一种提高冷却效率的新型气膜孔的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种能够提高涡轮发动机气膜冷却效率的新型冷却孔，其结构包括一个圆锥孔以及在圆锥孔上沿着与冷气流动垂直的方向开的一个矩形横槽。孔轴线与平面的夹角为10°～40°，圆锥形孔是在圆柱形孔的基础上加工而成的，其孔口是一个张角为10°～20°的圆锥形开口，横向槽深度为0.5D～1.0D。相对于常规圆柱形气膜孔结构，圆锥形喷孔增大了出口截面面积，致使射流穿透主流的能力减弱，并能有效抑制喷孔附近反向涡对的产生，提高了冷却效率，另外圆锥形孔下缘横向槽的垂直固壁会阻碍冷却气流的流动，使得部分冷却气流向两侧流动，从而有利于冷却气流的横向扩散。在一定吹风比下，与传统圆柱形气膜孔相比其冷却效率可提高300%左右。
【专利说明】一种提高冷却效率的新型气膜孔
【技术领域】
[0001]本发明涉及到涡轮动力装置中的气膜冷却【技术领域】，是一种能够提高燃气轮机涡轮叶片以及燃烧室壁面冷却效率的新型气膜孔，适用于新一代高性能航空发动机对高温部件冷却性能的要求。
【背景技术】
[0002]现代航空发动机的高速发展使透平进口燃气温度不断提高，从而加重叶片的热负荷，导致叶片材料性能下降，影响发动机的安全运行。据美国权威部门统计，航空发动机的故障有超过60%出现在高温部位，并有不断上升的趋势，我国一些发动机高温部件的寿命一般只有几百小时，而高温部件的材料费及加工费十分昂贵，由此带来的经济损失十分严重。因此，必须采用有效的冷却措施对透平叶片加以保护，使其免受高温腐蚀或损伤。
[0003]在众多的冷却技术中，气膜冷却在近代燃气轮喷气发动机、冲压发动机主燃烧室、导向叶片、工作叶片、叶栅侧壁和加力燃烧室中都得到了广泛的应用。火箭发动机的燃烧室和喷管以及超音速机翼均可以采用气膜冷却。它通过在高温部件表面开设槽缝或小孔，将冷却介质以横向射流的形式注入到主流中，在主流的压力和摩擦力的作用下，射流弯曲并覆盖于高温部件表面，形成温度较低的冷气膜，从而对高温部件起到隔热和冷却的作用。
[0004]气膜冷却效果主要受气膜孔的几何结构(包括气膜孔的喷射角度、孔径大小、孔长与孔径比、孔的间距、孔出口的形状等)、叶片的几何参数和气膜孔的气动参数等因素影响。许多研究表明，气膜射流出口处速度分布很不均匀，流场结构复杂，不同气膜孔形状对冷却气膜的附壁性、横向的覆盖宽度、纵向的覆盖长度及对孔口下游的冷却效果都有显著的影响。与圆柱孔相比，气膜孔出口扩张可以降低冷气在气膜孔的出口动量，减弱冷气和燃气的掺混程度，改善冷气在壁面的贴附性，具有更好的隔热冷却效果。尤其在高吹风比时扩张孔能够不同程度地抑制反向涡旋对的产生，对气膜冷却表面可以提供更好的热保护。扩张形气膜孔能够获得比常规圆柱孔较好的冷却效果，但是通过对孔内速度矢量图的分析发现，气膜孔内仍有明显的流动分离和不规则性，并且单纯的扩张形孔并没有将冷气充分地利用，而且可能会带来较大的气动损失。
[0005]在常规的离散孔气膜冷却中，孔与孔之间的区域是冷却的薄弱区域，研究发现在气膜孔出口处沿着与冷气流动垂直的方向开设一个有一定深度和宽度的横槽，可使气膜的横向分布更均匀，并显著改善槽下游被冷却壁面的冷却效果。与其它冷却结构相比，带横向槽的气膜冷却有结构简单，易于加工、耗气量少的特点。但是目前的研究多集中在圆柱形气膜孔出口处开横向槽，并未实现将扩张孔与开横向槽有效地组合。本发明经过精心的设计与研究，使得该新型气膜孔在不同吹风比下的冷却效率均高于单纯的扩张孔及开槽孔，并且易于加工，
[0006]是一种很有实用前景的气膜冷却孔型。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种提高冷却效率的新型气膜孔结构，该孔形对下游气膜孔中心线处冷却效率及两气膜孔之间横向冷却效率的改善比较显著，并使冷却气膜覆盖的不均匀性减小。
[0008]为达到上述目的，本发明的技术解决方案是:
[0009]本发明包括位于平板上的圆锥形气膜孔1，以及圆锥形气膜孔I上沿着与冷气流动垂直的方向开的矩形横槽2，其特征在于:新型气膜孔孔轴线与平面倾斜布置，将圆柱形孔加工成有一定孔口张角的圆锥形开口，在圆锥形开口上方开有一横向槽2。
[0010]新型气膜孔为开横槽内嵌圆锥孔，孔排由3个孔组成，孔长与孔径比L/D = 4?5，孔与孔之间的距离为3.0D?5.0D，气膜孔高度为2.5D?3.5D，吹风比M的范围为0.5?
