一種離散氣膜冷卻孔的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及燃氣輪機技術領域，是一種離散氣膜冷卻孔，可以顯著提高燃氣渦輪葉片的氣膜冷卻效率和橫向氣膜覆蓋，減小氣膜冷卻的摻混損失，適用于燃氣渦輪葉片通道中需要冷卻的表面。
【背景技術】
[0002]燃氣輪機廣泛應用于航空、軍事、交通、電力等領域，為了提高整機效率，燃氣輪機的渦輪進口溫度越來越高，現已遠超渦輪葉片合金材料的耐溫極限。離散孔氣膜冷卻是當前普遍采用的高效冷卻技術，廣泛應用于燃氣輪機渦輪葉片以及緣板冷卻。其基本原理是從壓氣機引入冷卻空氣至渦輪葉片，冷卻空氣通過密布于葉片上的離散氣膜孔流出并覆蓋于葉片表面，從而達到隔絕熱主流與金屬葉片表面的目的，降低葉片表面溫度，從而保證葉片的運行可靠性。
[0003]離散孔氣膜冷卻最常用的冷卻孔是圓柱孔，圓柱孔具有結構簡單、不影響葉片強度、加工容易等優(yōu)點，因此在燃氣渦輪葉片上應用廣泛。但隨著渦輪進口溫度的逐步提高，圓柱孔氣膜冷卻效率偏低、氣膜覆蓋面積小、不適于高吹風比、摻混損失較大等缺點越來越明顯，除葉片前緣區(qū)外，目前先進燃氣渦輪葉片上(吸力面、壓力面、端壁)已很少采用圓柱孔氣膜冷卻。
[0004]近年來，為了改善圓柱孔的缺陷，國內外研宄者陸續(xù)提出了多種新穎的氣膜冷卻孔，以提高氣膜冷卻效果。比如，擴張孔、雙噴射孔、姐妹孔、溝槽孔、收縮槽孔等。上述冷卻孔均比圓柱孔大幅提高了氣膜冷卻效率，其中擴張孔是最成功的冷卻孔，已應用于多種實際的燃氣渦輪葉片?？傮w上看，目前所提出的各種改進型氣膜冷卻孔幾乎均以圓柱孔為基礎，即冷卻孔的冷氣進口端基本都是圓柱孔，改進部分主要是針對氣膜孔的出口端進行。因此，目前絕大部分冷卻孔均可認為是基于圓柱孔的改進。
[0005]實際上，氣膜冷卻還有一種典型結構，即二維連續(xù)槽結構，是氣膜冷卻概念最早提出時使用的原始結構，后來為了便于實際應用且不影響葉片強度，連續(xù)槽結構逐漸發(fā)展為離散化的孔，由于結構簡單并且易于加工，圓柱型孔成為普遍使用的冷卻孔，這也是當前絕大多數改進型高效氣膜冷卻孔的進氣側仍采用圓柱孔的原因。然而，從冷卻效果來看，連續(xù)槽結構的氣膜冷卻效果要明顯優(yōu)于離散化的以圓柱孔為基礎的各種冷卻孔，只是由于連續(xù)槽在制造、結構、布置等方面的一些問題，限制了其在渦輪冷卻葉片上的使用，但槽型結構這一基本結構可以用來發(fā)展更加高效的冷卻孔。

【發(fā)明內容】

[0006](一 )要解決的技術問題
[0007]有鑒于此，本發(fā)明公開一種離散氣膜冷卻孔，用以提高離散孔氣膜冷卻的冷卻效果，增大氣膜覆蓋面積，并減少氣膜冷卻的摻混損失。
[0008]( 二 )技術方案
[0009]為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種離散氣膜冷卻孔，用于燃氣渦輪葉片葉身或葉片上下緣板的氣膜冷卻，該冷卻孔沿冷氣流向分為平直段和擴張段兩部分，平直段位于冷氣進口側，擴張段位于冷氣出口側，平直段橫截面整體呈矩形，且長寬比大于2，平直段的長度與該冷卻孔總長度之比Lt/L在1/3至2/3之間。
[0010]上述方案中，所述平直段橫截面矩形的長寬比是在2至6之間。
[0011]上述方案中，所述平直段橫截面矩形的四角有或無導圓，導圓的半徑是在O至0.5倍平直段寬度Wl之間。
[0012]上述方案中，所述擴張段兩側具有橫向擴張角，冷氣出口側具有前擴張角，橫向擴張角在10-30度之間，前擴張角在0-10度之間。
[0013]上述方案中，以直徑為D的普通圓柱孔為基準，該冷卻孔平直段的矩形橫截面積與該普通圓柱孔的圓形橫截面積相當，平直段寬度Wl為該普通圓柱孔直徑D的0.4-0.7倍。
[0014]上述方案中，該冷卻孔適用的噴射角α范圍在30-70度之間。
[0015]上述方案中，在使用時，多個所述離散氣膜冷卻孔之間的橫向孔間距為S，S與基準普通圓柱孔徑D的比值S/D不小于5。
[0016](三)有益效果
[0017]從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0018]1、本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔，是將二維連續(xù)槽離散化，將二維連續(xù)槽分成多個離散的矩形段，作為冷氣進氣口，單個冷卻孔沿冷氣流向的前半段為平直的，利于冷氣進入孔后保持流動方向，單個冷卻孔沿冷氣流向的后半段為擴張型，目的是擴大出口冷氣的橫向寬度，同時減小冷氣出口動量，有利于氣膜貼附。
