用于燃气轮机的气膜冷却部件的制作方法
【专利摘要】一种用于燃气轮机的气膜冷却部件包括高温侧表面、低温侧表面和设置在高温侧表面和低温侧表面之间的气膜冷却结构。其中，气膜冷却结构包括：设置在高温侧表面上的气膜缝和对应于该气膜缝设置的至少一个气膜孔，气膜缝由导流部和冷气腔组成，导流部由折流板和唇口限定而成，形成与气膜孔的轴线方向成一定角度地延伸的气流通道。通过使用本实用新型的气膜冷却部件，可提供更加均匀的冷却气膜，又能使气膜冷却部件的结构强度不受到过度影响。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种用于燃气轮机的气膜冷却部件，其中，该气膜冷却部件通过 气膜冷却技术来冷却其高温侧。特别地，本实用新型所涉及的燃气轮机为航空发动机。 用于燃气轮机的气膜冷却部件
【背景技术】
[0002] 航空发动机中目前通常采用的是燃气轮机，其包括压气机、燃烧室、涡轮和尾喷 管。随着航空发动机技术的发展，其压气机的增压比大幅提高，燃烧室的进出口温度也大幅 提高。其中，燃气轮机中的燃烧室、涡轮叶片、涡轮缘板等部件需面对日益提高的工作温度。 为应对燃气轮机工作温度提高所带来的问题，通常从两个方面来考虑：其一是开发耐热性 能更好的材料，其二是加强对受热部件处的冷却能力。
[0003] 目前，对具有更好耐热性能的材料的开发进程缓慢，但是在冷却技术的开发方面 却取得了快速的发展。在对部件的冷却中，需要确保对部件的冷却均匀且充分。若对部件 的冷却不充分，则会在该部件上产生热应力。长时间的循环热应力会造成诸如涡轮叶片等 部件发生热疲劳，进而导致部件故障。
[0004] 在众多的冷却技术中，气膜冷却技术越来越多地被应用于燃气轮机中各受热部件 的冷却。简单来说，气膜冷却是在处于高温环境中的部件上设置一个以上的离散孔，从该部 件的低温侧引入冷却工质或射流，使该冷却工质或射流经离散孔喷射到该部件的高温侧， 并在高温侧的表面上形成气膜，从而对射流的入射区域及其下游区域的表面形成保护膜。
[0005] 不过，气膜冷却并不能保证完全均匀的冷却效果。具体来说，气膜冷却结构中所采 用的是离散孔，冷却气流经该离散孔流入部件的高温侧，因此，形成气膜的各气源是离散分 布的。通常，靠近离散孔的区域中，气膜温度相对较低，而在相邻离散孔之间的区域中，气膜 温度则将相对较高。也有人提出将离散的气膜孔修改成气膜缝，以形成连续覆盖的气膜，从 而改善气膜冷却不均匀的问题。但是，若形成气膜缝，则需要去除较多的材料，这将对气膜 冷却部件的强度产生影响。 实用新型内容
[0006] 因此，本实用新型的目的是提供一种气膜冷却部件，该气膜冷却部件中的气膜出 流结构能使气膜分布更加均匀，以保证冷却效率，同时又能够保证气膜冷却部件自身的结 构强度。
[0007] 本实用新型的上述目的通过一种用于燃气轮机的气膜冷却部件来实现。该气膜冷 却部件包括高温侧表面、低温侧表面和设置在高温侧表面和低温侧表面之间的气膜冷却结 构，冷却空气能够从低温侧表面经气膜冷却结构流到高温侧表面上，形成冷却气膜，气膜冷 却结构包括：至少一个气膜缝，气膜缝设置在高温侧表面上，并由邻近高温侧表面的导流部 和远离高温侧表面的冷气腔组成，冷气腔与导流部相连通；其中，与至少一个气膜缝中的每 一个相对应地设置有至少一个气膜孔，气膜孔从低温侧表面延伸到气膜缝的底面，并与冷 气腔相连通；其中，导流部由折流板和唇口限定而成，形成与气膜孔的轴线方向成一定角度 地延伸的气流通道。
[0008] 通过上述具有气膜冷却结构的气膜冷却部件，从离散的气膜孔流出的冷却空气首 先进入冷气腔，在冷气腔中充分混合，然后再经导流部引导流出气膜缝，由此可得到面积更 广、分布更均匀的冷却气膜。同时，气膜缝和气膜孔的组合可保证部件的结构强度不受到较 大影响。
[0009] 在上述气膜冷却结构中，根据冷却空气分布的需要，气膜孔可以是圆孔、椭圆孔和 方孔中的至少一种。
[0010] 或者，可将气膜孔的气膜孔入口设置为圆形，将气膜孔的气膜孔出口设置为方形。 由此，得到复合形状的气膜孔。
