减小端壁热负荷的涡发生器与气膜孔组合结构及燃气涡轮

技术领域

本发明属于燃气涡轮领域，具体涉及一种减小端壁热负荷的涡发生器与气膜孔组合结构及燃气涡轮。

背景技术

作为能量转化的主要装置，燃气轮机在工业中发挥着不可替代的作用。为了提高燃气轮机的功率，其燃烧室温度不断提高，涡轮的高温高压工作环境不断恶化，其中涡轮端壁承受涡轮一半以上的热负荷。为了降低氮氧化合物的排放量，现代燃气轮机设计使燃烧室出口温度分布趋于均匀化，进一步加剧了端壁的热负荷，严重威胁燃气轮机的寿命和运行安全。

对涡轮端壁冷却的常规方法是在上游槽缝中引出高压冷却气体对下游端壁进行冷却，这种冷却方法对静叶前缘端壁和压力面侧端壁冷却效果较差，这是因为上游边界层与主流的能量存在差距，在流经障碍物(静叶)发生滞止时所达到的静压不同而产生马蹄涡，马蹄涡会卷吸静叶前缘端壁处的冷却气流导致该处冷却效果较差。工程上也会在静叶前缘布置离散气膜孔来对该处端壁进行冷却，但气膜孔冷却射流同样也会在马蹄涡的卷吸作用下脱离壁面，无法对静叶前缘端壁形成有效的冷却。燃气轮机持续工作下，静叶前缘和压力面侧附近端壁会出现烧蚀现象，对燃气涡轮的安全和寿命产生严重影响。

因此，开发可以提高端壁气膜冷却效率的微型肋能够降低静叶前缘端壁被烧蚀的风险，提高燃气轮机的安全系数，具有极为重要的工程应用价值。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，针对燃气涡轮第一级静叶前缘端壁承受极高热负荷、及常规冷却技术无法有效减小静叶前缘端壁热负荷的缺陷，本发明提供一种减小端壁热负荷的涡发生器与气膜孔组合结构，通过涡发生器产生一个可以减弱马蹄涡强度的分离涡，通过气膜孔对静叶前缘端壁进行高效冷却，保障燃气涡轮安全有效地运行。

本发明的技术方案是：一种减小端壁热负荷的涡发生器与气膜孔组合结构，包括设置于端壁上的涡发生器和气膜孔，所述涡发生器位于气膜孔的上游；

通过涡发生器产生与马蹄涡涡量相反的分离涡从而减弱马蹄涡的强度；

通过气膜孔通入冷却流对端壁进行冷却。

本发明的进一步技术方案是：所述涡发生器位于马蹄涡上游,且关于马鞍点所在周向位置对称分布。

本发明的进一步技术方案是：所述涡发生器为直角三棱柱，一侧直角面与端壁贴合，另一侧直角面朝向气膜孔出口；直角三棱柱结构在生成分离涡的同时减小了与高温燃气的接触面积。

