一种抑制涡轮叶片尾缘气膜局部失效的方法

1.本发明属于燃气轮机涡轮转子叶片冷却技术领域，特别是涉及一种抑制涡轮叶片尾缘气膜局部失效的方法。


背景技术：

2.燃气轮机涡轮是与气流进行能量交换的叶轮机械，通过涡轮将气流极高的焓转变为动能，再通过涡轮转子叶片转变为机械能。在高温高压燃气的冲击下，制造涡轮转子叶片所采用的金属材料由于温度升高导致机械性能急剧下降，对叶片各处进行有效冷却尤为重要。
3.涡轮叶片外部通常采用气膜冷却，由于涡轮叶片的表面曲率和弯曲程度沿着叶片外径向逐渐增加，为了在叶片表面形成均匀的气膜，气膜孔方位角通常朝向叶顶方向，且吸力面气膜孔通常采用纵向单排和双排的布置方式。
4.然而，吸力面气膜孔采用纵向单排和双排的布置方式时，叶根处的气膜覆盖效果很差，相关研究表明，燃气流经涡轮转子叶片前缘时，分别在叶片两侧卷起马蹄涡，压力面马蹄涡分支与端壁附近的低动量气流汇合形成通道涡。由于叶片间的流动转折角在燃气通道中引起强的横向压力梯度，在横向压力梯度作用下，通道涡向下游移动过程中离开压力面前缘，向相邻叶片吸力面靠近，最终附在吸力面上并流出通道。
5.但是，吸力面附近的通道涡将转子叶片根部后半段气膜卷向叶片中部，使该区域难以被气膜覆盖，最终会成为气膜失效区，而气膜失效区的流场特性造成叶片气膜冷却几乎无法发挥作用，冷却效率极低，导致气膜失效区的叶片结构强度差，在发动机运行过程中，气膜失效区的叶片结构会逐渐出现裂纹，从而缩短涡轮转子叶片的使用寿命。
6.目前，涡轮叶片设计中没有考虑如何抑制气膜失效，而解决叶片吸力面气膜失效问题对高性能燃气轮机的稳定工作至关重要。
7.如图1所示，燃气流经涡轮转子叶片前缘时，在叶片两侧分别卷起马蹄涡，叶片压力面的马蹄涡与低能流体汇合发展形成通道涡，由于在横向压力梯度作用下通道涡会向下游移动离开叶片压力面，并向相邻叶片吸力面靠近发展，在与角涡的共同作用下，最终将叶根后半段气膜卷向叶片中部，使该区域难以被气膜覆盖。
8.如图2所示，由于涡轮转子叶片吸力面上的气流速度较低，压力较高，不易产生分离和剥离现象，通常只需在叶片前缘附近设置一排气膜孔，就能形成稳定的气膜覆盖范围，并覆盖整个叶片吸力面直至尾缘。然而，通道涡在叶根后半部分对气膜的卷吸作用逐渐增强，使叶根区域产生近似直角三角形的气膜失效区域，严重影响叶片强度。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种抑制涡轮叶片尾缘气膜局部失效的方法，在通道涡作用的气膜失效三角区对气膜孔进行布置调整，对叶片整体影响较小，通过漏斗型渐缩孔并增加方位角的气膜孔结构，给气膜孔出流增加了与通道涡相反的分速度，有
效抑制了向叶中的气膜覆盖区域偏离，增加了展向和流向的气膜覆盖面积；气膜孔根据气膜覆盖偏转角度进行径向非等距排列，避免了前排气膜覆盖范围对下一排气膜孔出流的影响；前排气膜覆盖范围位于下排气膜孔中间，解决了原气膜孔中间无气膜覆盖的问题。
10.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种抑制涡轮叶片尾缘气膜局部失效的方法，具体为：在叶根后半段划分出因通道涡对气膜的卷吸作用而产生的气膜失效三角区，在气膜失效三角区内增设非均匀阵列布置气膜孔。
11.气膜失效三角区的长度为距叶片尾缘点80％轴向弦长，气膜失效三角区的高度为距叶根35％叶高。
12.非均匀阵列布置气膜孔的横向间距根据叶片内部纵向气腔位置进行设定。
13.非均匀阵列布置气膜孔采用漏斗型渐缩孔结构，分为渐缩段和平直段，渐缩段起始于1/3气膜孔长度处，将非均匀阵列布置气膜孔的进气口与出气口的直径比值定义为渐缩比，且渐缩比范围为1.2～1.8。
14.将非均匀阵列布置气膜孔的轴向与流线方向形成的夹角定义为方位角α，且方位角α的范围为30
°
～60
°
。
15.将前排非均匀阵列布置气膜孔和后排非均匀阵列布置气膜孔的出气口中心连线与流线方向形成的夹角定义为偏角β，后排非均匀阵列布置气膜孔按照避开前排非均匀阵列布置气膜孔偏角β在-10
°
～-15
°
方向范围进行布置，其中以指向叶根方向的角度为正。
16.本发明的有益效果：
17.本发明通过划分出气膜失效三角区，最小范围内对叶片吸力面进行气膜孔结构改动，对叶片强度影响小。
18.本发明通过在叶根气膜失效三角区增加向着端壁方向的气膜孔，有效抵御通道涡影响，抑制气膜失效，进而提高局部冷却效果。
19.本发明的气膜孔摒弃了常规气膜孔横排或纵排布置方式，采用非均匀阵列布置方式，使气膜覆盖更加均匀，有限的孔位实现更大的气膜覆盖面积。
20.本发明通过在气膜失效三角区采用漏斗型渐缩孔并增加方位角的气膜孔结构，可使不同气膜孔流量精准对应通道涡的不同强度，有效增强气膜效率。
