一种具有提高端壁冷却效率的异型槽缝冷却结构制造技术

本发明专利技术公开了一种具有提高静叶通道端壁冷却效率的槽缝冷却结构，该槽缝冷却结构槽缝出口的槽缝冷却结构上游边界和槽缝冷却结构下游边界为相位相反、周期和振幅相同的余弦函数形状，且槽缝冷却结构上游边界和槽缝冷却结构下游边界余弦函数的周期与静叶栅节距相等。实际燃气涡轮工作时，本发明专利技术槽缝冷却结构的出口面积沿节距方向按一定规律连续变化，因此从压气机引入的冷却射流进入射流槽时被重新分配以克服由于外部流场压力变化引起的冷却射流在槽缝出口处的分布不均匀。采用该发明专利技术的槽缝冷却结构使冷却射流在槽缝出口处分布更加均匀，扩大了冷却射流在下游端壁的覆盖面积，因此槽缝冷却射流能够紧贴端壁对下游静叶通道端壁进行充分的冷却保护。

【技术实现步骤摘要】
一种具有提高端壁冷却效率的异型槽缝冷却结构
本专利技术涉及一种端壁槽缝冷却结构，特别涉及燃气涡轮燃烧室和涡轮之间的具有提高端壁冷却效率的异型槽缝冷却结构。
技术介绍
随着能源结构的调整，燃气涡轮作为能源转化和利用的主要装置因具有较高的热功转换效率而被广泛应用于民用发电，航空工业，化学工业和机械动力领域。社会经济的快速发展导致能源需求的剧增和环境问题的日益突出，作为主要的发电设备燃气涡轮的功率和热效率都随之不断提高，而提高燃气温度是增大燃气涡轮功率和效率最直接有效的方法，然而这给燃气涡轮的燃烧室和涡轮设计均提出了更严格的要求。目前在燃气涡轮研发和设计中不仅通过提高进口燃气温度以提高燃气涡轮热功转换效率，而且改进燃烧室的设计使燃气温度分布均匀以降低燃烧中心区域的燃气温度从而减少NOx的排放。新的设计和改进均使涡轮入口处的第一级静叶端壁附近的燃气温度显著增大，在高温高湍动能的端壁次流作用下第一级静叶端壁的热负荷显著增大，从而对静叶端壁的使用寿命和整个燃气涡轮的运行安全产生严重威胁。近几十年来为了降低燃气涡轮热端部件的温度以确保热端部件的安全运行和延长其使用寿命，多种冷却技术都被广泛应用于燃气涡轮热端部件中。在燃气涡轮系统中，第一级静叶端壁作为燃气涡轮中承受最大热负荷的部件需要完善的冷却系统才能保证其安全运行。实际燃气涡轮中采用气膜冷却孔和通道端壁的缝隙冷却射流对静叶通道端壁进行冷却保护，此外由于燃气涡轮的燃烧室和涡轮各自独立加工然后组合安装，因此在燃烧室出口和涡轮进口处形成一个槽缝冷却结构。在实际应用中，从压气机高压段引入冷气至该槽缝，既对下游静叶通道端壁进行冷却保护又可防止端壁处的高温燃气入侵威胁轴系的安全。大量的应用和研究显示：在静叶前缘强烈而复杂的涡系作用下冷却射流在端壁分布不均，因此常规槽缝不能对整个静叶端壁进行充分的冷却保护。研究表明：由于静叶前缘处形成高压的滞止区，因此上游高温燃气的边界层流体在粘性和逆压梯度作用下于静叶前缘上游一定位置处产生流动分离形成强烈的马蹄涡，因此导致了槽缝出口处的压力沿节距方向变化。一方面槽缝冷却射流在槽缝出口处流量分布不均匀，另一方面靠近静叶前缘的部分冷却射流被马蹄涡的左右分支卷吸而脱离端壁面；靠近压力面侧的冷却流体在叶栅通道内横向压力梯度的作用下朝吸力面侧迁移；另一部分冷却流体被限制在相邻马蹄涡左右分支所形成的区域内，因此相邻马蹄涡左右分支之间的区域具有较高的冷却效率。