[发明专利]一种在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮

说明书

本发明提供一种在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮，包括机匣、叶片和轮毂，在机匣和轮毂之间沿圆周方向均匀安装涡轮叶片，在涡轮叶片之间的轮毂端壁上开有一系列气膜孔，在气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构。本发明设计的在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮能明显增加气膜孔冷气出流的横向铺展面积和气膜均匀性，从而提高涡轮轮毂端壁气膜冷却效果，同时还可略微提高涡轮端区气动性能，并且具有良好的工作可靠性。

技术领域

本发明涉及一种涡轮，尤其涉及一种在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮。

背景技术

现代燃气轮机/航空发动机的工作温度已经远远超过金属材料的可承受温度。气膜冷却作为一种高效的先进冷却方式，被广泛应用于燃气轮机/航空发动机的高温部件冷却，包括涡轮叶片表面、轮毂端壁等位置的冷却。气膜冷却是将从压气机相应级中抽出的压缩冷却气体从一个或多个离散孔中喷射，在壁面形成一层气体薄膜以保护壁面不被高温气体烧蚀，而气膜冷却效果的高低直接影响到所需冷气量的多少，进而影响到燃气轮机/航空发动机整机的效率和性能。提高气膜冷却效果的关键是限制冷气从气膜孔喷射出后被高温气体吹离，同时扩大冷却气体在壁面的覆盖面积，特别是扩大冷气的横向铺展面积。气膜冷却最常用的冷却孔是圆柱孔，圆柱孔具有结构简单、不影响叶片强度、加工容易等优点，因此在工程中得到了广泛的应用，但随着涡轮进口温度的提高，圆柱孔气膜冷却效果偏低、冷气覆盖面积小等劣势越来越明显。由于现有技术的不足，人们一直希望有一种能有效提高圆柱孔气膜冷却效果的涡轮。

发明内容

本发明的目的是为了能明显增加气膜孔冷气出流的横向铺展面积和气膜均匀性，提高涡轮轮毂端壁气膜冷却效果，同时还可略微提高涡轮端区气动性能而提供一种在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮。

本发明的目的是这样实现的：包括机闸、轮毂、涡轮叶片，且涡轮叶片设置在机闸与轮毂之间且均匀沿圆周方向设置，在相邻的两个涡轮叶片之间的轮毂短臂上设置有一列气膜孔，在每列气膜孔的上游布置新月形沙丘凸台结构，新月形沙丘凸台结构的凸台内侧宽度小于其最大厚度位置距尾侧的宽度，其最大厚度位置距尾侧的宽度小于凸台整个宽度，凸台整个宽度与其最大厚度位置距尾侧的宽度之差大于凸台最大厚度位置距尾侧的宽度与凸台内侧宽度之差。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述新月形沙丘凸台单元数为气膜孔数的0.8～1.2倍。

2.所述新月形沙丘凸台距下游孔中心的距离为气膜孔直径的2～4倍。

3.所述新月形沙丘凸台的高度为端壁边界层厚度的0.2～3倍。

4.所述新月形沙丘凸台的单元宽度为气膜孔直径的2～6倍，新月形沙丘凸台内侧宽度、最大厚度位置距尾侧的宽度和凸台整个宽度分别为气膜孔直径的0.5～1.5倍、1～3倍和2～6倍。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明受到新月形沙丘结构的空气动力学特性研究方面工作的启发，在涡轮叶片轮毂端壁气膜孔上游布置一系列新月形沙丘凸台单元结构。由于新月形沙丘凸台单元会使主流产生一对与气膜孔出流所形成肾形涡的旋转方向相反的涡。该主流涡抑制了肾形涡的形成和膨胀，使得冷气出流的流动分离减小并更贴近轮毂端壁壁面，同时增加了冷气出流的横向铺展面积和气膜均匀性；同时，由于该单元的自然流线型结构特点，该单元自身带来的分离损失特别微小，且考虑到该单元对气膜孔出流分离流动的减小，因此，总体上该单元结构的引入能略微提高涡轮端区气动性能；此外，本发明结构简单，加工和工程应用也比较方便。

附图说明

图1是在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮子午视图；

图2是在端壁气膜孔上游布置新月形沙丘凸台结构的涡轮示意图；

图3是端壁气膜孔上游新月形沙丘凸台结构的俯视图；