H，其中的h为斜下吹式气膜孔出口椭圆圆心到端壁的距离，H为叶片的展向长度；各斜下吹式气膜孔另一端的孔口与涡轮叶片的冷气进气腔连通。所述各斜下吹式气膜孔的横截面为圆形。斜下吹式气膜孔沿涡轮叶片流向倾斜，形成了流向倾斜角α；同时该斜下吹式气膜孔在展向向下倾斜，形成了展向倾斜角β。

所述各斜下吹式气膜孔孔径d相同，孔径d＝0.4mm。各斜下吹式气膜孔流向倾斜角度α相同，α为斜下吹式气膜孔流向倾斜角度为孔中心线在流向与斜下吹式气膜孔出口切平面法向量之间的夹角，流向倾斜角度α为50°。各斜下吹式气膜孔展向倾斜角度相同，β为斜下吹式气膜孔展向倾斜角度为孔中心线在展向与斜下吹式气膜孔出口切平面法向量之间的夹角，展向倾斜角度β为60°

实施例5

本实施例是一种有冷却孔的涡轮叶片。所述的涡轮叶片为燃气轮机涡轮叶片，其叶型采用现有技术。在所述涡轮叶片压力面上15％～75％弦长的区域L内均布有9个斜下吹式气膜孔，并使各斜下吹式气膜孔位于该涡轮叶片压力面上的孔口均位于所述的区域L内。

所述各斜下吹式气膜孔位于该涡轮叶片压力面上的孔口的中心距p为7.5％的压力面弦长Cps，当确定了孔间距p，即能够得到所需的斜下吹式气膜孔数。本实施例中各斜下吹式气膜孔分布在距前缘15％、22.5％、30％、37.5％、45％、52.5％、60％、67.5％和75％弦长处。

所述各斜下吹式气膜孔孔口的位置h＝6％H，其中的h为斜下吹式气膜孔出口椭圆圆心到端壁的距离，H为叶片的展向长度；各斜下吹式气膜孔另一端的孔口与涡轮叶片的冷气进气腔连通。所述各斜下吹式气膜孔的横截面为圆形。斜下吹式气膜孔沿涡轮叶片流向倾斜，形成了流向倾斜角α；同时该斜下吹式气膜孔在展向向下倾斜，形成了展向倾斜角β。

所述各斜下吹式气膜孔孔径d相同，孔径d＝0.3mm。各斜下吹式气膜孔流向倾斜角度α相同，α为斜下吹式气膜孔流向倾斜角度为孔中心线在流向与斜下吹式气膜孔出口切平面法向量之间的夹角，流向倾斜角度α为45°。各斜下吹式气膜孔展向倾斜角度相同，β为斜下吹式气膜孔展向倾斜角度为孔中心线在展向与斜下吹式气膜孔出口切平面法向量之间的夹角，展向倾斜角度β为70°。