一種提高氣膜冷卻效率的結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種提高氣膜冷卻效率的結構，包括氣膜孔、橫向開槽和壁面，氣膜孔設在壁面的上游區域，橫向開槽開設在氣膜孔的出口處，其特征在于該結構在橫向開槽的下游槽壁上的中間位置開設有順流階梯，在順流階梯的兩側對稱布置導流面，所述順流階梯迎著來流方向的平面垂直于壁面，順流階梯的最低點和最高點分別與橫向開槽的底面和下游壁面平齊，順流階梯以過氣膜孔出氣孔中心且平行于壁面的中心線為軸對稱布置；所述導流面為與壁面呈15°-75°夾角的斜坡，所述順流階梯的一個階梯在沿壁面展向方向的最大投影縱向長度與氣膜孔孔徑的比值為0.25-1.0，順流階梯在沿壁面橫向方向的最大投影長度與氣膜孔孔徑的比值為1.0-4.0。
【專利說明】
一種提高氣膜冷卻效率的結構
技術領域
[0001]本實用新型涉及燃氣透平傳熱與冷卻技術領域，具體涉及一種提高氣膜冷卻效率的結構。
【背景技術】
[0002]目前，燃氣透平在航空、航海、交通運輸以及火力發電中有廣泛的應用，它的發展代表著一個國家的科學技術水平、軍事發展以及國家綜合實力。為進一步提高燃氣透平的經濟性，其中最有效的方法是提高燃氣透平的入口初始溫度，但是由于受到耐高溫材料的限制，燃氣透平的入口初始溫度提高后應采用一些有效的措施來降低高溫部件的工作環境溫度，以此來保證燃氣透平安全可靠的運行。在燃氣透平的冷卻系統中，氣膜冷卻技術應用的最為廣泛。
[0003]現有技術研究表明開槽氣膜孔結構能有效提高氣膜冷卻效率，開槽能夠降低氣膜孔出口處冷卻氣流的動量，減小冷卻氣對主流的穿透力，提高壁面氣膜冷卻效率。如專利號為ZL200710017790.4的中國專利公開了一種開槽氣膜冷卻孔，該氣膜冷卻孔包括第一橫槽和第二橫槽，第一橫槽上設有尖角舌片，保證了冷卻氣在第一橫槽內的橫向擴散，但對于橫槽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。
【實用新型內容】
[0004]針對現有結構的不足之處，本實用新型擬解決的技術問題是，提供一種提高氣膜冷卻效率的結構。該結構用以增大冷卻氣在氣膜孔下游壁面的覆蓋面積，提高壁面展向(X正半軸方向)氣膜冷卻效率，并改善壁面橫向(y軸方向)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:提供一種提高氣膜冷卻效率的結構，包括氣膜孔、橫向開槽和壁面，氣膜孔設在壁面的上游區域，橫向開槽開設在氣膜孔的出口處，其特征在于該結構在橫向開槽的下游槽壁上的中間位置開設有順流階梯，在順流階梯的兩側對稱布置導流面，所述順流階梯迎著來流方向的平面垂直于壁面，順流階梯的最低點和最高點分別與橫向開槽的底面和下游壁面平齊，順流階梯以過氣膜孔出氣孔中心且平行于壁面的中心線為軸對稱布置;所述導流面為與壁面呈15°-75°夾角的斜坡，所述順流階梯的一個階梯在沿壁面展向方向的最大投影縱向長度與氣膜孔孔徑的比值為0.25-1.0，順流階梯在沿壁面橫向方向的最大投影長度與氣膜孔孔徑的比值為1.0-4.0;導流面與橫向開槽的底面相交線的橫向寬度與氣膜孔孔徑的比值為1.0-4.0。