附图说明
21.图1为叶栅通道涡的示意图；
22.图2为涡轮叶片吸力面气膜孔采用纵向单排布置方式的示意图；
23.图3为气膜失效三角区增加非均匀阵列布置方式吸力面气膜孔的示意图；
24.图4为气膜失效三角区采用漏斗型渐缩孔并增加方位角的气膜孔结构示意图
25.图中，1—通道涡，2—角涡，3—单排布置气膜孔，4—气膜覆盖范围，5—气膜失效三角区，6—非均匀阵列布置气膜孔，7—进气口，8—出气口。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
27.一种抑制涡轮叶片尾缘气膜局部失效的方法，具体为：在叶根后半段划分出因通道涡1对气膜的卷吸作用而产生的气膜失效三角区5，在气膜失效三角区5内增设非均匀阵
列布置气膜孔6，如图3所示。
28.气膜失效三角区5的长度为距叶片尾缘点80％轴向弦长，气膜失效三角区5的高度为距叶根35％叶高。
29.非均匀阵列布置气膜孔6的横向间距根据叶片内部纵向气腔位置进行设定。
30.如图4所示，非均匀阵列布置气膜孔6采用漏斗型渐缩孔结构，分为渐缩段和平直段，渐缩段起始于1/3气膜孔长度处，将非均匀阵列布置气膜孔6的进气口7与出气口8的直径比值定义为渐缩比，且渐缩比范围为1.2～1.8。
31.将非均匀阵列布置气膜孔6的轴向与流线方向形成的夹角定义为方位角α，且方位角α的范围为30
°
～60
°
。
32.将前排非均匀阵列布置气膜孔6和后排非均匀阵列布置气膜孔6的出气口8中心连线与流线方向形成的夹角定义为偏角β，后排非均匀阵列布置气膜孔6按照避开前排非均匀阵列布置气膜孔6偏角β在-10
°
～-15
°
方向范围进行布置，其中以指向叶根方向的角度为正。
33.以图3视角为例，非均匀阵列布置气膜孔6的数量为五个，最左侧的气膜孔定义为
①
号气膜孔，中间侧顶部的气膜孔定义为
②
号气膜孔，中间侧底部的气膜孔定义为
③
号气膜孔，最右侧顶部的气膜孔定义为
④
号气膜孔，最右侧底部的气膜孔定义为
⑤
号气膜孔。
34.实施例一：
35.本实施例中，涡轮转子叶片弦长为37mm，叶高(叶身高度)为44mm，气膜失效三角区的长度为距叶片尾缘80％轴向弦长，气膜失效三角区的高度为距叶根35％叶高。非均匀阵列布置气膜孔6的平直段孔径为0.3mm，流向孔间距为7.0mm，射流角为30
°
。
①
号气膜孔的渐缩比为1.3，方位角α为50
°
。
②
号气膜孔的渐缩比为1.2，方位角α为45
°
，相对于
①
号气膜孔的偏角β为-20
°
。
③
号气膜孔的渐缩比为1.4，方位角α为52
°
，相对于
①
号气膜孔的偏角β为18
°
。
④
号气膜孔的渐缩比为1.2，方位角α为41
°
，相对于
②
号气膜孔的偏角β为7
°
。
⑤
号气膜孔的渐缩比为1.4，方位角α为55
°
，相对于
③
号气膜孔的偏角β为8
°
。
36.实施例二：
37.本实施例中，涡轮转子叶片弦长为44mm，叶高(叶身高度)为53mm，气膜失效三角区的长度为距叶片尾缘80％轴向弦长，气膜失效三角区的高度为距叶根35％叶高。非均匀阵列布置气膜孔6的平直段孔径为0.5mm，流向孔间距为8.0mm，射流角为34
°
。
①
号气膜孔的渐缩比为1.3，方位角α为52
°
。
②
号气膜孔的渐缩比为1.2，方位角α为42
°
，相对于
①
号气膜孔的偏角β为-23
°
。
③
号气膜孔的渐缩比为1.4，方位角α为52
°
，相对于
①
号气膜孔的偏角β为18
°
。
④
号气膜孔的渐缩比为1.2，方位角α为41
°
，相对于
②
号气膜孔的偏角β为2
°
。
⑤
号气膜孔的渐缩比为1.4，方位角α为54
°
，相对于
③
号气膜孔的偏角β为3
°
。
38.实施例三：
39.本实施例中，涡轮转子叶片弦长为45mm，叶高(叶身高度)为69mm，气膜失效三角区的长度为距叶片尾缘80％轴向弦长，气膜失效三角区的高度为距叶根35％叶高。非均匀阵列布置气膜孔6的平直段孔径为0.6mm，流向孔间距为8.5mm，射流角为34
°
。
①
号气膜孔的渐缩比为1.3，方位角α为45
°
。
②
号气膜孔的渐缩比为1.2，方位角α为41
°
，相对于
①
号气膜孔的偏角β为-20
°
。
③
号气膜孔的渐缩比为1.4，方位角α为50
°
，相对于
①
号气膜孔的偏角β为18
°
。
④
号气膜孔的渐缩比为1.2，方位角α为38
°
，相对于
②
号气膜孔的偏角β为-7
°
。
⑤
号气
膜孔的渐缩比为1.4，方位角α为48
°
，相对于
③
号气膜孔的偏角β为-8
°
。
40.实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

