一种带螺旋结构的气膜冷却结构

1.本发明属于涡轮叶片冷却技术领域，特别是涉及一种带螺旋结构的气膜冷却结构。

背景技术：

2.为了提高燃气轮机的热效率和输出功率，涡轮进口温度不断提高，涡轮部件的高温材料已不能满足上述工况。因此，发展高效的冷却技术成为关键。气膜冷却是涡轮高温部件常用的一种冷却技术，其优点是具有保温和吸热的双重功能，可实现最大温降。气膜冷却作为一个热门的研究课题取得了很大的进展。圆柱孔是最早也是应用最广泛的一种气膜孔构型，其具备了一定的冷却效果。但在圆柱孔射流下游，冷却剂容易形成肾型涡对，这种尺寸较大的涡结构限制了冷却气膜的横向覆盖能力，并将主流夹带到壁面，严重影响了气膜孔的冷却能力。
3.改变气膜孔的孔型是削弱肾型涡的手段之一，近些年来，气膜孔由圆柱型孔逐步发展为扇形孔、锥形孔、盖槽孔、椭圆孔、新月型孔和心形孔等。上述研究的方向是消除肾型涡的不利影响，在传热和空气动力学方面有其独特的优势。但这些气膜孔的几何形状都面临着一个共同的难点，即加工工艺。
4.因此，需要设计一种带螺旋结构的气膜冷却结构，以解决传统圆柱型气膜孔冷却效果欠佳和异型气膜孔加工难度大的问题。