[0011] 较佳地，与至少一个气膜缝中的每一个相对应地设置有至少两个气膜孔，气膜孔 沿排布线排列，其中，相邻的两个气膜孔之间的孔间距满足如下关系：d > 2. 5R，其中，d是 相邻两个气膜孔之间的孔间距，R是从气膜孔的气膜孔入口的中心到排布线与气膜孔入口 的交点之间的距离。
[0012] 在与至少一个气膜缝中的每一个相对应地设置有至少两个气膜孔的情形中，气膜 孔沿排布线排列，该排布线可为直线、弧线、抛物线中的至少一种。
[0013] 较佳地，气膜孔的气膜孔入口和气膜孔的气膜孔出口中的至少一处加工有倒圆或 倒角。由此，可防止冷却空气在气膜孔入口和出口处发生阻塞，避免由此产生的流量损失。
[0014] 较佳地，导流部的气流通道的方向与气膜孔的轴线方向所成的角度在45°? 90°之间。
[0015] 较佳地，气膜缝的结构满足如下关系中的至少一种：
[0016] 0. 5S彡a*L彡2S，其中，a是折流板的尖端离开唇口的垂直距离；L为气膜缝的长 度；S是与同一个气膜缝相连通的气膜孔的气膜孔入口的总面积；以及
[0017] m > R，其中，m是从折流板的尖端到气膜孔的中心轴线的垂直距离，R是从气膜孔 的气膜孔入口的中心到气膜孔的排布线与气膜孔入口的交点之间的距离。
[0018] 根据高温侧表面处的高温气体流的分布状况，折流板的尖端与唇口之间的垂直距 离可沿气膜孔的排布线的延伸方向而变化。
[0019] 较佳地，在低温侧表面上设置有至少一个加强部。通过该加强部，可以进一步保证 气膜冷却部件的结构强度。
[0020] 具有以上所述结构的气膜冷却部件可以是燃烧室壁、涡轮叶片和涡轮缘板中的至 少一种。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1示出了本实用新型的气膜冷却部件的俯视图，该气膜冷却部件具体为涡轮叶 片。
[0022] 图2示出了图1所示的气膜冷却部件的部分C的立体详图。
[0023] 图3是沿图2中的线A-A得到的截面图。
[0024] 图4是沿图3中的线B-B得到的截面图。
[0025] 图5示意性地示出了本实用新型的气膜冷却部件中的气膜孔的一种布置结构。
[0026] 图6示意性地示出了本实用新型的气膜冷却部件中的气膜孔的另一种布置结构。
[0027] 图7是示出了本实用新型的气膜冷却部件中的第一变型实施方式的立体图。
[0028] 图8是示出了本实用新型的气膜冷却部件中的第二变型实施方式的立体图。
[0029] 图9是示出了本实用新型的气膜冷却部件中的第三变型实施方式的立体图。
[0030] 图10是示出了本实用新型的气膜冷却部件中的第四变型实施方式的立体图。
【具体实施方式】
[0031] 下面将结合附图对本实用新型的【具体实施方式】进行详细说明。应当了解，附图中 所示的仅仅是本实用新型的较佳实施例，其并不构成对本实用新型的范围的限制。本领域 的技术人员可以在附图所示的实施例的基础上对本实用新型进行各种显而易见的修改、变 型、等效替换，这些都落在本实用新型的保护范围之内。
[0032] 图1中以涡轮叶片为例示出了本实用新型的气膜冷却部件1。虽然在此示出的是 涡轮叶片，但应当了解，本实用新型的气膜冷却部件也可以是燃气轮机的燃烧室壁、涡轮缘 板等在高温环境下工作的部件，其具有与以下将要详细描述的气膜冷却结构相同的冷却结 构。
[0033] 如图1所示，气膜冷却部件1为中空结构，其中包括若干个冷却腔2。在气膜冷却 部件1的表面上设有多个气膜冷却结构3,该气膜冷却结构将冷却腔2与气膜冷却部件1的 高温侧表面连通，冷却空气从冷却腔2经气膜冷却结构3流到该高温侧表面上，以形成冷却 气膜。
[0034] 图2中示出了图1中的部分C的放大立体图，其中包括了气膜冷却结构3。如图2 所示，气膜冷却结构3包括气膜孔51和气膜缝52,其中，每个气膜缝52与多个气膜孔相连 通。具体来说，在气膜冷却部件1的高温侧表面11上开设有气膜缝52,并且，多个气膜孔 51从气膜冷却部件1的低温侧表面12 (即面向冷却腔2的表面）一直延伸到气膜缝52的 底面上，并与气膜缝52相连通。气膜缝52由冷气腔53和导流部54组成。