[0006]與現有技術(在氣膜孔處僅設計有開槽結構)相比，本實用新型在橫向開槽氣膜孔結構的基礎上于開槽結構下游槽壁上開設了順流階梯和導流面(斜坡)，順流階梯能夠降低開槽對冷卻氣在壁面展向方向流動的阻力，減小冷卻氣對主流的穿透力，使冷卻氣更貼近壁面流動，減小了反向渦對的強度，提高了壁面展向的冷卻效率。順流階梯兩側的導流面，減小主流與冷卻氣的摻混，對槽內的冷卻氣起到導流的作用，從而提高壁面橫向氣膜冷卻效率。本實用新型在開槽處設置順流階梯和斜坡不會出現因為吹風比大于1.0時而導致壁面氣膜冷卻效率明顯下降的現象。此外，本實用新型中所提出的結構也具有易加工、經濟實用等諸多優點，尤其在燃氣透平葉片及其端壁的冷卻保護方面，可以滿足實際工程中的應用需要，從而提高部件壽命和節約成本。
【附圖說明】
[0007]圖1本實用新型提高氣膜冷卻效率的結構的整體結構示意圖；
[0008]圖2本實用新型提高氣膜冷卻效率的結構的一種實施例俯視結構示意圖；
[0009]圖3本實用新型提高氣膜冷卻效率的結構的一種實施例主視結構示意圖；
[0010]圖4本實用新型提高氣膜冷卻效率的結構的一種實施例左視結構示意圖；
[0011 ]圖5本實用新型的開槽2提高氣膜冷卻效率的原理示意圖；
[0012]圖6吹風比為0.5的條件下的冷卻效率分布對比圖，其中，圖6a為現有結構的氣膜孔下游壁面冷卻效率分布，圖6b為本實用新型的氣膜孔下游壁面冷卻效率分布；
[0013]圖7吹風比為0.5時，現有結構與本實用新型的氣膜孔下游壁面中心線上冷卻效率的比較；
[0014]圖8吹風比為0.5時，圖8a為現有結構與本實用新型在壁面橫向x/d= 5處氣膜冷卻效率的比較，圖Sb為現有結構與本實用新型在壁面橫向x/d = 10處氣膜冷卻效率的比較；
[0015]圖9本實用新型提高氣膜冷卻效率的結構中導流面22的俯視圖為直角梯形的整體結構示意圖；
[0016]圖10本實用新型提高氣膜冷卻效率的結構中順流階梯21的階梯數為I且具有傾斜表面的臺階的整體結構示意圖；
[0017]圖中，1-氣膜孔，2-橫向開槽(或開槽)，3_壁面，11-氣膜孔出氣孔，21-順流階梯，22-導流面。
【具體實施方式】
:
[0018]以下結合具體實施例和附圖對本實用新型的結構作進一步的說明，但并不以此限制對本實用新型權利要求的保護范圍。
[0019]本實用新型提高氣膜冷卻效率的結構(簡稱結構，參見圖1-4)包括氣膜孔1、橫向開槽2和壁面3，氣膜孔I設在壁面3的上游區域，橫向開槽2開設在氣膜孔I的出口處，在橫向開槽2的下游槽壁上的中間位置開設有順流階梯21，在順流階梯21的兩側對稱布置導流面22，所述順流階梯迎著來流方向的平面垂直于壁面，順流階梯的最低點和最高點分別與橫向開槽2的底面和下游壁面3平齊，順流階梯21以過氣膜孔出氣孔11中心且平行于壁面3的中心線為軸對稱布置;所述導流面22為與壁面3呈15°-75°夾角的斜坡，所述順流階梯21的一個階梯在沿壁面展向方向(即X正方向)的最大投影縱向長度L1與氣膜孔孔徑d的比值為0.25-1.0，順流階梯在沿壁面橫向方向(S卩Y方向)的最大投影長度與氣膜孔孔徑的比值為1.0-4.0；導流面22與橫向開槽2的底面相交線的橫向寬度w與氣膜孔孔徑d的比值為1.0-4.0。
[0020]本實用新型的進一步特征在于所述順流階梯21的階梯個數為1-5個。
[0021 ]本實用新型的進一步特征在于所述順流階梯21的每個階梯的形狀尺寸相同。
[0022]本實用新型的進一步特征在于所述順流階梯21—個階梯的縱截面的形狀為矩形、半圓形、半橢圓形或梯形。
[0023]本實用新型的進一步特征在于所述導流面22的俯視圖形狀為梯形。
[0024]本實用新型的進一步特征在于所述導流面22的縱切面形狀(即主視圖形狀)為曲邊直角梯形或多邊直角梯形。
[0025]本實用新型的進一步特征在于所述氣膜孔I為圓柱形孔、錐形孔、矩形孔、梯形孔、月牙孔或簸箕形孔等幾何多邊形孔。