技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种带螺旋结构的气膜冷却结构，以解决上述问题，达到提高气膜孔冷却效果、降低气膜孔加工难度的目的。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种带螺旋结构的气膜冷却结构，包括开设在涡轮叶片前缘的冷气腔，所述冷气腔侧壁开设有若干射流孔，所述冷气腔通过所述射流孔与所述涡轮叶片外表面连接，所述射流孔内侧壁开设有螺旋结构。
7.优选的，所述冷气腔的形状与所述涡轮叶片外表面形状相适配，所述冷气腔侧壁与所述涡轮叶片外表面之间的距离a为3mm—7mm。
8.优选的，所述射流孔轴线与所述涡轮叶片外表面之间的夹角θ为30
°‑
40
°
。
9.优选的，所述射流孔螺旋结构的牙型为三角形。
10.优选的，所述射流孔的内径d为1mm—2mm，所述螺旋结构的齿高h为0.5d，螺距i为1.3d。
11.优选的，所述射流孔螺旋结构为右螺旋。
12.优选的，若干所述射流孔沿所述涡轮叶片展向等间隔设置。
13.本发明具有如下技术效果：
14.本发明的气膜冷却结构位于涡轮叶片前缘，通过射流孔使射出的冷却剂产生旋转，诱导产生旋流来实现对涡轮叶片的热防护。在射流孔内，流场分离区较小，存在小尺度
涡，流线呈漩涡状，射流孔出口冷却剂在垂直方向上的动量小且均匀，能更好地保护壁面。同时，出口具有较大的横向速度区域，使冷却剂产生更大的展向分布范围，对侵入冷却射流下方的高温主流有较强的抑制作用。由于旋转的影响，冷却剂出口下游在垂直方向上产生了大尺度涡和小尺度涡组成的涡对，并最终合并成一个新的涡旋，其旋转方向与肾型涡完全不同，打破了普通气膜孔固有的肾型涡结构，使冷却剂更好的贴附于涡轮叶片表面，冷却效率大幅提高，对提高气膜冷却效果具有重要意义。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明轴测图；
17.图2为本发明另一角度轴测图；
18.图3为本发明剖视图；
19.图4为本发明射流孔示意图；
20.图5为不同吹风比条件下圆柱孔对平板的冷却效果图；
21.图6为不同吹风比条件下螺旋结构孔对平板的冷却效果图；
22.图7为不同吹风比条件下沿流动方向的平均冷却效率对比曲线；
23.图8为螺旋结构孔下游的流畅结构图。
24.其中，1、涡轮叶片；2、冷气腔；3、射流孔。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
27.参照图1-3，本发明公开一种带螺旋结构的气膜冷却结构，包括开设在涡轮叶片1前缘的冷气腔2，冷气腔2侧壁开设有若干射流孔3，冷气腔2通过射流孔3与涡轮叶片1外表面连接，射流孔3内侧壁开设有螺旋结构。
28.冷气腔2可以位于涡轮叶片1前缘或涡轮端壁内部，螺旋结构可以通过增材制造或直接在涡轮叶片1上攻丝获得。
29.进一步优化方案，冷气腔2的形状与涡轮叶片1外表面形状相适配，冷气腔2侧壁与涡轮叶片1外表面之间的距离a为3mm—7mm。
30.进一步优化方案，射流孔3轴线与涡轮叶片1外表面之间的夹角θ为30
°‑
40
°
。
31.夹角方向为沿来流方向。
32.进一步优化方案，射流孔3螺旋结构的牙型为三角形。
33.进一步优化方案，射流孔3的内径d为1mm—2mm，螺旋结构的齿高h为0.5d，螺距i为1.3d。
34.进一步的，射流孔3的长度为l，l＝a/sinθ。
35.螺旋结构的循环数根据射流孔3的具体长度确定。
36.进一步优化方案，射流孔3螺旋结构为右螺旋。
37.在螺旋结构的作用下，由于出口动量和孔形状的改变，降低了coanda效应，从而提高了冷却性能。
38.进一步优化方案，若干射流孔3沿涡轮叶片1展向等间隔设置。形成冷却气膜孔阵列。
39.选取的冷气腔2侧壁与涡轮叶片1外表面之间的距离值、射流孔3的内径值为具有最佳冷却效果的螺旋通道孔构型。在相同条件下，这种参数下的螺旋通道气膜孔产生的垂直涡对的强度最大，结构最稳定。垂直涡对结构由顶部的大尺度涡和底部的小尺度涡组成。此参数下的大涡对下方较小涡的抑制作用最强，使得冷却气膜获得较大的横向速度和较小的法向速度。较大的横向速度一方面决定了螺旋流道孔产生的冷却气膜具有较强的展向覆盖能力，另一方面使冷却气膜对气膜底部横向流动的高温主流有较强的抵抗作用，使高温主流不能够侵入气膜下方；而较小的法向速度则降低了冷却剂进入高温主流的能力，这就减弱了冷却剂与高温主流的掺混作用。此时，混合气流的温度相对较低，这种温度较低的气流附着在叶片表面，形成冷却气膜，最终提高了冷却性能。
40.具有较高径向压力梯度的旋流可以使热边界层变薄，改善换热效果，是一种具有良好发展前景的冷却技术。叶片内部采用旋流冷却方案，可以提高内部通道的换热系数，旋流冷却室壁的换热能力可提高8倍以上。根据以上内容，本发明提出了一种利用旋流和气膜孔复合冷却的冷却结构。
41.参照图4-5，最小的吹风比0.5导致了最大的冷却气膜覆盖区。随着吹气比的增加，圆柱孔的冷却气膜覆盖面积逐渐减小。当吹风比超过1.0时，整个壁面的冷却效率已经低于0.5，几乎丧失了冷却能力。吹风比的增加可归因于冷却剂动量的增加，这增强了冷却剂射出气膜孔后穿透主流的能力。随后，冷却剂与壁面分离，不能在涡轮叶片表面产生冷却气膜。而对于所有的螺旋结构孔，冷却气膜的覆盖面积均大于圆柱孔的覆盖面积。螺旋结构孔的冷却气膜覆盖区的展向尺寸超过了1.5倍的孔直径，表现出了良好的冷却效果，冷却剂通过螺旋结构后，获得了较好的壁面附着性能。另外，由于螺旋射流的影响，螺旋结构孔的冷却气膜覆盖区向z轴负方向偏移，这与圆柱形孔的冷却气膜的覆盖区不同，后者基本上关于x轴对称。
42.参照图6，随着主流沿来流方向的发展，横向平均冷却效率逐渐降低，最终趋于平缓。冷却剂在低吹气比下能够更好地粘附在壁面上，因此，对于两种类型的气膜孔，它们在吹风比为0.5时的横向平均冷却效率均高于在1.0时的水平。由吹风比为0.5的数据可知，x/d＝0处螺旋结构孔的横向平均冷却效率为0.364，是圆柱孔的1.56倍。曲线平稳后，螺旋结构孔的冷却效率数值高于圆柱孔79％。总的来看，整个平板的平均气膜冷却效率提高了97％。而在螺旋结构孔的下游，当吹风比为1.0时，平均气膜冷却效率提高了66.7％。特别是螺旋结构孔在吹风比为1.0曲线上的每个点都比圆柱孔曲线上的数值更高，证明前者只需一半的冷却剂量即可获得比后者更好的冷却效果。这种差异主要来自两部分：(1)螺旋结构
孔具有较宽的冷却气膜覆盖区。特别是在下游区域，螺旋结构孔的冷却气膜覆盖面积明显大于圆柱孔。(2)螺旋结构孔的核心高冷却效率区域(冷却效率＞0.85)更为明显，占据了x/d＝0-17的区域。而圆柱孔的核心高冷却效率区域仅出现在x/d＝0-10处。
43.螺旋结构孔出口处的横向速度绝对值都很大，这主要是由于流动在气膜孔孔道内旋转形成旋涡流动所致。此外，在接近孔出口时，旋流倾向于向z轴正方向发展，使得注入的冷却剂具有较大的横向速度。另外，当吹风比增大时，冷却剂的旋流运动仍然大大增强，高速区面积也增大。横向速度决定了冷却气膜的横向扩展能力，即展向覆盖能力。这种横向较大的速度分布带来了不同的流动结构，使得冷却剂在射出螺旋结构孔后，冷却气膜分布的展向范围更大。
44.在传统的气膜冷却孔流场中，随着流动的发展，反向旋转的肾型涡对逐渐远离壁面，两个相反的涡流之间的距离逐渐增加。反向旋转的涡对已彼此分离成两个涡流。此外，涡核下方的温度也逐渐升高，表明气膜冷却的有效性正在逐渐降低。对于气膜冷却，反向旋转涡流对的不利影响是双重的：(1)在垂直方向，冷却气膜完全脱离壁面，越往下游发展，这种抬升效果越明显。这种气膜的抬升对冷却剂对壁面的保护极为不利。(2)当流动发展到下游时，旋涡已经离壁面有一定距离。同时，两个独立的涡流会将高温主流吸卷入其下方的冷却剂中，进一步降低冷却效果。当应用螺旋气膜孔时，由于旋流的影响，螺旋结构孔的出口处产生了小尺度的涡流，随着流动发展，可以清楚地观测到一个垂直的涡流结构。上方位置涡的尺寸较大，下方位置涡的尺寸较小，底部的涡流是由孔出口处的小规模涡流发展而来的。小尺度涡流下面的温度较低，说明这里的冷却效果较好。在下游x＝10d处，两个涡流逐渐合并成一个新的涡流结构，新的涡流逐渐向靠近壁面的方向移动。流场结构在下游达到稳定状态，产生的涡流离开壁面。这个涡旋的旋转方向与圆柱孔形成的肾型涡的旋转方向相反，因此其作用也不同。
45.在螺旋结构孔内，流场分离区较小，存在小尺度涡。由于螺旋结构的作用，流线呈螺旋状，偏离明显。螺旋孔道出口冷却剂垂直方向动量小且均匀，能更好地保护壁面。同时，出口具有较大的横向速度区域，使冷却剂产生更大的展向分布范围，对侵入冷却射流下方的高温主流有较强的抑制作用。流过螺旋结构孔的冷却剂可分为两部分。流体i是一种类似于通过圆柱形孔的流体，与主流相互作用形成大尺度涡。流体ii沿螺旋壁面旋转，包裹流体i，最终形成小尺度涡。在垂直方向上，小尺度涡被大尺度涡抑制，小尺度涡能将附着在壁面上的冷却剂留住，有利于壁面的热防护。这种旋流结构破坏了肾型涡，对提高气膜冷却效果具有重要意义。
46.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
47.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：

