一种端壁气膜孔布置结构
技术领域
本发明属于透平叶片气膜冷却技术领域，特别涉及一种端壁气膜孔布置结构。
背景技术
为了追求高的输出功率和效率，燃气轮机的进口温度在不断提高，透平叶片承受的热负荷也在不断增大。燃气轮机的进口温度目前普遍超过了叶片可承受的温度，因此需要冷却技术来保证燃机的运行安全与寿命。常用的冷却技术包括叶片外部冷却和内部冷却技术。
在众多的冷却方案之中，叶片气膜冷却技术起始于上个世纪五十年代末，经过了半个多世纪的发展，如今已经成为冷却方案中不可或缺的重要环节，在叶片表面离散气膜空的布置方案中，透平端壁由于其位置的特殊，受到复杂的二次流动影响，例如通道涡、马蹄涡等，其冷却比较困难。在目前的设计中，比较常见的冷却方式为在透平的端壁入口开设槽缝，或连续气膜孔，随后，在流道中间的端壁处，布置离散气膜孔，通过调整冷却气膜的流量以及射流角度进行气膜冷却。这种方法受到端壁复杂流动的影响，在叶片端壁的前缘根部和压力面附近区域难以得到有效的冷却气体的覆盖。所以，端壁的冷却技术需要建立在对端壁的流动换热进行充分研究的前提下，在以往的研究中，研究者试图通过端壁表面的传热系数分布，主流等马赫数线以及端壁二次流对端壁气膜孔进行重新布局，虽然从结果上，整个端壁表面都得到了良好的冷气覆盖，但是用于冷却的空气明显过多使用了，同时，气膜孔的布局上结构过于单一，仅仅考虑了端壁本身的条件，没有结合叶栅在透平中的位置进行考虑，在实际的设计应用中，某些冷却孔的作用有待考量。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种端壁气膜孔布置结构，对有上游泄漏流的情况下的燃机透平端壁冷却单元布置进行了重新设计，在不改变气膜孔结构、数量以及供气方式的基础上，利用透平端壁的流动特性，通过调整布置的方式、气膜孔间距等条件提升端壁整体气膜冷却效率，旨在最大程度地节约冷却空气，同时不对端壁原有的冷却条件造成大的影响，保证端壁的流动换热情况受到气膜孔的影响达到最小，减少工质在叶栅中的流动损失，提升透平整体工作效率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种端壁气膜孔布置结构，所述端壁为航空发动机第一级静叶端壁，气膜孔布置成两排，其中第一排气膜孔冷气动量在端壁平面的投影矢量平行于主流方向，覆盖距离下方压力面侧前缘点(0.21～0.53)Cax的区域，其与二次流动量合成后，形成对端壁压力面侧(0.5～1.0)Cax位置的气膜覆盖，冷却端壁压力面区域；第二排气膜孔布置于第一排气膜孔与泄漏流形成的气膜间隙，间隙位于上游泄漏流靠近压力面侧边界与压力面型线的中心线两侧各偏移0.06Cax，宽度0.12Cax，以形成冷却气膜，达到对端壁整体的气膜覆盖率最高，其中Cax为轴向弦长。
所述端壁的冷却区域分为泄漏流三角冷却区、二次流冷却区、压力面冷却区和前缘冷却区四个部分，其中，泄漏流三角冷却区指上游泄漏流在端壁表面形成的气膜覆盖区域，在绝热气膜冷却效率云图上显示为冷却效率高于0.3的边界，压力面冷却区是指上游泄漏流靠近压力面侧边界与压力面型线的中心线向压力面侧偏移0.06Cax，与压力面型线中间的区域，前缘冷却区是指叶片前缘向外偏移0.2Cax的区域，二次流冷却区是指位于上游泄漏流靠近压力面侧边界与压力面型线的中心线两侧各偏移0.06Cax，宽度0.12Cax的区域。
第一排气膜孔和第二排气膜孔中，相邻气膜孔的孔间距P/d大于2，压力面冷却区进口宽度为0.24Cax，其中线与叶片前缘点交点为第一排气膜孔中心孔位置，在该点位置处做与中线垂线，第一排气膜孔宽度在该垂线上投影宽度与压力面进口区域宽度正负误差为0.04Cax，孔排与主流进口平行，第二排气膜孔宽度为0.12Cax，正负误差0.02Cax，孔排与当地极限流线位置垂直，并依据气膜孔直径向下取整求得气膜孔数量。
调整气膜孔的排方向与端壁当地表面极限流线垂直，从而尽可能增加气膜的覆盖面积，增加气膜孔出口下游的冷却效率，减少在端壁中部以及后部布置气膜孔。