静叶前缘附近及压力面侧附近端壁区域则因大量冷却流脱离端壁和朝吸力面侧迁移而承受极高的热负荷。在高温高湍动能的燃气长期作用下，静叶前缘和压力面侧附近端壁易产生烧蚀现象，从而严重影响燃气涡轮的安全运行和使用寿命。目前实际燃气涡轮中，在静叶前缘端壁处引入离散气膜孔，通过优化气膜孔的吹风比，排布和出口形状来提高端壁冷却效率。图1给出了一种带有燃烧室与涡轮之间的槽缝冷却结构8和静叶前缘上游端壁的气膜孔9的传统静叶端壁结构。传统的槽缝冷却结构8和气膜孔9冷却结构可一定程度提高静叶前缘附近端壁冷却效率，然而传统槽缝冷却射流在槽缝出口处流量分布不均导致冷却射流在下游端壁处分布不均匀，进而使静叶前缘及压力面侧附近的静叶通道端壁10区域依然无法得到充分的冷却保护。因此，开发具有提高端壁冷却效率的新型槽缝冷却结构对提高燃气涡轮使用寿命，保障燃气涡轮安全有效地工作具有十分重要的工程应用价值。
技术实现思路
针对燃气涡轮静叶通道端壁承受极高的热负荷且常规方法无法对静叶通道部分端壁区域无法进行有效冷却的特点，本专利技术目的在于提出一种具有提高端壁冷却效率的异型槽缝冷却结构，通过新型的槽缝冷却结构设计来提高槽缝下游端壁的冷却效率，从而提高静叶附近端壁的使用寿命且保障燃气涡轮安全有效地运行。本专利技术采用如下技术方案来实现的：一种具有提高静叶通道端壁冷却效率的槽缝冷却结构，该槽缝冷却结构槽缝出口的槽缝冷却结构上游边界和槽缝冷却结构下游边界为相位相反、周期和振幅相同的余弦函数形状，且槽缝冷却结构上游边界和槽缝冷却结构下游边界余弦函数的周期与静叶栅节距相等。本专利技术进一步的改进在于，槽缝冷却结构上游边界和槽缝冷却结构下游边界的余弦函数关于槽缝中心线对称，即上下游边界的余弦函数相差半个周期。本专利技术进一步的改进在于，槽缝冷却结构上游边界和槽缝冷却结构下游边界呈沿静叶栅节距方向的余弦函数形状，且余弦函数的最佳初始相位角由具体流动和几何条件决定。本专利技术进一步的改进在于，最佳初始相位角由最靠近坐标原点的下游边界顶点到y轴距离|x3|决定，且有φ1＝φ2+π。本专利技术进一步的改进在于，槽缝冷却结构上游边界的控制函数为：槽缝冷却结构下游边界的控制函数为：其中，w0为槽缝设计宽度；A为槽缝下游边界余弦函数振幅；y0为槽缝中心线到x轴距离；P为静叶栅节距。本专利技术进一步的改进在于，槽缝下游边界余弦函数振幅的取值为：本专利技术具有如下有益的技术效果：本专利技术的总体技术思路是将燃烧室和涡轮之间的槽缝出口上下游边界设计成相位相反、周期和振幅相同的余弦函数形状，因此槽缝出口面积沿节距方向变化，使槽缝出口的冷却射流流量沿节距方向变化。在设计中需要确定适合于具体流动条件和几何条件的最佳初始相位角，使高压区的槽缝出口面积增大而低压区的槽缝出口面积减小，从而对槽缝冷却流量进行重新分配。本专利技术提供的槽缝冷却结构可显著减弱传统槽缝出口处沿节距方向压力不均导致的槽缝出口冷却射流流量分布不均，因此在下游端壁形成更均匀的冷却气膜并且扩大冷却覆盖区域。在槽缝出口处的上下游边界设计成相位相反、周期和振幅相同的余弦函数形状且根据具体流动和几何条件确定初始相位角。