技术特征：
1.一种抑制涡轮叶片尾缘气膜局部失效的方法，其特征在于具体为：在叶根后半段划分出因通道涡对气膜的卷吸作用而产生的气膜失效三角区，在气膜失效三角区内增设非均匀阵列布置气膜孔。2.根据权利要求1所述的一种抑制涡轮叶片尾缘气膜局部失效的方法，其特征在于：气膜失效三角区的长度为距叶片尾缘点80％轴向弦长，气膜失效三角区的高度为距叶根35％叶高。3.根据权利要求1所述的一种抑制涡轮叶片尾缘气膜局部失效的方法，其特征在于：非均匀阵列布置气膜孔的横向间距根据叶片内部纵向气腔位置进行设定。4.根据权利要求1所述的一种抑制涡轮叶片尾缘气膜局部失效的方法，其特征在于：非均匀阵列布置气膜孔采用漏斗型渐缩孔结构，分为渐缩段和平直段，渐缩段起始于1/3气膜孔长度处，将非均匀阵列布置气膜孔的进气口与出气口的直径比值定义为渐缩比，且渐缩比范围为1.2～1.8。5.根据权利要求1所述的一种抑制涡轮叶片尾缘气膜局部失效的方法，其特征在于：将非均匀阵列布置气膜孔的轴向与流线方向形成的夹角定义为方位角α，且方位角α的范围为30
°
～60
°
。6.根据权利要求1所述的一种抑制涡轮叶片尾缘气膜局部失效的方法，其特征在于：将前排非均匀阵列布置气膜孔和后排非均匀阵列布置气膜孔的出气口中心连线与流线方向形成的夹角定义为偏角β，后排非均匀阵列布置气膜孔按照避开前排非均匀阵列布置气膜孔偏角β在-10
°
～-15
°
方向范围进行布置，其中以指向叶根方向的角度为正。

技术总结
一种抑制涡轮叶片尾缘气膜局部失效的方法，具体为：在叶根后半段划分出气膜失效三角区，在区内增设非均匀阵列布置气膜孔；气膜失效三角区长度为距叶片尾缘点80％轴向弦长，高度为距叶根35％叶高；气膜孔横向间距根据叶片内部纵向气腔位置进行设定；气膜孔采用漏斗型渐缩孔结构分为渐缩段和平直段，渐缩段起始于1/3气膜孔长度处，将气膜孔进气口与出气口直径比值定义为渐缩比且范围为1.2～1.8；将气膜孔轴向与流线方向形成的夹角定义为方位角且范围为30


技术研发人员：李广超 何海超 孙诚 刘松 郭文 赵长宇 何洪斌 赵志奇 张魏
受保护的技术使用者：沈阳航空航天大学
技术研发日：2023.03.15
技术公布日：2023/6/6