一種提高開槽氣膜孔下游壁面氣膜冷卻效率的結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及燃氣輪機傳熱與冷卻技術領域，具體涉及一種提高開槽氣膜孔下游壁面氣膜冷卻效率的結構。
【背景技術】
[0002]燃氣輪機在航空、發電、化工、能源與動力工程等領域應用廣泛，通過提高透平轉子進口溫度可以有效地增加燃氣輪機的熱效率和功率輸出。目前先進燃氣透平進口溫度已超過了 2000K，比高壓渦輪葉片金屬材料的熔點高400K以上，解決高溫帶來問題的辦法主要是發展高性能耐熱合金和采用先進的冷卻技術。目前金屬材料方面的技術進展遠遠跟不上發動機渦輪進口溫度的增加趨勢，因此仍需采取相應的冷卻措施來保護熱端部件。在現有的燃氣輪機葉片的冷卻系統中，氣膜冷卻是最具應用前景的冷卻技術。
[0003]采用下游布置凸起的開槽氣膜孔結構的氣膜冷卻技術，現正被研制來提高燃氣輪機透平葉片壁面冷卻保護。現有研宄表明開槽氣膜孔結構具有較好的氣膜冷卻性能。開槽氣膜孔能夠降低氣膜孔出口處冷卻氣流的動量，提高氣膜冷卻效率，降低表面換熱系數，進而降低表面熱流比。開槽后，冷卻效率對吹風比的敏感程度有所降低。對于提高離散孔下游冷卻效果的關鍵問題便是采用合理的結構增加提高橫向和縱向的平均氣膜冷卻效率。現有技術所采用的方法主要有以下兩個關注點:一是基于橫向開槽結構，通過采用橫向開槽結構來達到提高冷卻效果的目的，二是在下游壁面上布置某種結構的凸起，通過一定高度的凸起來增加氣膜橫向覆蓋面積和冷卻貼附于壁面的作用。如專利申請號為200710017790.4的中國專利公開了一種開槽氣膜冷卻孔，但該冷卻孔對下游的橫向冷卻保護作用有限，在吹風比大于1.0時的工況時冷卻效果明顯下降。專利申請號為201010106756.6的中國專利公開了一種提高離散孔氣膜冷卻效率的結構，其不足之處在于該結構沒有考慮氣膜冷卻橫向開槽對冷卻的疊加作用，下游布置的凸起不但是一體的結構，而且離氣膜孔較近，這樣對流動產生一定的阻礙作用，同時凸起的抬高作用使凸起下游一定范圍內暴露于高溫氣體之中，沒有對冷卻氣產生保護作用。
【實用新型內容】
[0004]針對現有技術的不足，本實用新型擬解決的技術問題是，提供一種提高開槽氣膜孔下游壁面氣膜冷卻效率的結構。該結構用以提高離散孔氣膜冷卻的橫向和展向氣膜覆蓋能力，強化孔下游中心區域氣膜冷卻效果，可明顯提升燃氣透平葉片壁面下游區域的氣膜冷卻效率，適用于所有類型的帶有開槽結構的離散孔分布形式的氣膜冷卻技術。
[0005]本實用新型解決所述技術問題所采用的技術方案是:提供一種提高開槽氣膜孔下游壁面氣膜冷卻效率的結構，包括氣膜孔、橫向開槽和壁面，橫向開槽開設在壁面上游區域，氣膜孔位于橫向開槽上，其特征在于所述壁面的下游區域設有凸起；所述凸起以過氣膜孔出口中心且垂直于壁面的直線為軸對稱布置，凸起迎向氣膜孔的方向為進氣口，相反方向為出氣口，所述凸起背向氣膜孔的一側型線為背壓型線，迎向氣膜孔的一側型線為迎風型線，所述背壓型線為向壁面下游方向凸出的型線；所述進氣口的長度是氣膜孔的孔徑的2-5倍，進氣口的長度是出氣口的長度的1.5-4倍；凸起的進氣口距氣膜孔出口中心的距離與氣膜孔的孔徑的比值為10-30 ;所述凸起的高度與氣膜孔的孔徑的比值為0.25-3。
[0006]與現有技術相比，本實用新型采用基于橫向開槽的氣膜孔的下游布置一對弧形凸起的方法，即每個凸起由對稱的兩個弧形組成，代替現有技術中一體結構的凸起，先通過該結構對氣膜冷卻氣進行橫向強制收集作用，提升了凸起上游及內部的冷卻效果，冷卻氣流出凸起后得到突擴，進而使凸起后部的區域冷卻氣覆蓋效果得到進一步提升。本實用新型采用的凸起不會產生由于抬高冷卻氣而造成凸起后部區域失去冷卻保護，同時，由于凸起斷開成對布置，不會產生較大的流動損失，且增強了橫向冷卻效果，且在吹風比大于1.0時也具有冷卻效果，能廣泛的用于燃氣透平葉片表面及端壁的冷卻保護。此外，本實用新型還具有外形美觀、結構簡單、實施方便、成本低廉等特點，更適于工業應用。
