本技术方案专注于燃气涡轮发动机领域,介绍了一种新型的耦合涡旋进口的轮毂冷却装置及其设计方法。该装置通过在相邻叶片间的通道内设置轮毂板,并在板上开设气膜冷却射流孔,以优化进口叶片的冷却效果。
背景技术
涡轮发动机由压气机、燃烧室和涡轮组成。气体经过压气机压缩形成高压气体,并在燃烧室内和燃油混合燃烧形成高温高压燃气,这种燃气经过涡轮并对涡轮做功,推动转子转动并带动压气机工作。
涡轮由轮毂、叶片和机匣构成。近年来燃烧室出口气体温度逐渐上升,涡轮做功能力提升的同时也带来了严峻的热腐蚀问题。工程中可以采用气膜冷却等技术来冷却端壁壁面。用来冷却的气体来自压气机出口,这样燃烧室出口参与对涡轮做功的气体减少,牺牲了一部分气体做功能力换来了涡轮端壁冷却防护。因此如何用更少的气体达到更好的冷却效果成为了近年来的主要研究方向。
气膜冷却是指将冷气通过气膜孔、缝隙等输送到需要冷却的端壁技术,如图1所示为本发明中使用的轮毂气膜孔几何示意图。冷气喷出后会在端壁表面形成薄膜并把端壁和高温流体分隔开,从而防止壁面被腐蚀。冷气常采用气膜孔来进行输送,气膜冷却最早采用圆形孔来进行冷却,为了让更多的冷气能够附着壁面也有将圆形孔改为扇形孔和月牙孔等形状;还有采用双射流孔来提高冷却效果的方案。
这些方案大都从斜孔射流的流动结构出发来改善气膜冷却效果,而没有考虑射流和涡轮二次流之间的相互作用。进口边界层受到叶片前缘滞止效应会产生两支旋转方向相反的涡旋,形似马蹄因此一起被叫做马蹄涡。位于马蹄涡和叶片之间的流体受到马蹄涡下洗作用冲击轮毂;而位于相邻马蹄涡之间的流体则受到上洗作用抬离轮毂壁面。此外受到周向压力梯度的影响还会产生轮毂横流,这些二次流均对轮毂冷却产生不利影响。图4为叶片马蹄涡结构及其诱导的涡旋流动结构。这些流动结构比槽道流更加复杂,也会明显影响气膜冷却效果。
气膜孔和轮毂存在一定射流夹角,由于射流效应部分冷气在喷出后进入主流,剩余冷气附着轮毂。由于相邻叶片压力面和吸力面间的压力梯度,轮毂壁面存在周向流动的轮毂横流。在轮毂横流作用下主流中冷气和附着轮毂冷气出现周向拉伸现象。此外,当气膜孔位于相邻叶片马蹄涡之间时会受到马蹄涡上洗作用,主流中冷气进一步远离轮毂。主流中冷气难以参与轮毂冷却,因此冷却效果显著下降。
实现思路