[发明专利]一种具有提高静叶前缘附近端壁冷却效率的射流槽冷却结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种冷却结构，具体涉及一种具有提高静叶前缘附近端壁冷却效率的射流槽冷却结构。

背景技术

燃气涡轮作为能源转化和利用的主要装置，广泛应用于发电，航空，化工和机械动力领域。随着社会经济的高速发展，能源需求的急剧增大和环境问题的日益突出给燃气涡轮的设计提出了更严格的要求。到目前为止，为了解决能源短缺和环境污染问题，一方面通过提高进口燃气温度能显著提高燃气涡轮热效率以减少CO₂的排放；另一方面通过改进燃烧室的设计使燃气温度分布均匀以降低燃烧中心区域的燃气温度，从而减少NO_x的生成。这两方面都使得第一级静叶端壁附近的燃气温度显著提高，此外由于静叶前缘附近存在复杂而强烈的涡系，因此静叶附近端壁承受的热负荷不断增大，从而严重影响其使用寿命和整个燃气涡轮的运行安全。

为了降低端壁的热负荷，实际燃气涡轮中采用气膜冷却孔、上游槽缝和通道中间的缝隙冷却射流对静叶附近端壁进行冷却保护，但静叶前缘处马蹄涡导致上游的冷却射流被主流卷吸离开端壁表面，导致静叶前缘附近的端壁不能被冷却射流有效覆盖。研究表明：静叶上游边界层流体在静叶前缘上游一定位置处产生分离形成马蹄涡。一部分冷却射流就被马蹄涡的左右分支卷吸脱离端壁，另一部分冷却流体被限制在马蹄涡左右分支所形成的区域内，冷却流的覆盖范围被限制在马蹄涡左右分支之间的区域。静叶前缘的角涡将主流高温燃气卷吸直接冲刷静叶前缘附近的端壁表面，在高温燃气长期的直接冲刷下，静叶前缘附近端壁容易被烧蚀，严重影响燃气涡轮的热效率和运行安全。为了能够有效降低静叶前缘附近端壁的热负荷，传统燃气涡轮中在前缘附近引入一排离散气膜孔和利用上游槽缝的冷却射流能一定程度抑制马蹄涡和角涡卷吸带入的高温燃气对静叶前缘附近端壁的冲刷，因此对静叶前缘附近端壁具有一定的冷却保护作用。图1和图2给出了一种带有燃烧室与锅炉之间的槽缝6和静叶前缘上游的气模孔5的传统静叶端壁结构。传统的冷却结构能够一定程度提高静叶前缘附近端壁冷却效率，但是静叶前缘附近高热负荷区域10依然无法得到冷却保护。

因此，开发新型高效冷却结构对静叶前缘附近的端壁进行有效冷却，降低该区域的热负荷，保障静叶前缘附近端壁安全有效地工作具有十分重要的工程应用价值。

发明内容

针对静叶前缘附近端壁承受极高的热负荷，且采用常规冷却方法无法有效冷却的特点，本发明提供了一种具有提高静叶前缘附近端壁冷却效率的射流槽冷却结构，其利用静叶前缘角涡和上游马蹄涡的输运作用使静叶前缘附近端壁的冷却效率显著提高。本发明能够从根本上消除静叶前缘附近端壁的高热负荷区域，提高静叶附近端壁的使用寿命且保障静叶前缘附近端壁安全有效地工作。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种具有提高静叶前缘附近端壁冷却效率的射流槽冷却结构，包括安装于燃气涡轮静叶根部的冷却射流腔室和射流槽；其中，

冷却射流腔室沿着冷却流的方向贯穿于燃气涡轮静叶根部，射流槽沿着高温燃气的进气方向自燃烧室贯穿于静叶内部的肋片并与冷却射流腔室出口相连通。

本发明进一步的改进在于，冷却射流腔室包括呈圆柱状的上腔室和下腔室以及连接两个腔室的上下腔室连接管道。

本发明进一步的改进在于，冷却射流腔室直径D取值为40-60mm。

本发明进一步的改进在于，射流槽的射流槽下表面与静叶前缘附近高热负荷区域的径向位置高度相同。

本发明进一步的改进在于，射流槽的射流槽上表面和射流槽下表面组成的通道沿冷却射流方向为线性渐扩型，且射流槽入口高度H₁小于射流槽出口高度H₂。

本发明进一步的改进在于，设燃气涡轮静叶的静叶高度为H，则有H₁＜H₂≤0.5％H。

本发明进一步的改进在于，射流槽出口高度H₂小于马蹄涡涡核心距端壁高度H₃和静叶前缘角涡涡核心距端壁高度H₄。

本发明进一步的改进在于，射流槽出口设置在静叶前缘进口小圆的弧段之内，且静叶前缘进口小圆半径R有，0.015L_ax≤R≤0.08L_ax，L_ax为静叶轴向弦长。

本发明具有如下有益的技术效果：