【附圖說明】
[0007]圖1本實用新型提高開槽氣膜孔下游壁面氣膜冷卻效率的結構的整體結構示意圖；
[0008]圖2本實用新型提高開槽氣膜孔下游壁面氣膜冷卻效率的結構一種實施例的俯視結構示意圖；
[0009]圖3本實用新型提高開槽氣膜孔下游壁面氣膜冷卻效率的結構一種實施例的主視結構示意圖；
[0010]圖4本實用新型的凸起3提尚氣I旲冷卻效率的原理不意圖；
[0011]圖5吹風比為0.5時，本實用新型的無量綱溫度為0.6的等值曲面輪廓圖；
[0012]圖6吹風比為0.5時，本實用新型的無量綱溫度為0.2的等值曲面輪廓圖；
[0013]圖7吹風比為0.5，氣膜孔下游中截面的冷卻效率分布圖，其中，圖7a吹風比為
0.5，無凸起時，氣膜孔下游中截面的冷卻效率分布圖；圖7b吹風比為0.5，有凸起時，氣膜孔下游中截面的冷卻效率分布圖；
[0014]圖8吹風比為0.5，壁面板材為鋁時，本實用新型氣膜孔下游中截面的耦合氣膜冷卻效率分布圖；
[0015]圖9本實用新型提高開槽氣膜孔下游壁面氣膜冷卻效率的結構中凸起3為棱鏡型的一種實施例的俯視結構不意圖；
[0016]圖10本實用新型提高開槽氣膜孔下游壁面氣膜冷卻效率的結構中凸起3為半括號型拓撲相似結構的一種實施例的俯視結構示意圖；
[0017]圖中，1-氣膜孔、2-橫向開槽(或凹槽)、3_凸起、4-壁面、11-氣膜孔出口、31-背壓型線、32-迎風型線、33-進氣口、34-出氣口。
【具體實施方式】
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[0018]下面結合實施例及附圖對本實用新型做進一步說明，但并不以此限制對本實用新型權利要求的保護范圍。
[0019]本實用新型提高開槽氣膜孔下游壁面氣膜冷卻效率的結構(簡稱結構，參見圖1-10)包括氣膜孔1、橫向開槽2、凸起3和壁面4，橫向開槽2開設在壁面4上游區域，氣膜孔I位于橫向開槽2上，在壁面4的下游區域設有凸起3 ;所述凸起3以過氣膜孔出口 11的中心且垂直于壁面4的直線為軸對稱布置，凸起3迎向氣膜孔的方向為前部，前部為進氣口 33，相反方向為出氣口 34，所述凸起3背向氣膜孔的一側型線為背壓型線32，迎向氣膜孔I的一側型線為迎風型線31，所述背壓型線32為向壁面下游方向凸出的型線；所述進氣口33的長度w是氣膜孔I的孔徑d的2-5倍，進氣口 33的長度是出氣口 34的長度的1.5-4倍；凸起3的進氣口 33距氣膜孔出口 11的中心距離L與氣膜孔I的孔徑d的比值L/d為10-30 ;所述凸起3的高度H與氣膜孔I的孔徑d的比值為0.25-3。
[0020]本實用新型的進一步特征在于所述凸起3的X向長度wl與Y向長度w2的比值為
1.0-4.00
[0021]本實用新型的進一步特征在于所述凸起3為兩個弧形。
[0022]本實用新型的進一步特征在于所述迎風型線31為直線或向壁面下游方向凸起的弧線。
[0023]本實用新型的進一步特征在于所述凸起3為半括號型、棱鏡型或拓撲相似結構。
[0024]本實用新型的進一步特征在于所述迎風型線與背壓型線的間距b是可調整的。
[0025]本實用新型的進一步特征在于所述橫向開槽2的槽寬c與氣膜孔I的孔徑d的比為2-6，橫向開槽2的槽深s與氣膜孔I的孔徑d的比為0.2-1 ο
[0026]本實用新型的進一步特征在于所述氣膜孔I為圓柱形、錐形孔、矩形孔、梯形孔、簸箕形孔或Console孔。
[0027]本實用新型的進一步特征在于所述氣膜孔I相對于水平面的夾角β為15° -60°，所述壁面4的橫向長度e與氣膜孔I的孔徑d的比值e/d為3-10。