[发明专利]一种带水滴形扰流柱和梯形导流体的网格缝冷却结构

说明书

本发明公开了一种带水滴形扰流柱和梯形导流体的网格缝冷却结构，涉及燃气轮机冷却技术；该结构通过在二维缝中布设系列的水滴形扰流柱，并在出口处设置导流斜面以及在斜面上有规律地布置梯形导流体而成。冷却结构包括进气腔、唇板、底板、水滴形扰流柱、唇板导流斜面、底板导流斜面、梯形导流体。其中，水滴形扰流柱阵列可减弱扰流柱后的流动分离和回流涡，减小流动阻力；水滴形扰流柱的尾部进行倒圆处理，以缓解应力集中引起的结构强度问题。唇板导流斜面和底板导流斜面形成的倾斜出气通道降低气流的法向动量，使气流更易贴附壁面形成气体保护膜；梯形导流体可分流网格缝出口的气体，改善气流在壁面分布的均匀性；提高冷却效果。

技术领域

本发明涉及燃气轮机涡轮叶片的冷却技术，具体地说，涉及一种带水滴形扰流柱和梯形导流体的网格缝冷却结构。

技术背景

在现代工业生产中，燃气轮机广泛应用于电力和航空等领域，是目前能源动力行业不可或缺的组成部分。为了提高燃气轮机的工作性能，燃气轮机科研设计人员根据工程热力学原理逐渐提高了涡轮前温度，使得当前燃气轮机的性能逐步升高，但是，目前燃气轮机涡轮叶片的材料耐热程度有限，因此，为了保护燃气轮机长时间安全可靠高效地工作，必须对涡轮叶片进行有效的冷却设计。气膜冷却作为一种外部冷却方式被广泛应用于燃气轮机的高温部件冷却结构设计中。气膜冷却的基本原理:在高温部件上开缝槽或者小孔，沿一定方向向主流喷入冷气，在主流的压力和摩擦力作用下，射流弯曲覆盖于高温部件表面形成温度较低的冷气膜，将壁面同高温燃气隔离，并带走部分高温燃气或明亮火焰对壁面的辐射热量，从而对壁面起到良好的保护作用。

最初应用在涡轮叶片上的气膜冷却孔是离散圆柱孔，Eckert(Film coolingfollowing injection through inclined circular tubes[J],Israel Journal ofTechnology,1970,8(1-2))较早地对圆柱气膜孔的冷却效果进行了实验研究，发现带有复合角的圆柱孔具有良好的气膜冷却效果。随着研究工作的深入，国内外学者发现圆柱孔由于其结构局限性，冷气流的展向覆盖效果不好；而且由于从圆柱孔射出的冷流法向动量较大，导致射流在近壁面处冷却效果较差。基于此，国内外关于孔型的研究集中在异型孔上。Goldstein(Effects of hole geometry and density on threedimensional filmcooling[J],International Journal of Heat and Mass Transfer,1974,17(5),pp.595-607)研究发现扇形孔可以降低冷气流的法向动量，增大了冷气在涡轮叶片表面的覆盖面积，最终改善了气膜冷却效率，但是依然不能在涡轮叶片表面实现全覆盖。基于上述问题，一种二维缝气膜冷却结构(Hot Air Discharge for De-Icing[R].AAF TranslationReport No.F-TS-919-RE,1946:1-44)逐渐被提出并被进行了研究，Kacker和Whitelaw[4]研究了二维缝结构的气膜冷却效率，发现唇板厚度的增加会降低气膜冷效，且受射流与主流速度比的影响较大。Martini(Experimental and Numerical Investigation ofTrailing Edge Film Cooling by Circular Coolant Wall Jets Ejected From a SlotWith Internal Rib Arrays[R],ASME Paper No.GT2003-38157；Film CoolingEffectiveness and Heat Transfer on the Trailing Edge Cut-Back of TurbineAirfoils With Various Internal Cooling Designs[J],ASME Paper No.GT2005-68083.)等在尾缘劈缝中的研究证实，内部通道扰流柱的形状对下游的冷却效率分布有明显的影响。

发明内容