一种提高开槽气膜孔下游壁面气膜冷却效率的结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃气轮机传热与冷却技术领域，具体涉及一种提高开槽气膜孔下游壁面气膜冷却效率的结构。
【背景技术】
[0002]燃气轮机在航空、发电、化工、能源与动力工程等领域应用广泛，通过提高透平转子进口温度可以有效地增加燃气轮机的热效率和功率输出。目前先进燃气透平进口温度已超过了 2000K，比高压涡轮叶片金属材料的熔点高400K以上，解决高温带来问题的办法主要是发展高性能耐热合金和采用先进的冷却技术。目前金属材料方面的技术进展远远跟不上发动机涡轮进口温度的增加趋势，因此仍需采取相应的冷却措施来保护热端部件。在现有的燃气轮机叶片的冷却系统中，气膜冷却是最具应用前景的冷却技术。
[0003]采用下游布置凸起的开槽气膜孔结构的气膜冷却技术，现正被研制来提高燃气轮机透平叶片壁面冷却保护。现有研宄表明开槽气膜孔结构具有较好的气膜冷却性能。开槽气膜孔能够降低气膜孔出口处冷却气流的动量，提高气膜冷却效率，降低表面换热系数，进而降低表面热流比。开槽后，冷却效率对吹风比的敏感程度有所降低。对于提高离散孔下游冷却效果的关键问题便是采用合理的结构增加提高横向和纵向的平均气膜冷却效率。现有技术所采用的方法主要有以下两个关注点:一是基于横向开槽结构，通过采用横向开槽结构来达到提高冷却效果的目的，二是在下游壁面上布置某种结构的凸起，通过一定高度的凸起来增加气膜横向覆盖面积和冷却贴附于壁面的作用。如专利申请号为200710017790.4的中国专利公开了一种开槽气膜冷却孔，但该冷却孔对下游的横向冷却保护作用有限，在吹风比大于1.0时的工况时冷却效果明显下降。专利申请号为201010106756.6的中国专利公开了一种提高离散孔气膜冷却效率的结构，其不足之处在于该结构没有考虑气膜冷却横向开槽对冷却的叠加作用，下游布置的凸起不但是一体的结构，而且离气膜孔较近，这样对流动产生一定的阻碍作用，同时凸起的抬高作用使凸起下游一定范围内暴露于高温气体之中，没有对冷却气产生保护作用。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种提高开槽气膜孔下游壁面气膜冷却效率的结构。该结构用以提高离散孔气膜冷却的横向和展向气膜覆盖能力，强化孔下游中心区域气膜冷却效果，可明显提升燃气透平叶片壁面下游区域的气膜冷却效率，适用于所有类型的带有开槽结构的离散孔分布形式的气膜冷却技术。
[0005]本发明解决所述技术问题所采用的技术方案是:提供一种提高开槽气膜孔下游壁面气膜冷却效率的结构，包括气膜孔、横向开槽和壁面，横向开槽开设在壁面上游区域，气膜孔位于横向开槽上，其特征在于所述壁面的下游区域设有凸起；所述凸起以过气膜孔出口中心且垂直于壁面的直线为轴对称布置，凸起迎向气膜孔的方向为进气口，相反方向为出气口，所述凸起背向气膜孔的一侧型线为背压型线，迎向气膜孔的一侧型线为迎风型线，所述背压型线为向壁面下游方向凸出的型线；所述进气口的长度是气膜孔的孔径的2-5倍，进气口的长度是出气口的长度的1.5-4倍；凸起的进气口距气膜孔出口中心的距离与气膜孔的孔径的比值为10-30 ;所述凸起的高度与气膜孔的孔径的比值为0.25-3。
[0006]与现有技术相比，本发明采用基于横向开槽的气膜孔的下游布置一对弧形凸起的方法，即每个凸起由对称的两个弧形组成，代替现有技术中一体结构的凸起，先通过该结构对气膜冷却气进行横向强制收集作用，提升了凸起上游及内部的冷却效果，冷却气流出凸起后得到突扩，进而使凸起后部的区域冷却气覆盖效果得到进一步提升。本发明采用的凸起不会产生由于抬高冷却气而造成凸起后部区域失去冷却保护，同时，由于凸起断开成对布置，不会产生较大的流动损失，且增强了横向冷却效果，且在吹风比大于1.0时也具有冷却效果，能广泛的用于燃气透平叶片表面及端壁的冷却保护。此外，本发明还具有外形美观、结构简单、实施方便、成本低廉等特点，更适于工业应用。
