一种用于燃气涡轮发动机薄壁热端部件的气膜冷却孔结构

摘要

一种用于燃气涡轮发动机薄壁热端部件的气膜冷却孔结构，属于燃气轮机技术领域。该气膜冷却孔包括进口段和凹坑段，进口段为圆柱孔，凹坑段由孔背风面的“心形”凹坑段和孔迎风面的半圆柱凹坑段连接而成；所述凹坑段以进口段末端圆心为原点开始，向孔迎风面拉伸形成半圆柱凹坑段，向孔背风面拉伸形成“心形”凹坑段；“心形”凹坑段和半圆柱凹坑段是以圆柱孔的出口截面中心点为分界点。本发明的气膜冷却孔的优点在于：一是能够增加气膜冷却孔的出口面积，降低冷气出口动量，增强冷气覆盖效果；二是利用凹坑段背风面的“心形”凹坑产生反肾型涡，构建出有利于气膜冷却覆盖的流场结构，使得冷却流体更好覆盖壁面。

权利要求

1.一种用于燃气涡轮发动机薄壁热端部件的气膜冷却孔结构，其特征在于：该气膜冷却孔包括进口段(1)和凹坑段(2)，进口段为圆柱孔，凹坑段(2)由孔背风面的“心形”凹坑段(3)和孔迎风面的半圆柱凹坑段(4)连接而成；所述凹坑段(2)以进口段(1)末端圆心为原点开始，向孔迎风面拉伸形成半圆柱凹坑段(4)，向孔背风面拉伸形成“心形”凹坑段(3)；“心形”凹坑段(3)和半圆柱凹坑段(4)是以圆柱孔的出口截面中心点为分界点；

所述“心形”凹坑段(3)的曲线控制参数包括以下四个：

a.圆柱孔边线MN与“心形”凹坑段(3)过点M的切线MR形成的控制角度β1在120°～160°之间；

b“. 心形”凹坑段(3)过点O的切线OP与圆柱孔中轴线形成的控制角度β2在30°～60°之间；

c.“心形”凹坑段(3)的最大流向坐标点A与进口段(1)的最大流向坐标点O的流向坐标值差X1在0.1D～0.5D之间，D为进口段的直径；

d.进口段(1)的最大流向坐标点O与“心形”凹坑段(3)的最大侧向坐标点B的侧向坐标值差Y1在0.6D～0.9D之间。

2.按照权利要求1所述的一种用于燃气涡轮发动机薄壁热端部件的气膜冷却孔结构，其特征在于：所述进口段(1)的长度L1与凹坑段(2)的法向长度L2的比值δ取值为2～4之间；

该气膜冷却孔与冷却壁面的夹角α即射流角为20°～60°。

说明书

一种用于燃气涡轮发动机薄壁热端部件的气膜冷却孔结构

技术领域

[0001] 本发明涉及燃气涡轮发动机，具体包括发电用重型燃气轮机、航空发动机及舰船燃气轮机等，是一种离散孔气膜冷却(注：也称为薄膜冷却)的新型孔结构，可提高燃气涡轮发动机透平、燃烧室等高温部件的气膜冷却效率，适用于所有离散孔形式的气膜冷却，且适用于薄壁热端部件。

背景技术

[0002] 现代燃气涡轮发动机的工作温度均已超过金属材料的可承受温度。气膜冷却作为一种高效的冷却方式，被广泛应用于重型燃气轮机、航空发动机及舰船燃气轮机的高温部件冷却。气膜冷却是冷却气体从一个或者多个离散孔中射流，在壁面形成一层气体薄膜以保护壁面不被高温气体烧蚀。在燃气涡轮发动机中，用于冷却的空气一般是从压气机相应级中抽出的压缩空气，气膜冷却效率的高低直接关系到压缩空气量的大小，从而影响整机的运行效率和性能。气膜冷却是由对流主导的两股不同温度流体相互掺混及与冷却壁面的对流换热问题，而提高气膜冷却效率的关键是限制冷气从气膜孔喷射出后与冷却壁面发生吹离，同时扩大冷却气体在壁面的覆盖面积，特别是扩大冷气的侧向覆盖范围；因此，冷气喷射后与高温主流所形成的流场结构尤为重要。传统的圆柱型气膜孔在气膜冷却流场中形成了肾形涡对，该涡系结构将高温主流从两侧卷入冷气射流底下，使得冷气与冷却壁面发生吹离，导致冷却效果的恶化；而传统的成型孔扩大了孔出口的面积，减小了冷气的出口射流动量，从而削弱了肾形涡的产生，另外由于出口面积扩大而增加了冷气的侧向覆盖范围，从而获得了相对于圆柱孔更有的气膜冷却效果，但是传统成型孔还依然无法主动产生有利于气膜冷却的流场涡系结构；随后为了构造出有利于气膜冷却的流场涡系结构，有专家学者将两个或者多个圆柱孔组成一个气膜孔单元，如双射流孔，三脚架孔等等，然而这些多孔组成的气膜冷却孔结构存在加工制造方面的困难及在叶片有限的供气空间条件下难以得到应用等方面的不足。另外，随着燃气涡轮机热端部件，如燃烧室和透平叶片，逐渐开始转向薄壁冷却的趋势，壁厚变薄给成型孔等复杂形状的气膜冷却孔加工带来了巨大的障碍，使得成型孔加工无法顺利进行。