本发明的进一步技术方案是：所述涡发生器的高度H与气膜孔孔径W的关系式为：W＜H＜3.0W。

本发明的进一步技术方案是：所述涡发生器的长度L与气膜孔孔径W的关系式为：6.0W＜L＜15.0W。

本发明的进一步技术方案是：所述涡发生器横截面的轴向宽度W

本发明的进一步技术方案是：所述气膜孔位于涡发生器的下游,气膜孔出口与涡发生器距离X、气膜孔孔径W关系为：W＜X＜3.0W。

本发明的进一步技术方案是：所述气膜孔关于马鞍点所在周向位置对称分布；气膜孔的数量为3～5个。

本发明的进一步技术方案是：所述气膜孔间距T与气膜孔孔径W关系为：2.0W＜T＜5.0W。

一种燃气涡轮，包括静叶；在所述静叶与其上游槽缝之间的端壁上设置减小端壁热负荷的涡发生器与气膜孔组合结构；

根据给定的叶型几何和叶栅运行条件下，通过实验和数值模拟获得马鞍点和马蹄涡位置；所述涡发生器与气膜孔组合结构位于马蹄涡上游，并关于马鞍点所在周向位置对称分布。

原理分析：静叶上游边界层与主流的能量存在差距，在流经障碍物(静叶)发生滞止时所达到的静压不同导致产生马蹄涡，马蹄涡会卷吸静叶前缘端壁处的冷却气流导致该处冷却效果较差。为了克服气流在静叶前缘点达到滞止时边界层分离导致的马蹄涡，本发明提出在静叶前缘布置一个涡发生器，为了生成分离涡的同时减小与高温燃气的接触面积，所述涡发生器形状为直角三棱柱。当气流流经涡发生器时，会产生一个与马蹄涡反向的分离涡从而减弱马蹄涡。在涡发生器下游，静叶前缘上游布置气膜孔，在马蹄涡强度较小的条件下利用气膜孔射流对静叶前缘端壁形成有效冷却。

为了实现上述目的本发明所采用的技术方案是：在静叶前缘布置涡发生器产生与马蹄涡反向的分离涡，减弱马蹄涡的强度。在涡发生器下游布置气膜孔，在马蹄涡强度较小的条件下利用气膜孔射流对静叶前缘端壁形成有效冷却，具体分析如下：

(1)静叶前缘涡发生器和气膜孔的位置。气流在滞止过程中，在静叶前缘某一周向位置静压达到最高，上游边界层在该处分离后形成马蹄涡，在马鞍点的左右两侧形成马蹄涡左右分支。将涡发生器和气膜孔关于马鞍点所在周向位置轴对称分布，将涡发生器布置在马蹄涡上游，可以使组合结构对静叶前缘的冷却效果达到最佳。马鞍点和马蹄涡的位置在给定的叶型几何和叶栅运行条件下通过实验和数值模拟获得。

(2)涡发生器和气膜孔的设计方法。为了能够最大程度地减弱马蹄涡并利用气膜孔气流对静叶前缘进行有效的冷却，在静叶前缘布置涡发生器和气膜孔来实现对静叶前缘的冷却。采用数值模拟和计算，得到涡发生器和气膜孔的各参数限定关系式。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明一种减小端壁热负荷的涡发生器与气膜孔组合结构能够明显抑制静叶前缘马蹄涡强度并减小端壁的热负荷，保证高压燃气涡轮安全高效地运行。本发明的涡发生器与气膜孔组合结构对目前减小端壁热负荷具有普遍适用性。

通过与传统气膜孔冷却效率的比较，本发明通过实施例得出：冷却效率提高了59.1％，见表1。本发明的基于特斯拉阀改进的气膜孔结构对目前强化燃气涡轮中的静叶前缘端壁冷却效果具有普遍适用性。

在气膜孔吹风比为1.0，槽缝射流质量流量比为0.5％的流动条件下，将本申请结构与传统气膜孔冷却效率进行比较，得到图1所示的冷却效率分布云图，本实施例无量纲有效冷却面积即冷却效率大于0.1的区域面积与端壁总体面积之比提高了117.46％，见表1。本发明的涡发生器与气膜孔组合结构对目前强化燃气涡轮中的静叶前缘端壁冷却效果具有普遍适用性。

表1本申请结构与传统结构冷却效率对比

附图说明

图1是本发明结构与传统气膜孔冷却效率对比；(a)传统气膜孔端壁，(b)本申请新型端壁；

图2是常规端壁的高压涡轮静子子午面剖视图；

图3是常规端壁的高压涡轮静子俯视图；

图4是带有涡发生器和气膜孔组合结构的涡轮静子子午面剖视图；

图5是带有涡发生器和气膜孔组合结构的涡轮静子俯视图。

附图标记说明：1-静子端壁，2-槽缝，3-静叶，4-涡发生器，5-气膜孔，6-马蹄涡，7-分离涡，8-气膜孔孔径W，9-涡发生器的高度H，10-涡发生器的长度L，11-涡发生器横截面的轴向宽度W

