[发明专利]一种用于燃气涡轮发动机冷却的气膜孔

说明书

技术领域

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涡轮、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。

背景技术

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。

发明内容

本发明的目的是公开一种用于燃气涡轮发动机冷却的气膜孔，以提高燃气涡轮发动机的气膜冷却效率。

本发明的技术方案如下：

一种用于燃气涡轮发动机冷却的气膜孔，其特征在于：该气膜孔包括进口段和扩张段，进口段为圆柱孔，扩张段由中间虚拟圆柱和两侧虚拟圆柱连接而成，具体为：扩张段以进口段末端圆心为原点开始向两侧对称扩张，形成与进口段等直径的两侧虚拟圆柱，两侧虚拟圆柱中心线与进口段中心线形成夹角β，随后两侧虚拟圆柱以进口段末端圆心为原点前倾，与中间虚拟圆柱在前视图投影面上形成前倾角γ，两侧虚拟圆柱与中间虚拟圆柱相互叠加和连接形成扩张段，两侧虚拟圆柱和中间虚拟圆柱的连接方式采用直线两端分别与中间虚拟圆柱及两侧虚拟圆柱相切连接，或采用多段折线、曲线两端分别与中间虚拟圆柱及两侧虚拟圆柱相切连接，且在夹角处形成圆弧或者不规则曲率的倒角。

本发明的气膜孔进口段长度L₁与孔总长度L₀的比值δ在0～1之间，一般取值范围在1/3至2/3之间；两侧虚拟圆柱与中间虚拟圆柱的两侧夹角β的取值范围为8°～25°，前倾角γ的取值范围为1°～4.5°；使用中该气膜孔与冷却壁面的夹角，即射流角为20°～60°。

本发明具有以下优点及突出性的技术效果：该气膜冷却孔结构能够将扩大冷气侧向覆盖范围及构造有利于气膜冷却的流场涡系结构两大传统成型孔和多孔组合所分别具有的优点集于一身，即该气膜孔通过两侧扩张增大孔出口面积，从而增大冷气的侧向覆盖范围，同时通过两侧虚拟圆柱孔的前倾及与中间虚拟圆柱孔的光滑连接，构造出有利于气膜冷却的流场结构，从而整体提高气膜冷却效果；通过平板气膜冷却实验表明，在密度比为1.0和1.5条件下，在吹风比为0.5～2.0范围内，本发明的气膜冷却孔的区域平均气膜冷却效率能够比传统成型孔提高20%～40%。

附图说明

图1为本发明的一种用于燃气涡轮发动机冷却的气膜孔的三维示意图。

图2为本发明的气膜冷却孔的俯视图。

图3为本发明的气膜冷却孔的前视图。

图4为本发明的气膜冷却孔垂直于孔轴线的截面图。

图5为本发明的气膜冷却孔拓扑相似的结构变化的孔轴线截面图。

图6为本发明的气膜冷却孔应用于平板气膜冷却的示意图。

图7为本发明的气膜冷却孔用于平板气膜冷却的实验测量结果及与相同工况传统成型孔的对比结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构、原理和性能进行说明：