[实用新型]一种凹槽气膜孔结构及燃气轮机

说明书

技术领域

本实用新型涉及气膜冷却技术领域，尤其涉及一种凹槽气膜孔结构及燃气轮机。

背景技术

目前先进航空发动机中涡轮叶片的燃气温度远超过叶片金属材料的许用温度，为了保证涡轮叶片能够长期安全可靠地工作，需要对涡轮叶片采用高效的冷却技术以降低叶片温度，同时尽可能减小叶片各处的温差，从而减小叶片所受的热应力。

气膜冷却作为一种高效的冷却技术，广泛应用于燃气轮机涡轮叶片以及燃烧室壁面的冷却。气膜冷却的原理如图1所示，它是在处于高温环境的壁面1a上开设一个或多个离散孔2a，并沿箭头B从离散孔2a中引入冷却气流(二次气流或射流)，这股冷却气流在沿箭头A流过的燃气的压力和摩擦力作用下向下游弯曲，从而沿箭头C喷射到壁面1a的高温表面，形成温度较低的冷气膜，将壁面1a与高温燃气隔离，以保护射入区域和下游区域的表面，从而达到隔热的目的。

目前的气膜冷却主要有三种类型的结构：其一是采用离散孔形式，气膜冷却通常在孔与孔之间(横向)的冷却效率较低，在孔间距较大时，孔间的冷却效率下降很快。其二是采用二维缝槽的形式，在早期燃气轮机叶片冷却的研究中，二维缝槽结构的气膜冷却虽然可以沿横向形成均匀一致的冷却气膜，但由于其结构上的不连续而使壁面的强度大为降低，使得其在实际的应用中有一定的限制。其三是凹槽和离散孔相结合的形式，凹槽是在气膜孔出口处沿着与气流垂直的方向开设的一个横槽，可使气膜横向分布更均匀，进而改善凹槽下游被冷却表面的冷却效果，但他们均是在气膜孔的出口开一个横槽，并没有实现缝槽与离散气膜孔的有效组合，使得气膜冷却的效果仍然不太理想。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种凹槽气膜孔结构及燃气轮机，能够进一步提高气膜的冷却效率。

为实现上述目的，本实用新型一方面提供了一种凹槽气膜孔结构，包括：固体壁、若干气膜孔和若干凹槽，所述凹槽开设在所述固体壁的表面，所述气膜孔开设在所述凹槽的槽底，所述凹槽的两个槽壁在所述气膜孔对应的位置分别形成凹陷部和凸起部，所述凹陷部和所述凸起部将所述气膜孔的出口包围，以便引导从所述气膜孔流出的气流在所述固体壁的部分表面上形成冷却气膜。

进一步地，还包括连接槽，所述连接槽设置在相邻的所述凹槽之间，能够使所有的所述凹槽形成连续槽结构。

进一步地，所述连接槽为横向直线段或者曲线段。

进一步地，所述凹槽的形状为抛物线形、正弦曲线形、V形、W形或M形。

进一步地，所述凸起部为尖角形状或者倒圆形状。

进一步地，每个所述凹槽包括多个所述凸起部，多个所述凸起部沿所述凹槽一侧的槽壁排布。

进一步地，所述气膜孔相对于所述固体壁的表面垂直或者沿指向所述凸起部的方向倾斜开设。

进一步地，所述气膜孔为圆形孔、椭圆孔、方形孔或者扩张孔。

进一步地，所述气膜孔的直径为D，所述凹槽的宽度W为0.1D～10D；所述凹槽的深度H大于0.1D，且不能超过固体壁的厚度；所述气膜孔的孔壁与所述凹陷部之间的距离L1为0～5D；所述气膜孔的孔壁与所述凸起部之间的距离L2为0～10D。

为实现上述目的，本实用新型另一方面提供了一种燃气轮机，所述燃气轮机的涡轮叶片和/或燃烧室壁面开设有上述实施例中的所述的凹槽气膜孔结构。

基于上述技术方案，本实用新型实施例的凹槽气膜孔结构，凹槽的两个槽壁在气膜孔对应的位置分别形成凹陷部和凸起部，且凹陷部和凸起部将气膜孔的出口包围，这种结构能够对气膜孔出口的气流进行干扰破坏，产生横向覆盖范围更大的涡，有利于冷却气流贴附在固体壁高温表面更大的面积上，从而使冷却气流的横向覆盖效果更佳，能够提高气膜的冷却效率。如果该凹槽气膜孔结构用在燃气轮机中，可以增强涡轮叶片或者燃烧壁面的冷却效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为气膜冷却的原理示意图；

图2为本实用新型凹槽气膜孔结构一个实施例的结构示意图；

图3为图1中凹槽气膜孔结构的俯视图；

图4为图3中凹槽气膜冷却结构的K-K向剖视图；

图5为图1中凹槽气膜孔结构的主视图；

图6为本实用新型凹槽气膜孔结构一个实施例的尺寸示意图；

图7为现有技术中采用圆形离散气膜孔结构的冷却效率图；