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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和简化描述，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。

本发明的具体结构参见附图4～5，设计思路如下：

参见图4与图5，与图3中常规叶栅相比，本发明的涡发生器4和气膜孔5在静叶3前缘端壁布置，涡发生器4产生与马蹄涡6反向的分离涡7从而减弱马蹄涡6；在涡发生器4下游、静叶3前缘上游布置气膜孔5，在马蹄涡6强度较小的条件下利用气膜孔5射流对静叶3前缘端壁形成有效冷却。

参见图5，在静叶3前缘引入涡发生器4和气膜孔5，其具体布置角度以及几何参数根据具体的运行工况和叶型几何条件来确定，并与静叶3一起加工。其中，气膜孔5关于马鞍点所在周向位置对称分布，马鞍点的位置在给定的叶型几何和叶栅运行条件下通过实验和数值模拟获得。所述涡发生器4位于马蹄涡上游,且关于马鞍点所在周向位置对称分布，马蹄涡位置在给定的叶型几何和叶栅运行条件下通过实验和数值模拟获得。

本发明在实施中，首先通过给定的叶栅几何、流动条件进行建模和模拟，再根据所得常规端壁表面流动结构特点确定本发明的涡发生器4和气膜孔5的位置。为了生成分离涡7的同时减小与高温燃气的接触面积，所述涡发生器4形状为直角三棱柱。其具体几何参数根据具体的运行工况和叶型几何条件来确定。

数值模拟结果显示在气膜孔5射流吹风比M＝1.0时，涡发生器4及气膜孔5满足如下条件时，可显著增大静叶前缘冷却效率，使冷却更为均匀，即所述气膜孔5的数量为3个，且沿周向布置，气膜孔5的孔径为W；所述气膜孔5关于马鞍点所在周向位置对称分布。马鞍点的位置在给定的叶型几何和叶栅运行条件下通过实验和数值模拟获得；所述气膜孔间距T13与气膜孔孔径W关系为：2.0W＜T＜5.0W；

所述涡发生器4位于马蹄涡6上游,且关于马鞍点所在周向位置对称分布。马蹄涡6位置在给定的叶型几何和叶栅运行条件下通过实验和数值模拟获得。所述涡发生器4横截面为直角三角形；所述涡发生器的高度H9与气膜孔孔径W关系为：W＜H＜3.0W；所述涡发生器的长度L11与气膜孔孔径W关系为：6.0W＜L＜15.0W；所述涡发生器横截面的轴向宽度W

参见图2，因为静叶3上游边界层与主流的能量存在差距，在流经静叶3发生滞止时所达到的静压不同而产生马蹄涡6，马蹄涡6会卷吸静叶3前缘端壁处的冷却气流导致该处冷却效果较差。工程上也会在静叶3前缘布置离散气膜孔来对该处端壁进行冷却，但气膜孔冷却射流同样也会在马蹄涡6的卷吸作用下脱离壁面，无法对静叶3前缘端壁形成有效的冷却。燃气轮机持续工作下，静叶前缘和压力面侧附近端壁会出现烧蚀现象，对燃气涡轮的安全和寿命产生严重影响。

参见图4与图5，为了克服气流在静叶3前缘点达到滞止时边界层分离导致的马蹄涡5，本发明提出在静叶3前缘布置一个涡发生器4，当气流流经涡发生器4时，会产生一个与马蹄涡6反向的分离涡7从而减弱马蹄涡6。在涡发生器4下游，静叶3前缘上游布置气膜孔5，在马蹄涡6强度较小的条件下利用气膜孔5射流对静叶3前缘端壁形成有效冷却。数值模拟结果已初步证明了本发明的涡发生器4与气膜孔5组合结构能够明显地抑制马蹄涡6。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。