[0035] 如图3中的截面图所示，导流部54邻近高温侧表面11，并由折流板541和唇口 542 限定而成，形成与气膜孔51的轴线方向成一定角度的气流通道。较佳地，导流部54的气流 通道的朝向与气膜孔51的中心轴线之间的夹角Θ在45°?90°之间。
[0036] 下面将参照图3和4来说明本实用新型的气膜冷却结构3的工作原理。如图3所 示，高温气体流20流经气膜冷却部件1的高温侧表面11，加热高温侧表面11。来自冷却腔 2的冷却气体21从低温侧表面12上的气膜孔入口 501流入，并在气膜孔出口 502处流入气 膜缝52的冷气腔53中。在冷气腔53中，来自不同气膜孔的冷却气体充分混合，然后流入 折流板541和唇口 542所形成的导流部54中，并以连续的气膜的形式从导流部流出，从而 在高温侧表面11上形成连续的气膜22,如图4所示。
[0037] 其中，在冷却气体从冷气腔53流向导流部54时，冷却气体21会冲击折流板541， 从而形成冲击冷却的效应。这可以进一步提高气膜冷却结构3的冷却效果。
[0038] 对于气膜缝52的结构，其较佳地满足如下关系：
[0039] 0· 5S 彡 a*L 彡 2S
[0040] 其中，a是折流板541的尖端离开唇口 542的垂直距离，如图3所示；L为气膜缝的 长度；S是与同一个气膜缝相连通的气膜孔51的气膜孔入口 501的总面积。可以知道，以 上的a*L即为气膜缝52的出口面积。
[0041] 在图2所示的气膜冷却结构3中，气膜孔51为圆孔，因此以上气膜孔入口 501的 总面积可表达为S = nJiR2。其中，R为气膜孔入口的中心到气膜孔的排布线4 (如图2、5 和6所示）与气膜孔入口的交点之间的距离，在圆孔的情形中即为气膜孔入口 501的半径； η为气膜孔的数量。
[0042] 较佳地，折流板541的后折流段长度m大于等于气膜孔入口 501中的尺寸R。在 此，后折流段长度m是指从折流板541的尖端到气膜孔的中心轴线的垂直距离。
[0043] 通过使m大于等于R，可加强冲击效应，同时使冷却气体的导流路径更长。
[0044] 图5中示出了气膜孔51的一种布置形式。其中，多个气膜孔51沿呈直线的排布 线4布置。相邻两个气膜孔51之间的孔间距（即两个孔的中心之间的距离）d > 2. 5R。
[0045] 图6示出了气膜孔的另一布置形式的示意图，其中可见，气膜孔的排布线4呈弧线 的形式。相邻气膜孔51之间的孔间距、即两个气膜孔的中心之间的垂直距离仍然较佳地满 足d彡2. 5R这一关系。
[0046] 除了图5和图6中所示的气膜孔布置形式之外，根据来流的高温气体流的温度分 布，气膜孔51的排布线4还可为抛物线等其它形式的线型。
[0047] 除了以上所公开的具体结构之外，还可对气膜冷却部件1中的气膜冷却结构3进 行如下的修改。
[0048] 图7中示出了气膜冷却部件的第一变型实施方式。其中，气膜冷却结构与图2?4 所示的气膜冷却结构3基本相同。其不同之处仅在于，图7所示的气膜冷却结构的气膜孔 51的截面为椭圆形。
[0049] 图8中示出了气膜冷却部件的第二变型实施方式。其中，气膜冷却结构与之前公 开的气膜冷却结构的不同之处仅在于，图8所示的气膜冷却结构的气膜孔51的截面为方 形。
[0050] 图9示出了气膜冷却部件的第三变型实施方式，其中，气膜孔51为复合形状。具 体来说，如图9所示，该气膜孔的气膜孔入口 501为圆形，而其气膜孔出口 502为方形。
[0051] 气膜孔还可采取其它合适的形状。
[0052] 在图10所示的气膜冷却部件的第四变型实施方式中，在该部件的低温侧表面12 上附加地设置加强部13,以进一步增强气膜冷却部件的结构强度。该加强部13可为例如凸 条的形式。
[0053] 除了以上所述的变型实施方式之外，还可对本实用新型进行如下的变型：
