一种组合式气膜孔及涡轮叶片制造技术

本发明专利技术一种组合式气膜孔及涡轮叶片，属于燃气轮机高温涡轮叶片冷却技术领域；所述组合式气膜孔包括双排气膜孔，第一排包括多个直径为D、长度为L的第一圆柱孔，第二排包括多个直径为0.5D、长度为L的第二圆柱孔；第一圆柱孔和第二圆柱孔的倾斜角为α；所述第一排气膜孔和第二排气膜孔呈交错排列，即第一排气膜孔的第一圆柱孔中点位于第二排气膜孔中相邻两个第二圆柱孔中点连线的中心线上。所述叶片表面设置有一组或多组组合式气膜孔，所述组合式气膜孔中圆柱孔的倾斜角α根据所处叶片位置和厚度调整。本发明专利技术提出的利用组合孔的新型气膜孔排布方式可以有效抑制圆柱形孔在高吹风比下易吹离的有害特性，在降低冷气用量的同时提升整体冷却性能。整体冷却性能。整体冷却性能。

【技术实现步骤摘要】
一种组合式气膜孔及涡轮叶片


[0001]本专利技术属于燃气轮机高温涡轮叶片冷却
，具体涉及一种组合式气膜孔及涡轮叶片。

技术介绍

[0002]燃气轮机作为一种热动力装置，凭借体积小、功率大、高效、清洁、经济性好等优点，被广泛应用于舰船动力、陆上发电、工业驱动以及分布式供能等领域，特别是航空航天领域，在国民经济和国防安全中都起着重要的作用。提高涡轮前进口燃气温度是提升燃气轮机热效率和输出功率的最直接方法。目前，地面重型燃机和大推力航空发动机的透平进口温度已远超叶片合金材料的耐温极限。现代先进航空发动机的涡轮前进口燃气温度已高达2000K，远远超过了制造涡轮叶片高温材料的熔点。高温会降低航空发动机的使用寿命、稳定性和安全性，因此，发展高效的涡轮叶片冷却技术对提升燃气轮机性能极为重要。
[0003]常见的叶片冷却方式有气膜冷却、对流冷却等，其中气膜冷却技术为主要的外部冷却方式，其工作原理为叶片内部冷却通道中的冷气通过离散气膜孔流出而在主流作用下覆盖在叶片表面，形成一层贴附壁面的冷气膜，使叶片表面和高温主流相隔绝，从而达到降低叶片表面温度的目的。气膜冷却在有效降低涡轮叶片表面温度和热应力方面发挥着重要作用，对其进行持续而深入的研究是提高航空发动机性能的重要途径。
[0004]经过对现有技术文献的检索发现，国内外技术人员为提升气膜冷却效率提出了大量的结构或孔型，主要包括异形孔、在孔出口附近添加槽结构或突片、在孔上游或下游添加涡发生器。现有技术有采用展向扩张流向收缩的异形孔，以削弱气膜与主流的掺混作用并扩展气膜覆盖面积；还有通过在气膜孔出口上游布置楔形的涡发生器以削弱气膜与主流的掺混作用。
[0005]上述方法因其结构复杂，增加了加工难度，且削弱了叶片的力学和气动性能。目前气膜冷却中最常用的孔型仍然是圆柱孔，其具有结构简单、强度高、热应力小、加工方便等优点，但是，目前常见的圆柱孔排布方式存在着气膜冷却效率偏低、冷气覆盖面积小、不适于高吹风比等劣势。