具体特征包括：(1)对槽缝出口处的上下游边界型线进行重新设计。燃烧室出口和燃气涡轮进口之间的槽缝冷却结构由燃烧室出口端壁和涡轮进口端壁独立加工后组合形成的，可以通过引入高压段冷却射流对下游端壁进行冷却保护且防止高温燃气入侵损害轴系。将槽缝出口上下边界设计为余弦函数型线可改变槽缝出口面积沿节距方向的变化规律，从而改变冷却射流在槽缝出口处的分配。(2)槽缝出口处的上下游边界型线设计方法。为了能够最大程度地对槽缝出口处的冷却射流进行重新分配同时考虑叶栅端壁的周期性特点，槽缝出口处的上下游边界设计成相位相反、周期和振幅相同的余弦函数形状。采用数值模拟方法，根据具体的流动条件和几何条件确定余弦函数的最佳初始相位角，根据设计的槽缝宽度确定余弦函数振幅，根据叶栅通道的节距确定余弦函数周期。综上所述，本专利技术提供的具有提高端壁冷却效率的异型槽缝冷却结构能够在槽缝出口进行冷却流量重新分配，使冷却射流在下游端壁分布更均匀同时著提高下游端壁的冷却效率，保证燃气涡轮安全有效地运行。本专利技术的新型槽缝冷却结构对目前强化燃气涡轮中的静叶通道端壁冷却效果具有普遍适用性。附图说明图1是燃烧室—涡轮子午面剖视图。图2是带有传统槽缝冷却结构的涡轮叶栅及端壁冷却结构示意图。图3是带有本专利技术的异型槽缝冷却结构的涡轮叶栅及端壁冷却结构的整体示意图。图4是本专利技术的异型槽缝冷却结构示意图.图5是带有本专利技术异型槽缝冷却结构的静叶端壁俯视图。图6是异型槽缝冷却结构局部俯视图。图中：1-燃气涡轮动叶，2-燃气涡轮动静间轮缘密封，3-燃气涡轮静叶，4-燃烧室与涡轮间的上端壁槽缝，5-燃烧室壁面气膜孔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有提高静叶通道端壁冷却效率的槽缝冷却结构，其特征在于，该槽缝冷却结构(8)槽缝出口的槽缝冷却结构上游边界(13)和槽缝冷却结构下游边界(15)为相位相反、周期和振幅相同的余弦函数形状，且槽缝冷却结构上游边界(13)和槽缝冷却结构下游边界(15)余弦函数的周期与静叶栅节距(16)相等。

【技术特征摘要】
1.一种具有提高静叶通道端壁冷却效率的槽缝冷却结构，其特征在于，该槽缝冷却结构(8)槽缝出口的槽缝冷却结构上游边界(13)和槽缝冷却结构下游边界(15)为相位相反、周期和振幅相同的余弦函数形状，且槽缝冷却结构上游边界(13)和槽缝冷却结构下游边界(15)余弦函数的周期与静叶栅节距(16)相等。2.根据权利要求1所述的一种具有提高静叶通道端壁冷却效率的槽缝冷却结构，其特征在于，槽缝冷却结构上游边界(13)和槽缝冷却结构下游边界(15)的余弦函数关于槽缝中心线(14)对称，即上下游边界的余弦函数相差半个周期。3.根据权利要求1所述的一种具有提高静叶通道端壁冷却效率的槽缝冷却结构，其特征在于，槽缝冷却结构上游边界(13)和槽缝冷却结构下游边界(15)呈沿静叶栅节距(16...

【专利技术属性】
技术研发人员：李军，杜昆，李志刚，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61