一種帶伴隨孔結構的新型氣膜孔的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種適用于航空發動機渦輪葉片的氣膜冷卻結構，包括主冷卻孔、位于主氣膜孔兩側的伴隨冷卻孔，其特征在于：在每一個主冷卻孔兩側各有一個對稱貫穿的伴隨冷卻孔。該新型氣膜孔不但易于加工而且能獲得遠比常規氣膜孔高得多的氣膜冷卻效率，是一種很有實用前景的氣膜冷卻孔型。
【專利說明】一種帶伴隨孔結構的新型氣膜孔
【技術領域】
[0001]在航空發動機中，高溫部件的冷卻設計很大程度上決定了整機性能和可靠性。本發明涉及一種適用于航空發動機及燃氣渦輪發動機的渦輪葉片的冷卻結構。該結構包括圓柱形的主氣膜孔及兩個對稱的輔氣膜孔，可滿足新一代高性能航空發動機對于高溫部件冷卻性能的要求。
【背景技術】
[0002]目前常見的航空發動機高溫部件冷卻方式有氣膜冷卻、對流冷卻、發散冷卻和復合冷卻等。氣膜冷卻技術是較為常用的冷卻方式，如何更有效的組織氣膜冷卻，減少冷氣消耗，提高冷卻效果，一直是設計者關注的重要問題。在氣膜冷卻的研究中，近些年來，為了獲得更高的氣膜冷卻效率，國內外開展了大量的研究。由于傳統的圓柱狀氣膜孔在氣膜出流和主燃氣混合的過程中會產生腎狀渦，腎狀渦會加速冷氣和周圍燃氣的摻混，從而減少冷氣氣膜對熱端部件表面的有效覆蓋面積，降低了冷卻效果，特別是在相對于流動方向的在氣膜孔側向的氣膜覆蓋上，傳統的柱狀氣膜孔覆蓋性能更差。因此，為了提高冷氣的覆蓋特性及氣膜冷卻效率，氣膜孔的幾何形狀和排列方式成了氣膜冷卻技術重點研究的關鍵問題。目前氣膜孔型式的研究大多主要集中在以下幾個方面:復合角射流，氣膜孔形狀，帶突片的氣膜等。這些研究的結果都表明采用此類氣膜孔可有效改善由于圓柱狀的氣膜冷卻孔產生的腎狀渦帶來的冷氣覆蓋問題，獲得了比傳統的圓柱狀氣膜孔更好的氣膜冷卻效果。但是這些氣膜孔有較為共同的特點是在幾何構造上都非常復雜，這些內凹或者外凸的幾何特征在加工制造上難度巨大，隨之會產生加工工藝和制造成本控制等難題。此外，這些幾何特征有可能對渦輪葉片的氣動性能造成影響，甚至是增大氣動損失，降低發動機效率。本發明提出的是一種帶伴隨孔結構的新型氣膜孔，氣膜孔型所采用的幾何型式均是等徑圓柱孔，故在加工難度上等同于常規的圓柱氣膜孔，該新型冷卻孔比常規單圓孔型式的氣膜孔的冷卻效率要高很多，通過合理的設計與布置，其冷卻效率可達到復合角射流氣膜孔等其他氣膜孔的水平。總之該新型氣膜孔不但易于加工而且能獲得遠比常規圓柱氣膜孔高得多的氣膜冷卻效率，是一種很有實用前景的氣膜冷卻孔型。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種適用于航空發動機渦輪葉片的氣膜冷卻結構，包括主冷卻孔(I)、位于主氣膜孔(I)兩側的伴隨冷卻孔(2)，其主要特征是:在每一個主冷卻孔(I)兩側各有一個伴隨冷卻孔(2)，這兩個伴隨冷卻孔(2)是對稱的，且伴隨冷卻孔(2)為貫穿孔，并以一個主氣膜孔(I)及其兩側對稱的伴隨氣膜孔(2)為一個單元體(5)，主氣膜孔
(I)和伴隨氣膜孔(2)均為圓柱形，主氣膜孔(I)與平板的沿流向角度(α)范圍為10°?50°，伴隨氣膜孔(2)的直徑范圍為主氣膜孔(I)直徑(D)的25%?100%，主氣膜孔(I)與兩側伴隨氣膜孔(2)的間距(Pl)的取值范圍為0.2(D)?2(D)，在進氣一側，主冷卻孔(I)和兩個伴隨孔(2)的中心處于一條直線，出氣一側，伴隨孔(2)的角度可以在流向和徑向自由變動，伴隨氣膜孔(2)與主氣膜孔(I)的徑向角度(β )范圍為5°?30°，伴隨氣膜孔
(2)與平板沿流向的角度(α I)范圍為10°?45°。
[0004]本發明的氣膜冷卻結構的優點在于:1)主氣膜孔(I)和伴隨氣膜孔(2)所采用的幾何型式都是等徑的圓柱孔，因此該新型孔在加工難度上等同于常規的圓柱氣膜孔，便于實際應用；2)伴隨氣膜孔(2)出流產生的渦流與主氣膜孔(I)出流產生的渦流相互作用，能削弱主孔出流時產生的腎狀渦，使得出流的氣膜不過早的與高溫主流氣體(3)摻混，冷卻氣體(4)能更多的覆蓋在需冷卻表面，從而提高冷卻氣膜覆蓋面積問題，獲得更高的冷卻效率；3)由于主氣膜孔(I)側向出流使得側壓降低，故主氣膜孔(I)的流動更多的向兩側擴散，從而使得該孔型的整體氣膜覆蓋率大大提高；4)在特定的吹風比以及主、輔孔的出流比范圍內還能有效地減少氣動損失和提高效率。本發明的以上諸多特點可充分說明該孔型是一種冷卻效率高且易于加工的新型孔型。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0005]圖1本發明的結構俯視圖
