[发明专利]涡轮叶片气膜冷却结构及采用该冷却结构的燃气轮机

说明书

本申请涉及主题涡轮叶片气膜冷却结构及采用该冷却结构的燃气轮机，气膜冷却结构包括开设于涡轮叶片壁面的气膜通道，所述气膜通道包括：一个入口，用于输入冷却工质，一个出口，用于将冷却工质送入高温燃气与叶片壁面之间形成气膜；所述入口与出口之间设置有截面尺寸突然扩大的流体震荡发生器，冷却工质于流体震荡发生器内部产生周期性震荡流动且于出口处产生周期性摆动，本申请具有扩大气膜对涡轮叶片的覆盖范围、提高涡轮叶片的冷却效效果。

技术领域

本申请涉及涡轮叶片冷却的领域，尤其是涉及涡轮叶片气膜冷却结构及采用该冷却结构的燃气轮机。

背景技术

随着燃气轮机设计技术水平的提高，燃气轮机涡轮进口燃气温度不断提高，涡轮叶片所面临的热负荷极高，早已超过高温材料能够承受的极限。为了保证涡轮叶片安全可靠工作，需要对其进行复杂的冷却设计，以使涡轮叶片的温度和应力分布保持在合理的水平。

目前，对于涡轮叶片的冷却多采用气膜冷却技术，即通过在高温燃气与涡轮叶片表面之间喷射冷却工质，从而将高温燃气和涡轮叶片隔离，降低涡轮叶片表面的温度。

相关技术中，如公开号为CN113513371A的中国专利申请，公开了一种双层壁冷却叶片、应用该冷却叶片的涡轮及燃气轮机，其冷却叶片采用双层壁结构，包括叶片内壁和叶片外壁，叶片内壁围绕形成高压腔室，叶片内壁与叶片外壁质检形成环形腔室，叶片外壁开设有冷气孔，叶片内壁开设有冲击孔，冷却空气在高压腔室内流动，由冲击孔进入环形腔室内，并从冷气孔排出，在叶片外壁的表面形成一层气膜，以对涡轮叶片进行降温保护。

然而在应用过程中，从加工制造成本最低的角度来看，冷气孔一般设置为圆形孔或扇形孔，圆形冷气孔很容易在较低的吹风比下即脱离叶片表面，无法起到隔离叶片与高温燃气的作用；扇形冷气孔可以在很高的吹风比下仍能保持贴壁流动形成气膜，但是气膜向下游发展过程中很容易和高温燃气参混，从而经过很短距离后即失去对叶片的保护作用。

综上所述，发明人认为相关技术中的气膜对于涡轮叶片的覆盖范围小、冷却保护能力较差。

发明内容

为了扩大气膜对涡轮叶片的覆盖范围、提高涡轮叶片的冷却效果，本申请提供一种涡轮叶片气膜冷却结构及采用该冷却结构的燃气轮机。

一方面，本申请提供一种涡轮叶片气膜冷却结构，采用如下的技术方案：

一种涡轮叶片气膜冷却结构，包括开设于涡轮叶片壁面的气膜通道，所述气膜通道包括：一个入口，用于输入冷却工质，一个出口，用于将冷却工质送入高温燃气与叶片壁面之间形成气膜；所述入口与出口之间设置有截面尺寸突然扩大的流体震荡发生器，冷却工质于流体震荡发生器内部产生周期性震荡流动且于出口处产生周期性摆动。

通过采用上述技术方案，冷却工质从入口进入流体震荡发生器内部，当冷却工质进入流体震荡发生器后，由于流通面积突然扩张，会产生周期性的分离流动，周期性的分离流动将导致出口的气流方向发生周期性变化，从而在叶片壁面上产生周期性的气膜覆盖，并且气膜覆盖的范围大大提高。

可选的，所述流体震荡发生器的内截面可以为矩形、三角形或其他任意形状。

可选的，所述气膜通道的截面可以为圆形、方形或其他不规则形状。

可选的，所述气膜通道的出口形状可以为扇形孔、圆锥形孔或圆孔。

可选的，所述入口至流体震荡发生器的距离大于出口至流体震荡发生器的距离。

通过采用上述技术方案，冷却工质进入流体震荡发生器内部发生周期性震荡后，通过出口排出以在叶片壁面形成冷却气膜；出口至流体震荡发生器的距离不宜过长，否则在流体震荡发生器内部震荡后的气流会由于长时间的管道内流动再次丧失震荡状态，因此将出口至流体震荡发生器的距离设置成小于进口至流体震荡发生器的距离，可以使得震荡气流顺利、全面地覆盖叶片壁面。