一種提高組件外部冷卻效果的上游結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及燃氣輪機冷卻渦輪葉片技術領域，具體涉及一種提高組件外部冷卻效果的上游結構。
【背景技術】
[0002]燃氣輪機的發展標志著一個國家的科技水平、軍事實力和綜合實力。燃氣輪機的發展主要受燃氣初溫的影響，目前先進燃氣透平進口溫度已超過了 2000K，燃氣透平葉片之所以能在這樣嚴酷的環境下安全、穩定地工作，一方面是由于它的熱端部件采用了新型的耐高溫材料和防熱涂層(Thermal Barrier Coatings,TBC);另一方面則得益于高效強化冷卻技術的應用。在渦輪葉片冷卻系統中，氣膜冷卻技術被廣泛應用。
[0003]采用在氣膜孔上游布置凸起的結構，現正被研究來提高冷卻氣膜對渦輪葉片的保護效果。現有技術主要關注兩個方面來提高氣膜冷卻效率:一是基于橫向開槽結構，通過采用橫向開槽降低冷卻氣對主流的穿透力，減小冷卻氣的出口動量，提高壁面橫向及展向的壁面冷卻效果。二是在壁面上設置某種結構的凸起，通過改變凸起結構或凸起高度來增加冷卻氣貼附于壁面的效果和冷卻氣膜橫向覆蓋面積。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時的工況下冷卻效果明顯下降。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，其不足之處在于凸起不但是一體結構，而且設置在氣膜孔下游某一位置，這不僅會增大流體的流動損失，還會抬高氣膜孔射出的冷卻氣，使凸起附近一定范圍的壁面暴露在高溫氣體中，對壁面起不到冷卻保護作用。
【發明內容】
[0004]針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是，提供一種提高組件外部冷卻效果的上游結構。該結構用以增大冷卻氣在壁面橫向的覆蓋面積，明顯改善氣膜孔附近及下游壁面橫向及展向的冷卻效率，并適用于所有離散分布的不同孔結構的氣膜冷卻技術。
[0005]為解決上述技術問題本發明采用如下技術方案:提供一種提高組件外部冷卻效果的上游結構，包括氣膜孔、凸起和壁面，氣膜孔位于壁面的上游區域，其特征在于所述凸起設置在氣膜孔的上游，凸起由兩個形狀結構完全相同的長條狀部分組成，兩個長條狀部分以過氣膜孔出口的中心且平行于主流來流方向的線為軸對稱布置，兩個長條狀部分之間的最短距離是氣膜孔孔徑的0.5-2倍，每個長條狀部分靠近氣膜孔出口的一端設有傾斜面，傾斜面與壁面的夾角為15-75° ;凸起迎著主流來流方向的一側為迎風面，背對著主流來流方向的一側為背壓面，凸起的背壓面到氣膜孔出口中心位置的距離是氣膜孔孔徑的1-4倍，所述凸起高度與氣膜孔孔徑的比值為0.1-3。
[0006]與現有技術(上游無凸起結構)相比，本發明采用在氣膜孔上游布置中間斷開的凸起結構，即凸起由兩個形狀結構完全相同的長條狀部分組成，兩個長條狀部分以過氣膜孔出口的中心且平行于主流來流方向的線為軸對稱布置，主流中心區域的流體經凸起中間的斷開截面后，把從氣膜孔射出的冷卻氣壓覆在壁面上，從而提高了壁面中心區域氣膜冷卻效果，兩側的主流氣在流經凸起時被凸起抬高，也有利于冷卻氣向兩側蔓延，改善壁面橫向冷卻效果，在高吹風比時，也具有良好的冷卻效果，能廣泛應用于燃氣透平端壁及葉片表面的冷卻保護。本發明結構簡單、實施方便、成本低廉，適用于實際的工業領域。
【附圖說明】
[0007]圖1本發明提高組件外部冷卻效果的上游結構一種實施例的整體結構示意圖；
[0008]圖2本發明提高組件外部冷卻效果的上游結構一種實施例的俯視結構示意圖；
[0009]圖3本發明提高組件外部冷卻效果的上游結構一種實施例的主視結構示意圖；
[0010]圖4本發明提高組件外部冷卻效果的上游結構一種實施例的左視結構示意圖；
[0011]圖5本發明凸起2提高組件外部冷卻效果的原理示意圖；
[0012]圖6a為吹風比為0.25的條件下，現有結構的氣膜孔下游壁面冷卻效率分布圖；
[0013]圖6b為吹風比為0.25的條件下，本發明的氣膜孔下游壁面冷卻效率分布圖；
[0014]圖7吹風比為0.25時，現有結構與本發明的氣膜孔下游壁面中心線上冷卻效率的比較；