发明内容

[0003] 本发明的目的是公开一种用于燃气涡轮发动机薄壁热端部件的弹坑型气膜冷却孔结构，以提高燃气涡轮发动机的气膜冷却效率。

[0004] 本发明的技术方案如下：

[0005] 一种用于燃气涡轮发动机薄壁热端部件的气膜冷却孔结构，其特征在于：该气膜冷却孔包括进口段和凹坑段，进口段为圆柱孔，凹坑段由孔背风面的“心形”凹坑段和孔迎风面的半圆柱凹坑段连接而成；所述凹坑段以进口段末端圆心为原点开始，向孔迎风面拉伸形成半圆柱凹坑段，向孔背风面拉伸形成“心形”凹坑段；“心形”凹坑段和半圆柱凹坑段是以圆柱孔的出口截面中心点为分界点。

[0006] 上述技术方案中，所述“心形”凹坑段的曲线控制参数包括以下四个：a.圆柱孔边线MN与“心形”凹坑段过点M的切线MR形成的控制角度β1在120°～160°之间；b“. 心形”凹坑段过点O的切线OP与圆柱孔中轴线形成的控制角度β2在30°～60°之间；c“. 心形”凹坑段(3)的最大流向坐标点A与进口段(1)的最大流向坐标点O的流向坐标值差X1在0.1D～0.5D之间，D为进口段的直径；d.进口段(1)的最大流向坐标点O与“心形”凹坑段(3)的最大侧向坐标点B的侧向坐标值差Y1在0.6D～0.9D之间。

[0007] 优选地，所述进口段的长度L1与凹坑段的法向长度L2的比值δ为2～4之间；该气膜冷却孔与冷却壁面的夹角α即射流角为20°～60°。

[0008] 本发明具有以下优点及突出性的技术效果：①本发明的气膜冷却孔保留了传统圆形截面气膜冷却孔加工成本低的优点，在圆柱孔出口部分利用热障涂层或者电火花加工出“心形”弹坑；相较于传统的圆孔和成型孔，弹坑气膜孔有两点优势，一是能够增加气膜冷却孔出口面积，降低冷气出口动量，增强冷气覆盖效果，二是降低加工难度；②利用凹坑段背风面的“心形”凹坑产生反肾型涡，构建出有利于气膜冷却覆盖的流场结构，使得冷却流体在壁面具有更好的覆盖。

附图说明

[0009] 图1为本发明的弹坑型气膜冷却孔结构的三维示意图。

[0010] 图2为本发明的弹坑型气膜冷却孔的俯视图。

[0011] 图3为本发明的弹坑型气膜冷却孔的前视图。

[0012] 图4为本发明的另外一种变形的弹坑型气膜冷却孔结构的三维示意图。

[0013] 图5为本发明的弹坑型气膜冷却孔应用于平板气膜冷却的结构示意图。

[0014] 图中：1–进口段；2–凹坑段；3-“心形”凹坑段；4-半圆柱凹坑段；5-冷却气体；6–被冷却壁面；7-高温主流气体。

具体实施方式

[0015] 下面结合附图对本发明的结构、原理和性能进行说明：

[0016] 本发明为一种用于燃气涡轮发动机薄壁热端部件的气膜冷却孔结构，其基本几何特征如图1、图2和图3所示。该气膜冷却孔包括进口段1和凹坑段2，进口段为圆柱孔，凹坑段2由孔背风面的“心形”凹坑段3和孔迎风面的半圆柱凹坑段4连接而成，所述凹坑段2以进口段1末端圆心为原点开始，向孔迎风面拉伸形成半圆柱凹坑段4，向孔背风面拉伸形成“心形”凹坑段3；“心形”凹坑段3和半圆柱凹坑段4是以圆柱孔的出口截面中心点为分界点。

[0017] 图2是弹坑型气膜冷却孔的通流部分的俯视图。“心形”凹坑段3的曲线控制参数包括以下四个：a.圆柱孔边线MN与“心形”凹坑段3过点M的切线MR形成的控制角度β1在120°～160°之间；b“. 心形”凹坑段3过点O的切线OP与圆柱孔中轴线形成的控制角度β2在30°～60°之间；c.“心形”凹坑段(3)的最大流向坐标点A与进口段(1)的最大流向坐标点O的流向坐标值差X1在0.1D～0.5D之间，D为进口段的直径；d.进口段(1)的最大流向坐标点O与“心形”凹坑段(3)的最大侧向坐标点B的侧向坐标值差Y1在0.6D～0.9D之间：进口段1的长度L1与凹坑段2的法向长度L2的比值δ取值为2～4之间；该气膜冷却孔与冷却壁面的夹角α即射流角为
20°～60°。

[0018] 图4为本发明的另外一种弹坑型气膜冷却孔结构的通流部分的三维示意图。该气膜冷却孔基本上保持与“心形”弹坑气膜冷却孔一样的形状，改变的部分只有图1中的“心形”凹坑段3。图4中弧形凹坑段3和半圆柱凹坑段4交界面处有侧向宽度的突变，然后弧形凹坑段3逐渐过渡到背风面；该气膜冷却孔能够有效扩大出口面积，提高气膜冷却孔有效度。

[0019] 图5是本发明的气膜冷却孔结构在平板气膜冷却上的应用实例。冷却气体5流经本发明的气膜冷却孔喷出，在被冷却壁面6表面形成气膜覆盖，同时与高温主流气体7相互掺混而最终耗散。气膜覆盖效果直接取决于冷气流经气膜冷却孔后的射流形态及下游气膜区的流场结构。

[0020] 本发明的新型气膜冷却孔通过增加孔出口面积，增大了气膜冷却覆盖范围；通过气膜冷却孔“心形”凹坑出流冷气之间的相互干涉，构建出有利于气膜冷却覆盖的流场结构，使得冷却流体在壁面具有更好的覆盖效果。进口段长度与孔总长度的比值δ、“心形”凹坑样条曲线的控制角度β1、β2和控制距离X1、Y1是本发明的气膜冷却孔的主要特征参数，也是影响其气膜冷却性能的关键参数。