1.一种带螺旋结构的气膜冷却结构，其特征在于，包括开设在涡轮叶片(1)前缘的冷气腔(2)，所述冷气腔(2)侧壁开设有若干射流孔(3)，所述冷气腔(2)通过所述射流孔(3)与所述涡轮叶片(1)外表面连接，所述射流孔(3)内侧壁开设有螺旋结构。2.根据权利要求1所述的一种带螺旋结构的气膜冷却结构，其特征在于，所述冷气腔(2)的形状与所述涡轮叶片(1)外表面形状相适配，所述冷气腔(2)侧壁与所述涡轮叶片(1)外表面之间的距离a为3mm—7mm。3.根据权利要求1所述的一种带螺旋结构的气膜冷却结构，其特征在于，所述射流孔(3)轴线与所述涡轮叶片(1)外表面之间的夹角θ为30
°‑
40
°
。4.根据权利要求3所述的一种带螺旋结构的气膜冷却结构，其特征在于，所述射流孔(3)螺旋结构的牙型为三角形。5.根据权利要求4所述的一种带螺旋结构的气膜冷却结构，其特征在于，所述射流孔(3)的内径d为1mm—2mm，所述螺旋结构的齿高h为0.5d，螺距i为1.3d。6.根据权利要求5所述的一种带螺旋结构的气膜冷却结构，其特征在于，所述射流孔(3)螺旋结构为右螺旋。7.根据权利要求1所述的一种带螺旋结构的气膜冷却结构，其特征在于，若干所述射流孔(3)沿所述涡轮叶片(1)展向等间隔设置。

技术总结

本发明公开一种带螺旋结构的气膜冷却结构，包括开设在涡轮叶片前缘的冷气腔，螺旋结构冷气腔侧壁开设有若干射流孔，螺旋结构冷气腔通过螺旋结构射流孔与螺旋结构涡轮叶片外表面连接，螺旋结构射流孔内侧壁开设有螺旋结构。本发明对传统的圆柱型气膜孔进行了优化，通过改变气膜孔的通道形状，使气膜孔出口冷却剂产生组合涡对，诱导产生旋流，使冷却剂更好的粘附到壁面，有利于壁面热保护。同时解决了异形孔因其复杂构造而难以加工的问题，打破了圆柱型气膜冷却固有的肾型涡结构，极大地提高了气膜冷却效果，具有良好的工程应用前景。具有良好的工程应用前景。具有良好的工程应用前景。