配置有垂直槽形气膜孔的冷却结构及涡轮叶片

本公开的至少一种实施例涉及燃气轮机，更具体地，涉及一种配置有气膜孔的冷却结构及涡轮叶。

背景技术：

1、提高燃气轮机整机效率的有效途径之一是提高透平进口温度，随着燃气轮机技术的发展，先进燃气轮机透平进口温度已经远远超过了高温合金材料的耐温极限。仅依靠高温合金技术的发展无法满足透平进口温度提升的需求，亟需发展先进的冷却技术。燃气轮机冷却可以分为内部冷却和外部冷却，外部冷却即为气膜冷却，其基本原理是从压气机抽取低温空气作为冷却气输送至透平需冷却的高温部位，冷却气通过离散气膜孔流出并覆盖在壁面上，在隔绝壁面与高温主流的同时带走部分热量，从而达到降低壁面温度的目的，实现燃气轮机的安全运行。

2、工程上应用最广泛最成熟的孔型是圆柱孔。圆柱孔具有结构简单、热应力小、加工方便等优点，但同时圆柱孔也存在一系列明显的缺点，比如气膜覆盖面积小，高吹风下射流出口速度大容易脱离壁面，气膜冷却效果偏低，掺混损失大等。随着燃气轮机技术不断发展，透平进口温度不断提高，圆柱孔提供的冷却效果已不能满足逐步提升的冷却需求。针对上述问题，国内外学者开展了大量针对气膜冷却孔孔型的研究提出了大量新颖的气膜冷却结构或孔型。目前先进燃气透平叶片已大量使用异型气膜孔代替圆柱孔，在众多新颖气膜冷却结构中以出口扩张型孔最具代表性和实用性，其中扇形孔和一字形孔已在实际燃机的透平叶片上获得广泛应用。

3、虽然扇形孔和一字形孔在一定程度上提高了气膜冷却效果，但仍存在高吹风比下气膜轨迹偏斜、气膜覆盖范围变小等问题。为改善透平叶片的气膜冷却效果，需发展更合适的气膜孔结构，以满足冷却需求。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的所述以及其他方面的至少一种技术问题，本公开提供一种配置有气膜孔的冷却结构及涡轮叶，通过合理配置气膜孔的平直段以及扩张段的长宽比，抑制了气膜孔进气口的喷射效应，削弱了气膜孔出气口下游壁附近的低动量区的范围，提高了气膜的贴附性，并扩大了气膜覆盖范围。

2、本公开的实施例一方面提供一种配置有气膜孔的冷却结构，包括基体，上述基体内设置有沿与上述基体的厚度方向相倾斜的第一方向延伸的气膜孔；上述气膜孔的进气口形成于上述基体的第一面上，上述气膜孔的出气口形成于上述基体的与第一面相背的第二面上，上述进气口及上述出气口之间顺次设置有平直段及扩张段；其中，沿与上述第一方向相正交的第二方向的正投影中，上述平直段形成长条形的孔结构，沿气流流向延伸的上述平直段的长度被构造成大于沿气流展向延伸的上述平直段的宽度，上述扩张段被构造成沿上述平直段的宽度方向向两侧渐宽的扩张以形成上述出气口，以抑制上述进气口的喷射效应，削弱上述出气口的下游壁附近的低动量区的范围。

3、根据本公开的实施例，上述平直段的沿宽度方向设置的两个侧壁被构造成相互平行，设置于两个上述侧壁之间的上游壁及下游壁被构造成与上述侧壁形成平滑的过渡。

4、根据本公开的实施例，沿上述第二方向的正投影中，上述平直段的上游壁和/或上述平直段的下游壁被构造成半圆弧结构。

5、根据本公开的实施例，上述出气口的上游壁的宽度小于上述出气口的下游壁的宽度。

6、根据本公开的实施例，上述出气口的四角被构造成圆角。

7、根据本公开的实施例，上述扩张段的中线的延伸方向被构造成与上述平直段的中线的延伸方向相重合。

8、根据本公开的实施例，在上述第二方向的正投影中，上述平直段的长度被构造成为上述平直段的宽度的3至6倍。

9、根据本公开的实施例，上述平直段沿第一方向的长度被构造成为上述气膜孔的总长度的1/3至1/2。

10、本公开的实施例另一方面还提供一种具有如上述实施例上述的冷却结构的涡轮叶片，包括由基体形成的叶片，上述叶片内设置有容纳冷却气通过的气体流道，上述叶片内设置有多个气膜孔，上述气膜孔的进气口与上述气体流道连通，以引导上述冷却气通过上述气膜孔，并经上述气膜孔的出气口流出并在上述叶片的表面的至少一部分区域形成气膜。