[0006]圖2本發明的結構示意圖
[0007]圖3本發明的側視示意圖
[0008]圖中:1.主氣膜孔 2.伴隨氣膜孔 3.高溫主流 4.冷卻氣體
[0009]5.結構單元體
【具體實施方式】
[0010]下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
[0011]參見圖1所示，本發明是一種適用于航空發動機渦輪葉片的氣膜冷卻結構。其中貫穿的伴隨氣膜孔(2)的結構是區別于其它常規氣膜孔的主要特征。以I個主氣膜孔(I)和以主氣膜孔(I)的軸線為對稱軸的兩個伴隨氣膜孔(2)為氣膜孔的最小單元體(5)，整個氣膜孔結構可以認為是由多個這樣的單元體按照周期性和對稱性復制擴展而成。
[0012]參見圖2、3所示，冷卻氣體(4)由主氣膜孔(I)的進口進入，在平板的上方是高溫主流氣體(3)，冷卻氣體(4)從主氣膜孔(I)和輔氣膜孔(2)流出后，在高溫主流氣體(3)的作用下向下彎曲，粘附在壁面附近，形成溫度較低的冷氣膜，將壁面同高溫主流氣體(3)隔離。由于主氣膜孔(I)的兩側開有斜向的輔氣膜孔(2)，輔氣膜孔(2)的出流產生的渦流與主氣膜孔(I)出流產生的渦流相互作用能削弱主氣膜孔(I)出流時產生的腎狀渦，使得出流的氣膜能不過早地與高溫主流氣體(3)摻混，冷氣能更多的覆蓋在需冷卻表面，提高冷卻效率；同時由于輔氣膜孔(2)的出流使主氣膜孔(I)流動的側壓降低，使得主氣膜孔(I)的流動更多的向兩側擴散，從而提高氣膜孔側部的覆蓋率，使得該孔型的氣膜覆蓋率大大的提聞。
[0013]請參見圖1、2和3所示，一般情況下，輔氣膜孔(2)是對稱的分布在主氣膜孔(I)的兩側且直徑是相等的，也可以根據需要設計成不對稱或者直徑不相等，但根據相似原理，仍認為是本發明所示的結構；一般認為主氣膜孔與平板的沿流向角度(α)范圍為10°?50°，出氣一側的伴隨氣膜孔(2)與主氣膜孔(I)的徑向角度(β)是5°?30°，出氣一側的伴隨氣膜孔(2)與平板沿流向的角度(α I)是10°?45°，進氣一側的伴隨氣膜孔(2)與主氣膜孔(I)的中心沿流向的距離(B)的取值范圍為-3(D)?3(D)，伴隨氣膜孔(2)與主氣膜孔(I)的直徑比是0.25?1，相鄰主氣膜孔(I)與伴隨氣膜孔(2)的展向間距(Pl)的取值范圍為0.2(D)?2(D)。根據氣膜冷卻的需要，主孔與平板沿流向的角度(α)、出氣一側的伴隨氣膜孔⑵與主氣膜孔⑴的徑向角度(β)、出氣一側的伴隨氣膜孔⑵與平板沿流向的角度(α I)、進氣一側伴隨氣膜孔⑵與主氣膜孔⑴的中心沿流向的距離(B)、伴隨氣膜孔(2)與主氣膜孔(I)的直徑比、伴隨氣膜孔(2)與主氣膜孔(I)的展向距離(Pl)都可以改變，但由于這些都屬于本發明的理念及原理，仍認為是本發明所示的結構。
[0014]本發明經過了三維數值模擬和實驗的驗證，在特定的吹風比下，其冷卻效率能比傳統圓柱狀氣膜孔的冷卻效率提高200%?300%，且冷氣覆蓋更寬更均勻。
【權利要求】
1.一種適用于航空發動機渦輪葉片的氣膜冷卻結構，包括主冷卻孔(I)、位于主氣膜孔(I)兩側的伴隨冷卻孔(2)，其主要特征是:在每一個主冷卻孔(I)兩側各有一個伴隨冷卻孔(2)，這兩個伴隨冷卻孔(2)是對稱的，且伴隨冷卻孔(2)為貫穿孔，并以一個主氣膜孔(I)及其兩側對稱的伴隨氣膜孔(2)為一個單元體(5)，主氣膜孔(I)和伴隨氣膜孔(2)均為圓柱形，主氣膜孔(I)與平板的沿流向角度(α)范圍為10°?50°，伴隨氣膜孔(2)的直徑范圍為主氣膜孔(I)直徑(D)的25%?100%，主氣膜孔(I)與兩側伴隨氣膜孔(2)的間距(Pl)的取值范圍為0.2(D)?2(D)，在進氣一側，主冷卻孔(I)和兩個伴隨孔(2)的中心處于一條直線，出氣一側，伴隨孔(2)的角度可以在流向和徑向自由變動，伴隨氣膜孔(2)與主氣膜孔(I)的徑向角度(β )范圍為5°?30°，伴隨氣膜孔(2)與平板沿流向的角度(α I)范圍為10°?45°。
【文檔編號】F01D5/18GK103850718SQ201410025333
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年1月20日 優先權日:2014年1月20日
【發明者】陶智, 郭文, 吳宏, 李育隆, 蘇云亮, 呼艷麗, 潘炳華 申請人:北京航空航天大學, 中國燃氣渦輪研究院