所述气膜孔复合角为0°，射流角度为30°，长径比L/d为4.56，其中L为气膜孔中心线长度。
所有的所述气膜孔的气源统一。
第一排气膜孔距离泄漏流出口处特征距离为0.15Cax，下端孔中心距离静叶前缘点0.21Cax，布置方式为排方向平行于进口边界；第二排气膜孔距离泄漏流出口处特征距离为0.40Cax,下端孔中心距离静叶前缘点0.66Cax，布置方式为排方向与进口边界夹角44.9°；第一排气膜孔孔间距P/d为2.67，第二排气膜孔孔间距P/d为2.0。
与现有技术相比，本发明实现了在有泄漏流存在的情况下，对端壁整体的气膜冷却效率提升，同时，最大程度上减少了对端壁整体结构的破坏，增强了端壁的结构强度，提升了透平整体的工作温度极限，同时减少了从压气机引入的冷却空气，减少了压气机耗功并提升了压气机的运行稳定性，此外，在应用时，也可以根据实际情况灵活调整气膜孔复合角，优化整体的气膜冷效。
附图说明
图1为本发明布置结构中两排气膜孔的主要位置。
图2为本发明布置结构中气膜孔的具体结构参数。
图3为本发明布置结构整体布局示意图。
图4为本发明布置结构中端壁极限流线。
图5为原有的上游泄漏流对端壁的冷却效果。
图6为本发明布置结构端壁气膜整体的分布情况。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
本发明一种端壁气膜孔布置结构，包括第一排与第二排冷却孔的布置位置、与主流方向夹角，孔间距等参数。第一排气膜孔的布置方式主要是基于对压力面侧冷却的考虑，透平端壁由于受到强烈的二次流动影响，流线从压力面侧向吸力面侧汇集，因此，在有限的冷却单元作用下，靠近压力面端部区域的冷却效率难于提升，第一排冷却孔冷气动量平行于主流方向，在与二次流动量合成后，会形成贴附靠近压力面侧的气膜覆盖，以此冷却端壁压力面区域，而第一排气膜孔上游由于上游泄漏流的作用，因此已经达到足够的冷却效果，因此减少了气膜孔的布置，而第二排气膜孔布置的原因在于，在第一排气膜孔与泄漏流形成的气膜间隙，存在主流再附作用，因此，需要使用少量气膜孔的布置形成冷却气膜，以此达到对端壁整体的气膜覆盖率最高，且使用效果不会重复，最大程度上节约了用于冷却的气体。因此根据端壁原有的流动特性进行的该种布置方式，对有此类流动现象的透平端部冷却均会起到作用。
如图1所示，以航空发动机第一级静叶端壁为例对本发明做出详细说明，其轴向弦长Cax为75.31mm，以下所有位置参数均以此为特征值。气膜孔布置成两排，其中第一排气膜孔冷气动量在端壁平面的投影矢量平行于主流方向，覆盖距离下方压力面侧前缘点(0.21～0.53)Cax的区域，其与二次流动量合成后，形成对端壁压力面侧(0.5～1.0)Cax位置的气膜覆盖，冷却端壁压力面区域；第二排气膜孔布置于第一排气膜孔与泄漏流形成的气膜间隙，间隙位于上游泄漏流靠近压力面侧边界与压力面型线的中心线两侧各偏移0.06Cax，宽度0.12Cax，以形成冷却气膜，达到对端壁整体的气膜覆盖率最高。
从图1中可以看出两排气膜孔的具体布置方案，其中，均以最下端气膜孔为定位孔，第一排气膜孔距离泄漏流出口处特征距离为0.15Cax，下端孔中心距离静叶前缘点0.21Cax，孔间距P/d为2.67，排方向与进口边界平行；第二排气膜孔距离泄漏流出口处特征距离为0.40Cax,下端孔中心距离静叶前缘点0.66Cax，孔间距为P/d为2.0，排方向与进口边界夹角44.9°，两排气膜孔复合角均为0°，其中气膜孔复合角指的是气膜孔中心线在端壁平面上的投影线与进口主流方向的夹角。
图2显示了气膜孔的具体结构参数，两排气膜孔的射流角度均为30°，端壁的厚度为2.28d，长径比L/d为4.56，其中射流角度为气膜孔中心线与端壁平面的夹角，与冷气动量方向平行，长径比表征端壁的相对壁厚，因为是在叶片端壁开冷却孔的，所以冷却孔的长径比取决于气膜孔直径，气膜孔射流角与端壁的厚度。