[0019]2、本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔，有別于目前已知的氣膜冷卻孔，具有的優(yōu)點如下:一是氣膜橫向覆蓋寬，橫向平均氣膜冷卻效率高；二是適用于高吹風比條件，出口面積大，冷氣出口動量低，冷氣不易吹離壁面；三是出口下游渦系弱，氣動摻混損失很?。凰氖枪に囆院?，以現有加工技術，易于在實際渦輪葉片上實現。
【附圖說明】
[0020]圖1a為現有的普通圓柱孔幾何結構；
[0021]圖1b為現有的扇型擴張孔幾何結構；
[0022]圖1c為現有的簸箕形孔幾何結構；
[0023]圖2a為現有的扇形擴張孔三維結構示意圖；
[0024]圖2b為本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔的三維結構示意圖；
[0025]圖3a為本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔的視圖方向A定義示意圖；
[0026]圖3b為本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔的A向視圖；
[0027]圖3c為本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔的B向視圖；
[0028]圖3d為本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔的C向視圖；
[0029]圖4為本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔的平直段橫截面典型形狀示意圖；
[0030]圖5為本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔的冷氣流動示意圖；
[0031]圖6為本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔與現有幾種典型冷卻孔的橫向平均冷卻效果對比示意圖；
[0032]圖7為本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔的加工工藝示意圖。
【具體實施方式】
[0033]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0034]圖1a展示了現有的普通圓柱孔幾何結構，普通圓柱孔長度、直徑、噴射角分別用L、D、a表示。圖lb、圖1c分別展示了現有的扇形擴張孔以及簸箕形擴張孔的幾何結構，可以看出，現有應用最廣泛的冷卻孔都是出口擴張的，即冷卻孔的前半段為圓柱孔，冷卻孔的后半段轉為擴張型，孔前半段長度用Lt表示，孔的總長度用L表示，橫向擴張角用β表示，前擴張角用γ表示。顯然，所展示的兩種現有的典型擴張型孔基本是在普通圓柱孔的基礎上優(yōu)化改進了后半段的出口擴張結構，以獲得更好的氣膜冷卻效果。
[0035]圖2a展示了現有的扇形擴張孔的三維結構示意圖，作為對比，圖2b展示了本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔的三維結構示意圖。對比可見，本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔拋棄了傳統(tǒng)的圓柱孔這一基本結構，而以橫截面為矩形的槽結構為基礎，同時借鑒了出口擴張這一普遍采用的離散孔出口結構方式，因此本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔與現有冷卻孔的本質區(qū)別是冷卻孔的橫截面由圓形轉為矩形，且矩形的長寬比很大，每個離散孔的矩形橫截面接近于二維連續(xù)槽結構(即多個冷卻孔橫截面為矩形的冷氣進口整體上接近于構成離散化的二維連續(xù)槽)。在保持矩形截面積與傳統(tǒng)圓柱類冷卻孔的圓形截面積相當的條件下，本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔相對于基于圓柱孔的擴張孔而言，優(yōu)勢在于:首先，冷卻孔的橫向尺寸擴大，配合橫向擴張角β，冷卻孔出口的橫向寬度更大，氣膜的橫向覆蓋面積更廣；其次，配合出口的前向擴張角γ，冷卻孔出口面積進一步擴張，冷氣出口動量顯著降低，尤其高吹風比下氣膜脫離的趨勢顯著減??；最后，由于冷卻孔出口的橫向寬度顯著增加，冷氣出口流動更接近二維槽結構，冷氣流動更均勻，冷氣與主流之間的摻混作用減弱，氣動損失減小。
[0036]參照圖2b，本發(fā)明提供的用于燃氣渦輪葉片葉身或葉片通道上下端壁的氣膜冷卻的冷卻孔，沿冷氣流向分為平直段和擴張段兩部分，平直段位于冷氣進口側，擴張段位于冷氣出口側，平直段橫截面整體呈長寬比大于2的矩形，平直段的長度與該冷卻孔總長度之比Lt/L在1/3至2/3之間。優(yōu)選地，平直段橫截面矩形的長寬