[0026]本實用新型的進一步特征在于所述橫向開槽2的槽寬c與氣膜孔孔徑d的比為2-6，橫向開槽2的槽深H與氣膜孔孔徑d的比為0.2-1。
[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α為15°-60°，所述壁面3的橫向長度e與氣膜孔孔徑d的比值e/d為3-10。
[0028]本實用新型中順流階梯的階梯數量及階梯形狀與具體工況有關，每個階梯的形狀尺寸可相同也可不同，但要保證整個順流階梯的的最低點和最高點分別與橫向開槽2的底面和下游壁面3平齊。
[0029]本實用新型中在橫向開槽2的下游槽壁上設置的順流階梯21及導流面22能提高氣膜孔下游壁面氣膜冷卻效率的基本原理(參見圖5)為:在開槽2的下游槽壁上設置順流階梯21，降低下游槽壁對從氣膜孔流出的冷卻氣m的阻力，減小冷卻氣在壁面垂直方向(z方向)的動量，減小冷卻氣對主流的穿透力，并且降低冷卻氣在壁面展向的流動速度，使冷卻氣更好地鋪展在壁面上，提高壁面中心區域的冷卻效率，在順流階梯21兩側布置傾斜導流面22，冷卻氣從氣膜孔流出，并在開槽2內與主流氣相遇，此部分氣體s溫度低于主流氣體，通過導流面22進入壁面兩側，對壁面橫向的冷卻效率起到疊加的作用。
[0030]本實用新型中氣膜孔I可為圓柱形孔、錐形孔、矩形孔、梯形孔、月牙孔或簸箕形孔等幾何多邊形孔，氣膜孔I在橫向(y方向)呈多排布置，氣膜孔I與水平壁面夾角α為15°-60°，壁面3的橫向長度e與氣膜孔孔徑d的比值e/d在3.0-10之間，本實用新型結構適用于各種順壓梯度的壁面，包括凹面、凸面等曲面，在吹風比為0.25-1.5之間冷卻效率有明顯提尚O
[0031]本實用新型在橫向開槽2下游槽壁上設置順流階梯21及導流面22有利于提高壁面的冷卻效率，順流階梯21減小冷卻氣與主流的摻混，使冷卻氣沿著壁面3流動，槽內冷卻氣順著導流面22流經壁面3，提高壁面展向及橫向的氣膜冷卻效率。本結構的特點在于順流階梯21的階梯數量、每個階梯的形狀尺寸、導流面22的傾斜角度β、導流面22的俯視形狀及縱切面的形狀，以上參數對冷卻氣在下游壁面的流動、形成渦量的大小、湍流強度及冷卻效率起著至關重要的作用。根據實驗結果，對順利階梯21及導流面22的設計有如下幾個要求:第一，順流階梯21的階梯高度h不宜過高，否則起不到降低冷卻氣在垂直壁面的動量，不能有效減小冷卻氣對主流的穿透力，階梯高度h根據冷卻氣流速增大而增加，隨著冷卻氣流速的減小而降低;第二，順流階梯21的階梯數不宜過多，階梯數過多會對冷卻氣造成較大的氣動損失，降低冷卻氣在壁面展向的冷卻效率;第三，導流面22與壁面3的夾角β不宜過大，β過大對槽內的冷卻氣的導流作用減小，該部分氣體不能很好的貼附在壁面上流動，在壁面兩側上方形成較大的反向渦對，降低壁面氣膜冷卻效率;第四，導流面22與橫向開槽2的底面相交線的橫向寬度w不宜過小，否則起不到加強壁面橫向冷卻效果的作用。
[0032]實施例1
[0033]本實施例結構(參見圖1-4)包括氣膜孔1、橫向開槽2和壁面3，氣膜孔I設在壁面3的上游區域，橫向開槽2開設在氣膜孔I的出口處，在橫向開槽2的下游槽壁上的中間位置開設有順流階梯21，在順流階梯21的兩側對稱布置導流面22，所述順流階梯迎著來流方向的平面垂直于壁面，順流階梯的最低點和最高點分別與橫向開槽2的底面和下游壁面3平齊，順流階梯21以過氣膜孔出氣孔11中心且平行于壁面3的中心線為軸對稱布置;所述導流面22為與壁面3呈15°-75°夾角的斜坡，所述順流階梯21的一個階梯在沿壁面展向方向(S卩X正方向)的最大投影縱向長度L1與氣膜孔孔徑d的比值為0.25-1.0，順流階梯在沿壁面橫向方向(即Y方向)的最大投影長度與氣膜孔孔徑的比值為1.0-4.0;導流面22與橫向開槽2的底面相交線的橫向寬度w與氣膜孔孔徑d的比值為1.0-4.0。