技术实现思路

[0006]要解决的技术问题：
[0007]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种组合式气膜孔及其在涡轮叶片的应用，该组合式气膜孔具有高气膜冷却效率和整体热性能；提升了涡轮叶片整体的气动和力学性能。
[0008]本专利技术的技术方案是：一种组合式气膜孔，包括双排气膜孔，第一排气膜孔包括多个直径为D、长度为L的第一圆柱孔，第二排气膜孔包括多个直径为0.5D、长度为L的第二圆柱孔；所述第一圆柱孔和第二圆柱孔的轴向与叶片表面之间的夹角为α；
[0009]所述第一排气膜孔和第二排气膜孔呈交错排列，即第一排气膜孔的第一圆柱孔中
点位于第二排气膜孔中相邻两个第二圆柱孔中点连线的中心线上。
[0010]本专利技术的进一步技术方案是：所述第一圆柱孔的直径D为0.2
‑
1mm，长度L为0.2
‑
10mm，倾斜角α为20
°‑
45
°
。
[0011]本专利技术的进一步技术方案是：所述第一排气膜孔中相邻第一圆柱孔的展向间距P为3
‑
5D。
[0012]本专利技术的进一步技术方案是：所述第二排气膜孔中相邻圆柱孔的展向间距为第一排气膜中相邻圆柱孔展向间距的一半，即1.5
‑
2.5D。
[0013]本专利技术的进一步技术方案是：所述第一排气膜孔与第二排气膜孔的流向距离S为3
‑
5D。
[0014]一种涡轮叶片，所述叶片表面设置有一组或多组组合式气膜孔，所述组合式气膜孔中圆柱孔轴向与叶片表面之间的夹角α根据所处叶片位置和厚度调整。
[0015]本专利技术的进一步技术方案是：所述多组组合式气膜孔在叶片上按周期排布，相邻组之间的流向距离根据叶片热负荷调整。
[0016]本专利技术的进一步技术方案是：所述叶片的压力面或吸力面上成周期性排布有多组组合式气膜孔，用于叶片的气膜冷却，适用吹风比M为0.5
‑
1.5。
[0017]有益效果
[0018]本专利技术的有益效果在于：
[0019]1、本专利技术基于圆柱形气膜孔提出，具有良好的力学性能和气动性能，其相对复杂的异形孔或辅助结构有较低的加工难度和更高的加工精度。
[0020]2、本专利技术通过第一排孔与第二排孔中相邻孔的组合，构成组合孔结构，每个组合孔结构中各孔射流产生的肾形涡对相互影响并构筑了反肾形涡结构，削弱了肾形涡对的强度和尺度，最终提升了冷气膜的贴附性和覆盖宽度，提升了整体气膜冷却效率。
[0021]3、本专利技术在提升或保持气膜冷却效率的同时大幅降低了冷气用量，且较小的气膜孔径使叶片整体强度提升，提升了叶片整体的气动和力学性能。具体提升效果可参考后文中具体实施例的工作效果。
[0022]本专利技术的设计要点是利用组合孔的概念，同时改变气膜孔孔径和气膜孔排布，现有研究中一般只考虑了气膜孔的排布。气膜孔设计参数的限定是为了让第一排和第二排孔产生的肾形涡对能有效的相互削弱，展向距离改变影响涡对的重叠率，流向距离影响涡对的强度和耗散程度；在使用简单圆柱形气膜孔获得更高的气膜冷却效率的同时，还要降低冷气用量。
[0023]根据实施例可知，本专利技术提出的利用组合孔的新型气膜孔排布方式可以有效抑制圆柱形孔在高吹风比下易吹离的有害特性，在降低冷气用量的同时提升整体冷却性能。
附图说明
[0024]图1是本专利技术所适用的冷却模型及布置位置示意图；
[0025]图2是本专利技术实施例1、实施例2和参照组的气膜孔分布示意图；
[0026]图3是通过数值模拟得到的本专利技术实施例1、实施例2和参照组的平均气膜冷却效率及冷气质量流量的对比图；
[0027]图4是通过数值模拟得到的本专利技术实施例1、实施例2和参照组的气膜冷却效率分
布云图；
[0028]附图标记说明：D.气膜孔直径，η.气膜冷却效率，MFR.冷气质量流量，M.吹风比，x.流向，y.展向。
具体实施方式
[0029]下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。
[0030]在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。
[0031]本专利技术提供了一种可用于燃气轮机叶片冷却的新型气膜孔排布方式，该排布方式以双排气膜孔为一个基础单元，可在叶片压力面和吸力面上布置一组或多组该基础单元。双排孔中的第一排孔中的圆柱孔直径为D，长度为L，倾斜角为α。双排孔中的第二排孔中的圆柱孔直径为0.5D，长度与倾本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种组合式气膜孔，其特征在于：包括双排气膜孔，第一排气膜孔包括多个直径为D、长度为L的第一圆柱孔，第二排气膜孔包括多个直径为0.5D、长度为L的第二圆柱孔；所述第一圆柱孔和第二圆柱孔的轴向与叶片表面之间的夹角为α；所述第一排气膜孔和第二排气膜孔呈交错排列，即第一排气膜孔的第一圆柱孔中点位于第二排气膜孔中相邻两个第二圆柱孔中点连线的中心线上。2.根据权利要求1所述组合式气膜孔，其特征在于：所述第一圆柱孔的直径D为0.2
‑
1mm，长度L为0.2
‑
10mm，倾斜角α为20
°‑
45
°
。3.根据权利要求1所述组合式气膜孔，其特征在于：所述第一排气膜孔中相邻第一圆柱孔的展向间距P为3
‑
5D。4.根据权利要求3所述组合式气膜孔，其特征在于：所述第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢公南，朱睿，李书磊，张世伯，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：