[0054] 较佳地，根据来流的高温气体流的温度分布，折流板541的尖端与唇口 542之间的 垂直距离a可以沿排布线4的延伸方向变化。这样，可以根据不同区域各自的温度来提供 不同的冷却气体流量。
[0055] 较佳地，为了防止气流在气膜孔入口 501和气膜孔出口 502处阻塞，造成气流的损 失，可对气膜孔入口 501和气膜孔出口 502进行倒角或倒圆处理。
[0056] 此外，可以将气膜孔51设置成从气膜孔入口 501到气膜孔出口 502面积逐渐增 大。
[0057] 在以上公开的实施方式中，气膜孔可以是圆孔、椭圆孔、方孔和复合形状的孔中的 一种。根据实际的需求，与气膜缝相连通的多个气膜孔也可同时包括圆孔、椭圆孔、方孔和 复合形状的孔中的两种以上。
【权利要求】
1. 一种用于燃气轮机的气膜冷却部件，所述气膜冷却部件包括高温侧表面、低温侧表 面和设置在所述高温侧表面和所述低温侧表面之间的气膜冷却结构，冷却空气能够从所述 低温侧表面经所述气膜冷却结构流到所述高温侧表面上，形成冷却气膜，其特征在于，所述 气膜冷却结构包括： 至少一个气膜缝，所述气膜缝设置在所述高温侧表面上，并由邻近所述高温侧表面的 导流部和远离所述高温侧表面的冷气腔组成，所述冷气腔与所述导流部相连通； 其中，与所述至少一个气膜缝中的每一个相对应地设置有至少一个气膜孔，所述气膜 孔从所述低温侧表面延伸到所述气膜缝的底面，并与所述冷气腔相连通； 其中，所述导流部由折流板和唇口限定而成，形成与所述气膜孔的轴线方向成一定角 度地延伸的气流通道。
2. 如权利要求1所述的用于燃气轮机的气膜冷却部件，其特征在于，所述气膜孔为圆 孔、椭圆孔和方孔中的至少一种。
3. 如权利要求1所述的用于燃气轮机的气膜冷却部件，其特征在于，所述气膜孔的气 膜孔入口为圆形，所述气膜孔的气膜孔出口为方形。
4. 如权利要求1所述的用于燃气轮机的气膜冷却部件，其特征在于，与所述至少一个 气膜缝中的每一个相对应地设置有至少两个所述气膜孔，所述气膜孔沿排布线排列，其中， 相邻的两个所述气膜孔之间的孔间距满足如下关系：d > 2. 5R，其中，d是相邻两个所述气 膜孔之间的孔间距，R是从所述气膜孔的气膜孔入口的中心到所述排布线与所述气膜孔入 口的交点之间的距离。
5. 如权利要求1所述的用于燃气轮机的气膜冷却部件，其特征在于，与所述至少一个 气膜缝中的每一个相对应地设置有至少两个所述气膜孔，所述气膜孔沿排布线排列，其中， 所述排布线为直线、弧线、抛物线中的至少一种。
6. 如权利要求1所述的用于燃气轮机的气膜冷却部件，其特征在于，所述气膜孔的气 膜孔入口和所述气膜孔的气膜孔出口中的至少一处加工有倒圆或倒角。
7. 如权利要求1所述的用于燃气轮机的气膜冷却部件，其特征在于，所述角度在 45°?90°之间。
8. 如权利要求1所述的用于燃气轮机的气膜冷却部件，其特征在于，所述气膜缝的结 构满足如下关系中的至少一种： 0. 5S彡a*L彡2S，其中，a是所述折流板的尖端离开所述唇口的垂直距离；L为所述气 膜缝的长度；S是与同一个所述气膜缝相连通的所述气膜孔的气膜孔入口的总面积；以及 m > R，其中，m是从所述折流板的尖端到所述气膜孔的中心轴线的垂直距离，R是从所 述气膜孔的气膜孔入口的中心到所述气膜孔的排布线与所述气膜孔入口的交点之间的距 离。
9. 如权利要求1所述的用于燃气轮机的气膜冷却部件，其特征在于，所述折流板的尖 端与所述唇口之间的垂直距离沿所述气膜孔的排布线的延伸方向而变化。
10. 如权利要求1所述的用于燃气轮机的气膜冷却部件，其特征在于，在所述低温侧表 面上设置有至少一个加强部。
11. 如权利要求1?10中任一项所述的用于燃气轮机的气膜冷却部件，其特征在于，所 述气膜冷却部件为燃烧室壁、涡轮叶片和涡轮缘板中的至少一种。
【文档编号】F23R3/00GK203867627SQ201420142173
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年3月27日 优先权日:2014年3月27日
【发明者】蒋登宇 申请人:中航商用航空发动机有限责任公司