[0034]圖2-4分別是圖1所示結構的俯視圖、主視圖和左視圖，在圖2、圖3和圖4中，三個流動方向分別用坐標Χ、γ、ζ表示，X為流體的流動方向，即縱向，Χ正半軸為下游方向，Υ為橫向，Z為垂直壁面方向，氣膜孔I的孔徑用d表示，氣膜孔I相對于水平壁面的夾角為α，橫向開槽2的槽寬用c表示，橫向開槽2的高度用H表示，壁面3的橫向長度用e表示，順流階梯21的一個階梯的高度用h表示，順流階梯21在沿X方向的最大投影縱向長度用L1表示，導流面22在X方向的長度用L表示，導流面22在y方向與橫向開槽2的底面相交線長度用w表示，導流面22與壁面3的夾角為β，夾角β越小，壁面橫向氣膜冷卻效率越好。
[0035]本實施例中順流階梯21有兩個階梯，且兩個階梯的高度h相等，導流面22連接開槽2的底面與壁面3。氣膜孔I為圓柱形，氣膜孔I與壁面3的夾角α為35°，壁面3的橫向長度e是氣膜孔I孔徑的4倍，橫向開槽2的槽深H為0.5d，槽寬c為3d，順流階梯21在沿x方向的最大投影縱向長度L1為0.25d，每個階梯的高度相同，均為0.25d，導流面22在y方向與橫向開槽2的底面相交線長度w為Id;導流面22在X方向的長度L與氣膜孔孔徑相等，導流面22與壁面的夾角β可根據開槽的深度H及導流面22在X方向的長度L算出。
[0036]采用本實施例結構，在吹風比為0.5的條件下，圖6a為現有結構的氣膜孔下游壁面氣膜冷卻效率分布(η)，圖6b為本實用新型的氣膜孔下游壁面氣膜冷卻效率分布，圖中0.4和0.3代表兩壁面該區域的氣膜冷卻效率為0.4和0.3，兩條虛線是為了更清晰的展示出兩種結構的氣膜冷卻效率分布，兩圖對比可以發現，在壁面的橫向及展向，本實用新型有更好的氣膜冷卻效果。這是由于本實用新型在開槽的下游槽壁的中間布置順流階梯21，減小冷卻氣在壁面垂直方向的動量，冷卻氣能更好的沿壁面展向流動，冷卻氣在流經順流階梯21時，提高了冷卻氣對階梯的冷卻保護，順流階梯21也起到降低冷卻氣流速的作用，冷卻氣能更均勻的覆蓋在壁面上，削弱了反向渦對的形成，提高壁面中心區域冷卻效果。順流階梯21兩側的導流面22的作用是減小開槽槽壁對槽內部分冷卻氣的阻力，該部分冷卻氣順著導流面22流經壁面兩側，對壁面的冷卻效率起到疊加的作用，改善壁面橫向冷卻效果，具體數據分析可見圖7和圖8。
[0037]吹風比為0.5時，圖7定量的分析了現有結構與本實用新型在氣膜孔下游壁面中心線上的氣膜冷卻效率，本實用新型在壁面展向的氣膜冷卻效率要高于現有結構，在接近氣膜孔的壁面上，由于現有結構的冷卻氣在壁面垂直方向有較大的動量，剛接觸壁面時不能很好的被壓覆在壁面上，所以在接近氣膜孔的壁面上會出現一個峰值，而本實用新型就避免了這種現象的出現，在所研究的范圍內，本實用新型與現有結構在壁面中心線上的氣膜冷卻效率平均提高了9.1%。