【附图说明】
[0007]图1本发明提高开槽气膜孔下游壁面气膜冷却效率的结构的整体结构示意图；
[0008]图2本发明提高开槽气膜孔下游壁面气膜冷却效率的结构一种实施例的俯视结构示意图；
[0009]图3本发明提高开槽气膜孔下游壁面气膜冷却效率的结构一种实施例的主视结构示意图；
[0010]图4本发明的凸起3提尚气I旲冷却效率的原理不意图；
[0011]图5吹风比为0.5时，本发明的无量纲温度为0.6的等值曲面轮廓图；
[0012]图6吹风比为0.5时，本发明的无量纲温度为0.2的等值曲面轮廓图；
[0013]图7吹风比为0.5，气膜孔下游中截面的冷却效率分布图，其中，图7a吹风比为
0.5，无凸起时，气膜孔下游中截面的冷却效率分布图；图7b吹风比为0.5，有凸起时，气膜孔下游中截面的冷却效率分布图；
[0014]图8 吹风比为0.5，壁面板材为铝时，本发明气膜孔下游中截面的耦合气膜冷却效率分布图；
[0015]图9本发明提高开槽气膜孔下游壁面气膜冷却效率的结构中凸起3为棱镜型的一种实施例的俯视结构不意图；
[0016]图10 本发明提高开槽气膜孔下游壁面气膜冷却效率的结构中凸起3为半括号型拓扑相似结构的一种实施例的俯视结构示意图；
[0017]图中，1-气膜孔、2-横向开槽(或凹槽)、3_凸起、4-壁面、11-气膜孔出口、31-背压型线、32-迎风型线、33-进气口、34-出气口。
【具体实施方式】
:
[0018]下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明，但并不以此限制对本发明权利要求的保护范围。
[0019]本发明提高开槽气膜孔下游壁面气膜冷却效率的结构(简称结构，参见图1-10)包括气膜孔1、横向开槽2、凸起3和壁面4，横向开槽2开设在壁面4上游区域，气膜孔I位于横向开槽2上，在壁面4的下游区域设有凸起3 ;所述凸起3以过气膜孔出口 11的中心且垂直于壁面4的直线为轴对称布置，凸起3迎向气膜孔的方向为前部，前部为进气口 33，相反方向为出气口 34，所述凸起3背向气膜孔的一侧型线为背压型线32，迎向气膜孔I的一侧型线为迎风型线31，所述背压型线32为向壁面下游方向凸出的型线；所述进气口 33的长度w是气膜孔I的孔径d的2-5倍，进气口 33的长度是出气口 34的长度的1.5-4倍；凸起3的进气口 33距气膜孔出口 11的中心距离L与气膜孔I的孔径d的比值L/d为10-30 ；所述凸起3的高度H与气膜孔I的孔径d的比值为0.25-3。
[0020]本发明的进一步特征在于所述凸起3的X向长度wl与Y向长度w2的比值为
1.0-4.00
[0021]本发明的进一步特征在于所述凸起3为两个弧形。
[0022]本发明的进一步特征在于所述迎风型线31为直线或向壁面下游方向凸起的弧线。
[0023]本发明的进一步特征在于所述凸起3为半括号型、棱镜型或拓扑相似结构。
[0024]本发明的进一步特征在于所述迎风型线与背压型线的间距b是可调整的。
[0025]本发明的进一步特征在于所述横向开槽2的槽宽c与气膜孔I的孔径d的比为2-6，横向开槽2的槽深s与气膜孔I的孔径d的比为0.2-1 ο
[0026]本发明的进一步特征在于所述气膜孔I为圆柱形、锥形孔、矩形孔、梯形孔、簸箕形孔或Console孔。
[0027]本发明的进一步特征在于所述气膜孔I相对于水平面的夹角β为15° -60°，所述壁面4的横向长度e与气膜孔I的孔径d的比值e/d为3-10。
[0028]本发明中凸起3能提高气膜孔下游壁面气膜冷却效