11、根据本公开的实施例，多个上述气膜孔在上述叶片上沿上述冷却气的气流流向和/或气流展向间隔排布，以形成气膜孔阵列。

12、根据本公开提供的配置有气膜孔的冷却结构及涡轮叶，将气膜孔的平直段构造成长条形的孔结构，沿气流流向延伸的平直段的长度被构造成大于沿气流展向延伸的平直段的宽度，气膜孔平直段的上游壁与下游壁的垂直距离相对较大，减弱了进口的喷射效应，进而减小了下游壁附近由进口喷射效应引起的低动量区范围，使冷却气集中于上游壁附近，出口反肾型涡对的强度明显减弱，抑制了高吹风比下冷却气向气膜孔出口一侧的横向偏斜现象，增加了气膜覆盖的宽度；另外，通过将扩张段构造成沿平直段的宽度方向向两侧渐宽的扩张以形成出气口，使得出口面积显著增大，使冷却气的喷射动量减小，增强了气膜贴附性。进一步的，由于反肾型涡对的强度减弱，配合冷却气集中于上游壁附近，可大幅度增加出口横向扩张角，获得大宽度且均匀的下游气膜覆盖。

技术特征：

1.一种配置垂直槽形有气膜孔的冷却结构，其特征在于，包括基体，所述基体内设置有沿与所述基体的厚度方向相倾斜的第一方向延伸的气膜孔(1)；

2.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于，所述平直段(11)的沿宽度方向设置的两个侧壁被构造成相互平行，设置于两个所述侧壁之间的上游壁及下游壁被构造成与所述侧壁形成平滑的过渡。

3.根据权利要求2所述的冷却结构，其特征在于，沿所述第二方向的正投影中，所述平直段的上游壁(111)和/或所述平直段的下游壁(112)被构造成半圆弧结构。

4.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于，所述出气口的上游壁的宽度小于所述出气口的下游壁的宽度。

5.根据权利要求4所述的冷却结构，其特征在于，所述出气口的四角被构造成圆角。

6.根据权利要求1至5中任一所述的冷却结构，其特征在于，所述扩张段(12)的中线的延伸方向被构造成与所述平直段(11)的中线的延伸方向相重合。

7.根据权利要求1至5中任一所述的冷却结构，其特征在于，在所述第一方向的正投影中，所述平直段(11)的长度被构造成为所述平直段(11)的宽度的3至6倍。

8.根据权利要求1至5中任一所述的冷却结构，其特征在于，所述平直段(11)沿第一方向的长度被构造成为所述气膜孔(1)的总长度的1/3至1/2。

9.一种具有如权利要求1至8中任一所述的冷却结构的涡轮叶片，其特征在于，包括由基体形成的叶片，所述叶片内设置有容纳冷却气通过的气体流道，所述叶片内设置有多个气膜孔(1)，所述气膜孔(1)的进气口与所述气体流道连通，以引导所述冷却气通过所述气膜孔(1)，并经所述气膜孔(1)的出气口流出并在所述叶片的表面的至少一部分区域形成气膜。

10.根据权利要求9所述的涡轮叶片，其特征在于，多个所述气膜孔(1)在所述叶片上沿所述冷却气的气流流向和/或气流展向间隔排布，以形成气膜孔(1)阵列。

技术总结
本公开提供一种配置有垂直槽形气膜孔的冷却结构及涡轮叶片，包括基体，基体内设置有沿与基体的厚度方向相倾斜的第一方向延伸的气膜孔；气膜孔的进气口形成于基体的第一面上，气膜孔的出气口形成于基体的与第一面相背的第二面上，进气口及出气口之间顺次设置有平直段及扩张段；其中，沿与第一方向相正交的第二方向的正投影中，平直段形成长条形的孔结构，沿气流流向延伸的平直段的长度被构造成大于沿气流展向延伸的平直段的宽度，扩张段被构造成沿平直段的宽度方向向两侧渐宽的扩张以形成出气口，以抑制进气口的喷射效应，削弱出气口的下游壁附近的低动量区的范围。

技术研发人员：安柏涛,胡佳君
受保护的技术使用者：中国科学院工程热物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2025/4/21