[0038]圖8定量分析了本實用新型與現有結構在吹風比為0.5條件下的壁面橫向氣膜冷卻效率，圖8a為在x/d = 5處本實用新型與現有結構的壁面橫向氣膜冷卻效率，從圖中可以看出，本實用新型的橫向氣膜冷卻效率明顯高于現有結構，尤其是與導流面22連接的壁面區域，本實用新型在該位置的氣膜冷卻效率大大提高，這是由于導流面22減小了槽壁對槽內冷卻氣的阻力，與現有結構相比，槽內冷卻氣在壁面垂直方向的動量減小，沿壁面展向的速度增大，槽內流出的冷卻氣更貼近于壁面流動，減小該區域壁面上方的反向渦對強度，提高了壁面橫向冷卻效率，在x/d = 5、l<y/d<2和-2<y/d<_l處本實用新型的氣膜冷卻效率提高49%。圖8b為在x/d=10處本實用新型與現有結構的壁面橫向氣膜冷卻效率，從圖中也可以發現，本實用新型在該位置的氣膜冷卻效率要高于現有結構，在與導流面22連接的壁面區域，在x/d = 5處氣膜冷卻效率雖然沒有明顯提高，但略有改善;在x/d=10處，本實用新型結構的橫向氣膜冷卻效率平均提高12.7%。與現有結構相比，本實用新型不僅改善了壁面展向氣膜冷卻效率，還大大提高壁面橫向氣膜冷卻效果。
[0039]實施例2
[0040]本實施例結構中各部分組成及相對位置關系同實施例1，順流階梯的階梯數量為2個，不同之處在于，本實施例中順流階梯中兩個階梯的尺寸不完全一樣，上面的階梯在Y方向的長度要大于下面的階梯，順流階梯在沿壁面橫向方向(即Y方向)的最大投影長度與氣膜孔孔徑的比值為2.0，導流面22的俯視圖為直角梯形。
[0041 ] 實施例3
[0042]本實施例結構中各部分組成及相對位置關系同實施例1，不同之處在于，順流階梯的階梯數量為I個，且為具有傾斜表面的臺階。
[0043]本實用新型未述及之處適用于現有技術。
【主權項】
1.一種提高氣膜冷卻效率的結構，包括氣膜孔、橫向開槽和壁面，氣膜孔設在壁面的上游區域，橫向開槽開設在氣膜孔的出口處，其特征在于該結構在橫向開槽的下游槽壁上的中間位置開設有順流階梯，在順流階梯的兩側對稱布置導流面，所述順流階梯迎著來流方向的平面垂直于壁面，順流階梯的最低點和最高點分別與橫向開槽的底面和下游壁面平齊，順流階梯以過氣膜孔出氣孔中心且平行于壁面的中心線為軸對稱布置;所述導流面為與壁面呈15°-75°夾角的斜坡，所述順流階梯的一個階梯在沿壁面展向方向的最大投影縱向長度與氣膜孔孔徑的比值為0.25-1.0，順流階梯在沿壁面橫向方向的最大投影長度與氣膜孔孔徑的比值為1.0-4.0;導流面與橫向開槽的底面相交線的橫向寬度與氣膜孔孔徑的比值為1.0-4.0。2.根據權利要求1所述的提高氣膜冷卻效率的結構，其特征在于所述順流階梯的階梯個數為1-5個。3.根據權利要求1所述的提高氣膜冷卻效率的結構，其特征在于所述順流階梯的每個階梯的形狀尺寸相同。4.根據權利要求1所述的提高氣膜冷卻效率的結構，其特征在于所述順流階梯一個階梯的縱截面的形狀為矩形、半圓形、半橢圓形或梯形。5.根據權利要求1所述的提高氣膜冷卻效率的結構，其特征在于所述導流面的俯視圖形狀為梯形。6.根據權利要求1所述的提高氣膜冷卻效率的結構，其特征在于所述導流面的縱切面形狀為曲邊直角梯形或多邊直角梯形。7.根據權利要求1所述的提高氣膜冷卻效率的結構，其特征在于所述氣膜孔為圓柱形孔、錐形孔、矩形孔、梯形孔、月牙孔或簸箕形孔。8.根據權利要求1所述的提高氣膜冷卻效率的結構，其特征在于所述橫向開槽的槽寬與氣膜孔孔徑的比為2-6，橫向開槽的槽深與氣膜孔孔徑的比為0.2-1。9.根據權利要求1所述的提高氣膜冷卻效率的結構，其特征在于所述氣膜孔相對于水平面的夾角為15°-60°，所述壁面的橫向長度與氣膜孔孔徑的比值為3-10。
【文檔編號】F01D5/18GK205445689SQ201620299735
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月12日
【發明人】王進, 崔沛, 李倩倩, 翟鄭佳, 閔春華, 朱恒宣
【申請人】河北工業大學