[发明专利]一种展向非对称的凹坑气膜冷却孔型

说明书

一种展向非对称的凹坑气膜冷却孔型，用于燃气轮机透平叶片尤其是透平动叶冷却，其特征在于：所述气膜冷却孔型以圆柱孔为基孔，圆柱孔出口沿圆柱孔中心线的展向具有展向非对称凹坑结构。本发明通过调节坑状结构的深度、增大凹坑结构内冷垂直横流下游侧扩张宽度以及向内冷垂直横流下游侧移动凸台的方法，得到非对称的凹坑气膜冷却结构。增大内冷垂直横流下游侧出气边的展向宽度、合理调整凸台的展向位置，实现对内冷垂直横流下游侧高动量冷却射流的有效阻挡并降低冷气射入主流的高度，从而解决垂直内冷横流条件下的冷却射流展向分布不均匀、且冷却效率偏低的问题。

技术领域

本发明涉及燃气轮机透平冷却技术领域，尤其涉及一种展向非对称的凹坑气膜冷却孔型。

背景技术

燃气轮机是一种广泛应用的热机装置，通过经由燃烧室燃烧后得到的高温高压燃气膨胀推动涡轮做功进而产生动力。随着对燃气轮机输出功率和效率要求的不断提升，透平进口温度已远超目前镍基金属叶片材料的耐温极限，因此，必须采用有效的冷却技术来降低透平叶片的热载荷，保证燃气涡轮的安全运行。

气膜冷却是一种高效的外部叶片冷却措施，透平叶片内部冷却腔室的冷气通过离散气膜孔流出而覆盖在叶片表面，使得叶片表面和高温主流相互隔绝，从而达到降低叶片表面温度的目的。通过对目前气膜冷却孔型进行调研，发现其孔型设计均基于冷气速度非常小的垂直冷气腔或冷气流动方向与主流流动方向平行的冷却流道，较少考虑其他流向冷却流道的影响，因此所设计得到的孔型通常沿圆柱孔中心线展向对称分布。实际上，燃气轮机叶片内冷通道的冷气流向较为复杂，尤其透平动叶内冷通道的冷气流向与主流流向多呈现为垂直关系。已有研究表明，内冷垂直横流条件下，将导致冷气射流产生一种非对称效应，即冷气射流在孔出口处被分为流动差别较大的两股流体，从而导致孔下游的壁面冷却效率沿展向分布不均匀并使得面积平均冷却效率有所减小。因此，需要针对内冷横流条件进行专门的气膜孔型设计。

目前在燃气轮机透平叶片冷却中得到实际应用的主要为圆截面的离散孔型，包括基本的圆柱孔型以及基于圆柱孔的出口扩张孔如扇形孔等。圆柱孔型的构造简单，但是在高吹风比下冷气的高动量使得冷气射流易吹离叶片表面，尤其是在远下游的表面冷却效率较低。相比于圆柱孔型，出口扩张孔型大幅提高了冷却效率但其加工难度比较大。基于圆柱孔型，近年来研究人员发展了一种高冷却效率凹坑型气膜孔，该孔型可以借助于热障涂层进行凹坑造型，易于加工，具有较好的应用前景。考虑到喷涂热障涂层进行凹坑造型的灵活性，可便于加工得到展向非对称的凹坑造型，进而克服内冷垂直横流条件下展向对称凹坑孔型的冷气分布不均和效率偏低的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种展向非对称的凹坑气膜冷却孔型，它能够解决现有技术的不足，用以控制内冷垂直横流条件下展向非对称的冷气射流，以获得更均匀的冷气覆盖和更高效的气膜冷却性能。

为了实现上述目标，本发明采用的技术解决方案为：一种展向非对称的凹坑气膜冷却孔型，用于燃气轮机透平叶片尤其是透平动叶冷却，其特征在于：所述气膜冷却孔型以圆柱孔为基孔，圆柱孔出口沿圆柱孔中心线的展向具有展向非对称凹坑结构。

所述展向非对称凹坑结构是在展向对称凹坑气膜冷却孔型的基础上，通过改变凹坑结构某侧的外形以实现凹坑气膜冷却孔型的展向非对称分布。

所述展向非对称凹坑结构均由凹坑扩张结构和凸台构成。

所述展向非对称凹坑结构为展向非对称凹坑扩张结构或者展向非对称的扩张凸台结构。

所述展向非对称凹坑扩张结构是从圆柱孔出口展向中心线两端沿展向非对称扩张；内冷垂直横流下游侧的凹坑展向扩张结构的宽度W_t比上游侧的凹坑展向扩张结构的宽度W_o大，二者之间的比值满足1.0W_t/W₀≤1.5。