2.0，适用于任何顺压力梯度的表面。
[0011]气膜孔轴线与平面倾斜布置，孔轴线与流动方向的夹角a的范围为10°?40°。
[0012]圆锥形孔是在圆柱形孔的基础上加工而成的，气膜孔在冷气入口处的横截面为圆形，离气膜孔入口高度大约2/3处的上游是一个张角为10°?20°的圆锥形开口，下游为一高度为0.5D?1.0D的垂直固壁。
[0013]圆锥形气膜孔开口上方开有横向槽，横槽上、下游的垂直固壁与圆锥形气膜孔开口处距离为1.0D?1.5D，横向槽深度为0.5D?1.0D。
[0014]本发明由于是在开横槽内嵌圆锥形扩张孔，因此使得气膜孔间的横向距离缩短，相邻两个孔喷出的气流，随着向两侧的扩展，气流发生混合，增强了冷却效果。并且由于孔轴线与流动方向倾斜，导致了较强的侧向动量和射流的更广扩展，使得沿横向上的喷射出流连续，冷气覆盖面广，因而产生了较高的横向冷却效率。另外，由于圆锥形扩张孔与横槽的有效结合，冷气射流在该新型气膜孔内的流动有了充分的发展，冷气流动的分离现象几乎消失，流动较规则，由于其具有特殊的射流结构，使得在孔内发展均匀的高速气流在流出气膜孔后直接覆盖在被冷却壁面，并且在孔口附近形成的顺压力梯度消除了射流在孔入口处形成的分离，因此可以得到更好的冷却效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明的新型气膜孔侧视图。
[0016]图2为本发明的新型气膜孔俯视图。
[0017]图3为不同气膜孔在吹风比M=L O时的速度矢量图，其中:
[0018]图3(a)为圆柱孔的速度矢量图。
[0019]图3(b)为本发明的新型孔速度矢量图。
[0020]图4为本发明的一个实施例的侧视图。
【具体实施方式】
[0021]下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0022]参照图1，2所示，为本发明的一种提高气膜冷却效率新型孔的侧视图与俯视图，包括圆锥孔1，横向槽2和最小单元体(新型孔)3。本发明新型孔3的孔轴线与流动方向的夹角α在10°?40°之间，圆锥形开口与孔轴线的夹角β在10°?20°之间，上游是一高度为hi (0.?1.0D)的垂直固壁，气膜孔3高度用H表示为2.?3.5D，横向槽2深度h在0.?1.0D之间，横槽上、下游的垂直固壁与圆锥形气膜孔I开口处距离w在
1.0D?1.之间，横槽2宽度为W，孔与孔之间的距离P在3.0D?5.0D之间。几个主要流动方向分别用坐标X，Y，Z示出，X为流向，Y为横向，Z为径向。高温燃气5从热侧表面4流过，冷却气流6从直径为D的气膜孔入口处进入，经过圆锥形气膜孔I从横槽2流出。
[0023]新型孔3呈倾斜布置，有一定张角β的圆锥形开口有利于扩大下游壁面的气膜覆盖率，并提高横向平均气膜冷却效率。此时，在一定的吹风比M下，β的取值将影响冷气的横向扩展程度、冷却效率以及气膜覆盖的均匀性。
[0024]在圆锥形气膜孔I开口处加一个有一定深度和宽度的横向槽2，使得冷却气流6在流出圆锥形气膜孔I进入横向槽2后，射流流通面积进一步扩大，动量大幅度降低，气膜出流向主流的垂直穿透能力也随之降低，射流本身流动的扩散以及射流在流入横向槽2中受到主流对其向下的压制作用较大，反向涡对的强度不同程度地受到了抑制，增强了壁面的冷却效果。
[0025]横向槽2的深度h:在一定的吹风比M下，横向槽2深度的大小将在很大程度上影响气膜冷却效果，取值应该在0.5D?1.0D之间。对于浅槽，冷却气流6在与高温燃气5混合之前进入浅槽中，将很快充满整个槽体，从相邻2个喷孔喷出的气流向两侧扩展并发生混合，导致了较强的侧向动量，因而沿展向的冷却效果较好。对于深槽，由于横向槽2深度的加深，冷却气流6进入气膜孔后，在未与高温燃气5进行掺混之前首先在槽中进行扩散并形成了很薄的气流，导致在横向槽2中的冷却效率较高，而在气膜孔下游冷却效果较差，其冷却效率随着吹风比的增大而降低，其原因是随着吹风比的增大，射流的初始动量逐渐增力口，由于横向槽2深度较深，导致射流在槽口喷出时比较集中，喷出后直接穿过边界层进入主流区，使冷却气流6的覆盖性较差，因而冷却效率较低。