[0015]圖8a為吹風比為0.25時，現有結構與本發明在壁面橫向x/d = 3處氣膜冷卻效率的對比圖；
[0016]圖8b為吹風比為0.25時，現有結構與本發明在壁面橫向x/d = 10處氣膜冷卻效率的對比圖；
[0017]圖9本發明提高組件外部冷卻效果的上游結構一種實施例中傾斜面24為凹弧形的立體結構示意圖；
[0018]圖10本發明提高組件外部冷卻效果的上游結構一種實施例中凸起2的縱切面形狀為半橢圓形的立體結構示意圖；
[0019]圖11本發明提高組件外部冷卻效果的上游結構中傾斜面24為凹弧形，凸起2縱切面形狀為三角形的立體結構示意圖；
[0020]圖12本發明提高組件外部冷卻效果的上游結構中傾斜面24為凸弧形，凸起2縱切面形狀為三角拓撲形狀的立體結構示意圖；
[0021]圖中，1-氣膜孔、2-凸起、3-壁面、11-氣膜孔出口、21-迎風面、22-背壓面、23-側立面、24-傾斜面。
【具體實施方式】
[0022]下面結合實施例及其附圖對本發明做進一步說明，但并不以此限制對本發明權利要求的保護范圍。
[0023]本發明提高組件外部冷卻效果的上游結構(簡稱結構，參見圖1-10)包括氣膜孔
1、凸起2和壁面3，氣膜孔1位于壁面3的上游區域，凸起2設置在氣膜孔1的上游，所述凸起2由兩個形狀結構完全相同的長條狀部分組成，兩個長條狀部分以過氣膜孔出口 11的中心且平行于主流來流方向的線為軸對稱布置，兩個長條狀部分之間的最短距離b是氣膜孔1孔徑d的0.5-2倍，每個長條狀部分靠近氣膜孔出口的一端設有傾斜面24，傾斜面24與壁面3的夾角為15-75° ;定義凸起2迎著主流來流方向的一側為迎風面21，背對著主流來流方向的一側為背壓面22 ;凸起2的背壓面22到氣膜孔出口 11中心位置的距離L是氣膜孔孔徑d的1-4倍，所述凸起高度h與氣膜孔1孔徑d的比值h/d為0.1-3。
[0024]本發明進一步特征在于傾斜面24可為平直面、多邊形、凹弧形或凸弧形等相似的幾何拓撲形狀。
[0025]本發明進一步特征在于凸起2的縱切面為矩形、三角形、多邊形或半橢圓形等相似的幾何拓撲形狀。
[0026]本發明進一步特征在于所述凸起的最大寬度t (迎風面與背壓面的最大間距)與氣膜孔孔徑d的比值t/d為0.1-1。
[0027]本發明進一步特征在于所述氣膜孔1為圓柱形孔、錐形孔、月牙形孔或Console孔等相似的幾何拓撲。
[0028]本發明進一步特征在于所述氣膜孔1相對于壁面3的夾角β為15° -60°，所述壁面3的橫向寬度w與氣膜孔1的孔徑d的比值w/d為3-10。
[0029]本發明進一步特征在于在所述傾斜面24的下部設有側立面23，側立面23平行于主流來流方向且垂直于壁面3，所述側立面的高度匕為凸起高度h的1/6-1/2。
[0030]本發明提高組件外部冷卻效果的上游結構中凸起2能提高氣膜孔下游壁面氣膜冷卻效率的原理(參見圖5):凸起2布置在氣膜孔1上游，且凸起2為中間斷開且對稱布置，即由兩個形狀結構完全相同的長條狀部分組成，兩個長條狀部分以過氣膜孔出口 11的中心且平行于主流來流方向的線為軸對稱布置，傾斜面可為任意面(平直面、弧形面及多邊形面等)，且與壁面保持一定傾斜角度，在傾斜面下方可以設置側立面，且側立面高度可改變。主流氣在經過凸起2時，一部分主流氣f沿主流來流方向流動，把從氣膜孔1射出的冷卻氣壓覆在壁面上，另一部分主流氣m在經過凸起2斷開截面后向兩側擴散，一方面是由于經過凸起后氣體會有一個突擴，另一方面由于冷卻氣被一部分主流氣f壓覆在壁面上，大部分冷卻氣g沿壁面展向流動，改善壁面展向的冷卻效果；部分冷卻氣η向壁面兩側流動，當另一部分主流氣m遇到冷卻氣η時，冷卻氣η動量大，把主流氣m吹到壁面兩側，進而增加冷卻氣膜覆蓋面積，改善壁面橫向冷卻效果。
[0031]本發明氣膜孔1呈橫向多排布置，壁面3橫向寬度w與單排氣膜孔1的孔徑d的比值為3-10，氣膜孔1與壁面3所呈夾角β為15° -60°，適用于任何順壓梯度的表面，包括各種凹面和凸面等曲面，在吹風比為0.25-1.5時氣膜冷卻效果顯著。本發明中當氣膜孔為不規則形狀時，其孔徑是指等效當量孔徑。
[0032]本發明在氣膜孔1上游布置凸起2，有利于提高氣膜孔附近區域及其下游壁面氣膜冷卻效率。此結構的重點在于凸起