本发明的设计原理需要根据图3进行说明。图3展示了本发明将端壁分成的几个冷却区域，在现代的燃机透平中，端壁的前缘一般会有较大圆角，同时前缘气膜孔的角度也会依据端壁的条件进行调整，因此，前缘马蹄涡区域已经具备足够的冷却效果，而上游泄漏流在二次流的存在下，形成了三角形的气膜覆盖区，此区域也已经具备足够的冷却效果，最终，需要冷却的部分主要是压力面附近区域以及其与泄漏流之间的条带状区域。
具体地，将端壁的冷却区域分为泄漏流三角冷却区1、二次流冷却区2、前缘冷却区3和压力面冷却区4，其中，泄漏流三角冷却区1指上游泄漏流在端壁表面形成的气膜覆盖区域，在绝热气膜冷却效率云图上显示为冷却效率高于0.3的边界，由于在叶栅前缘以及轮缘密封喷出的冷气部分迁移到了端壁上，这一部分已经有足够的冷却效果。压力面冷却区4是指上游泄漏流靠近压力面侧边界与压力面型线的中心线向压力面侧偏移0.06Cax，与压力面型线中间的区域，前缘冷却区3是指叶片前缘向外偏移0.2Cax的区域，前缘冷却区3中，叶片前缘的气膜向端壁迁移造成气膜覆盖效果。二次流冷却区2是指位于上游泄漏流靠近压力面侧边界与压力面型线的中心线两侧各偏移0.06Cax，宽度0.12Cax的区域。
本发明在二次流冷却区2和压力面冷却区4进行气膜孔布置，主要是依据其面积大小以及边界层流体流动情况进行布置，通过调整孔间距，将适当数量的气膜孔均匀布置在两个区域的宽度之间，同时，重点调整了孔排与流向的夹角，基本上保证与流向(端壁当地表面极限流线)垂直，从而尽可能增加气膜的覆盖面积，增加气膜孔出口下游的冷却效率，减少在端壁中部以及后部布置气膜孔的情况。实际应用中，所有气膜孔的气源统一。
其中，为避免两个气膜孔之间的气膜互相掺混，P/d应大于2，在此基础上，压力面冷却区4进口宽度为0.24Cax，其中线与叶片前缘点交点为第一排气膜孔中心孔位置，在该点位置处做与中线垂线，第一排气膜孔宽度在该垂线上投影宽度应与压力面进口区域宽度接近，正负误差为0.04Cax，孔排与主流进口平行，第二排气膜孔宽度为0.12Cax，正负误差0.02Cax，孔排与当地极限流线位置垂直，气膜孔数量则是明确了上述关系之后，依据气膜孔直径向下取整求得。
从图4中可以看出，透平端壁存在强烈的二次流动，这是由于前缘产生的马蹄涡以及边界层中的压力梯度产生的，在二次流的作用下，流体从端壁压力面侧向吸力面侧流动，这使得上游泄漏流在端壁形成的冷却气膜呈现三角形分布，如图5所示，且其覆盖区域已经得到了足够的冷却，因此只需要对泄漏流无法冷却的区域布置冷却单元，第一排气膜孔平行于进口布置主要是针对端壁靠近压力面侧的冷却效果，冷气动量与二次流动量的合成使得气膜产生偏转，与压力面侧型线适应，形成覆盖的冷却气膜，而由于第一排气膜孔与泄漏流之间存在的主流再附作用，导致中间会形成一条无法冷却的区域，因此，第二排气膜孔则是依据该区域的朝向，与其基本垂直，使得气膜能够基本覆盖整个端壁表面。
如图6所示，整个方案只使用了两排共11个圆形气膜孔，已经达到了足够的冷却效果，说明该种布置方案具有很大参考价值，在上游泄漏流存在的情况下的使得燃机透平第一级静叶端壁得到了充分的冷却，同时最大程度上节约了用于冷却的冷却空气，提升了透平的工作温度极限。整套布置方案结构简单，简化了工艺流程，同时增加了叶片端壁结构强度，可以依据上游泄漏流的情况灵活调整，可以通过调整复合角的大小，满足对不同叶片压力面区域的冷却效果，使得整体的设计能够具有更加普适的应用价值，提升多类型透平的使用效率，满足工业生产的需求。
综上，本发明实现了在有泄漏流存在的情况下，对端壁整体的气膜冷却效率提升，通过引入冷却空气，降低端壁表面整体的温度，强化压力面根部的冷却效率，保护叶片防止烧蚀，同时最大程度上减少对端壁流场边界层的破坏，增强了端壁的结构强度，提升了透平整体的工作温度极限，同时减少了从压气机引入的冷却空气，减少了压气机耗功并提升了压气机的运行稳定性，适用于多种吹风比及上游泄漏流存在的情况下的燃机透平第一级静叶端壁以及动叶端壁。此外，在应用时，也可以根据实际情况灵活调整气膜孔复合角、气膜孔构，优化整体的气膜冷效。