[0026]横向槽2的宽度W:在一定的吹风比M下，横向槽2的宽度变化对气膜孔下游的平均冷却效率有较大影响。对于窄槽，冷却气流6在流出气膜孔时，气膜孔3对冷却气流6的束缚作用较强，冷却气流6向两侧的扩散量较小，冷却气流6以较为收敛聚集的形态流出，与高温燃气5掺混，导致冷气流6的贴壁性较差，气膜孔3下游的冷却效率也越低。而对于宽槽，冷却气流6在气膜孔出口处有较大程度的膨胀，减小了其向上喷射的动量，致使冷却气流6的贴壁性较好，冷却气流6将覆盖气膜孔3出口下游的整个区域，气膜孔3下游的平均冷却效率也越高。
[0027]图3为不同气膜孔在吹风比M=L O时的速度矢量图，其中，图3(a)为圆柱孔的速度矢量图，图3(b)为本发明的新型孔3速度矢量图。从图中可以看出，圆柱孔附近由于主流和射流的速度差产生的切向应力生成了强度和尺寸都较大的反向涡对，反向涡对的卷吸使得两侧的热气流掺杂到冷气流中，导致冷却效果变差。相比于圆柱孔，本发明的新型孔3在绝热壁面上反向涡对的强度有所减弱，这是由于冷气射流在流出锥形孔开口并进入槽体后，射流流通面积扩大，使得其动量降低，从而冷却气流6出流向高温燃气5的穿透能力随之降低，并且冷气射流6在流入槽体后受到高温燃气5对其向下的压制作用，导致反向涡对的强度受到抑制，因而冷气流6流出气膜孔3后能很好地覆盖壁面，提高了气膜冷却效果。
[0028]下面是本发明的一个实施例。
[0029]参照图4所示，气膜孔轴线与平面倾斜布置，孔轴线与流动方向的夹角α取为30°，0为10mm，气膜孔3高度为3.0D，圆锥形开口与孔轴线的夹角β取15°，上游垂直固壁的高度hi为0.5D，圆锥形孔I有利于扩大下游壁面的气膜覆盖率，并提高横向平均气膜冷却效率。横向槽2的深度对气膜冷却效果有很大的影响，深槽在吹风比M较大时，气膜孔下游远处的冷却效果较差，因此槽深度不宜取的太深，这里取0.75D。横向槽2越宽，使得冷却气流6的贴壁性越好，冷却气流6将覆盖气膜孔3出口下游的整个区域，气膜孔3下游的平均冷却效率也越高，因此本实施例中，横槽上、下游的垂直固壁与圆锥形气膜孔I开口处距离为1.高温燃气5从热侧表面4流过，冷却气流6从直径为D的气膜孔入口处进入，经过圆锥形气膜孔I从横槽2流出，从而对热侧表面4进行有效地冷却。
【权利要求】
1.一种提高冷却效率的新型气膜孔，包括位于平板上的圆锥形气膜孔1，以及圆锥形气膜孔上沿着射流方向开的矩形横槽2，其特征在于:新型气膜孔3的孔轴线与平面倾斜布置，将圆柱形孔加工成有一定孔口张角的圆锥形开口，在圆锥形开口上方沿着与冷气流动垂直的方向开有一矩形横槽2。
2.根据权利要求1所述的一种提高冷却效率的新型气膜孔，其特征在于，所述新型气膜孔3为开横槽2内嵌圆锥孔1，孔排由3个孔组成，孔长与孔径比L/D = 4?5，孔与孔之间的距离为3.0D?5.0D，气膜孔3高度为2.5D?3.5D，吹风比M的范围为0.5?2.0，适用于任何顺压力梯度的表面。
3.根据权利要求1所述的一种提高冷却效率的新型气膜孔，其特征在于，气膜孔轴线与平面倾斜布置，孔轴线与流动方向的夹角α的范围为10°?40°。
4.根据权利要求1所述的一种提高冷却效率的新型气膜孔，其特征在于，圆锥形孔I是在圆柱形孔的基础上加工而成的，气膜孔3在冷气入口处的横截面为圆形，离气膜孔入口高度大约2/3处上游是一个张角为10°?20°的圆锥形开口，下游为一高度为0.5D?1.0D的垂直固壁，从而导致气膜孔出口横截面积的显著增加。
5.根据权利要求1所述的一种提高冷却效率的新型气膜孔，其特征在于，圆锥形气膜孔I开口上方开有一横向槽2，横槽上、下游的垂直固壁与圆锥形气膜孔I开口处的距离为1.0D?1.5D，横向槽2深度为0.5D?1.0D0
【文档编号】F01D5/18GK103452595SQ201310440409
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月25日 优先权日:2013年9月25日
【发明者】戴萍, 徐熔兵 申请人:青岛科技大学