[发明专利]一种依据气膜孔出口速度分布而设计的开槽结构

说明书

本发明的目的在于提供一种依据气膜孔出口速度分布而设计的开槽结构，包括进口段、开槽凹坑段，所述进口段为圆柱孔，所述开槽凹坑段包括相互连接的圆柱型气膜孔出口段和背风面凹坑段，圆柱型气膜孔出口段与进口段相连并相通，所述的背风面凹坑段为梯形体，梯形体下平面开设凹坑，凹坑的截面包括一个半圆以及分别与半圆相切的两个尾缘棱台，凹坑上以及凹坑两侧的背风面凹坑段上各开设一个出气口。本发明依据冷气喷射速度分布增加了背风面气膜孔的出口面积，降低了该区域冷气出口动量，增加了冷气覆盖效果；下游的棱台使得部分冷气向横向两侧扩张，对于冷气的利用更加充分。

技术领域

本发明涉及的是一种燃气涡轮发动机的冷却装置，具体地说是燃气涡轮叶片、端壁和燃烧室等高温部件的冷却装置。

背景技术

现代燃气涡轮发动机的工作温度已经远远超过金属材料的可承受温度。气膜冷却作为一种高效的先进冷却方式，被广泛应用于燃气轮机和航空发动机的高温部件冷却。在燃气涡轮发动机中，气膜冷却是将从压气机相应级中抽出的压缩的冷却气体从一个或者多个离散孔中喷射，在壁面形成一层气体薄膜以保护壁面不被高温气体烧蚀，而气膜冷却效率的高低直接影响到所需压缩空气量的多少，进而影响到燃气涡轮机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被高温气体吹离，同时扩大冷却气体在壁面的覆盖面积，特别是扩大冷气的横向覆盖范围；因此，冷气喷射后与高温主流所形成的流场结构尤为重要。

近年来，为了提高气膜冷却效率，国内外研究者在孔型和组合孔两个方向陆续提出了多种新颖的冷却方式。比如，扩张孔、元宝孔、姊妹孔、双射流孔、沟槽孔、圆锥孔等。然而这些孔存在着加工制造工艺、结构强度和实际工况匹配等方面的困难，上述孔型在工程中并没有得到广泛的应用。气膜冷却最常用的冷却孔是圆柱孔，圆柱孔具有结构简单、不影响叶片强度、加工容易等优点，因此在工程中得到了广泛的应用，但随着涡轮进口温度的提高，圆柱孔气膜冷却效率偏低、冷气覆盖面积小、不适于高吹风比等劣势越来越明显。

发明内容

本发明的目的在于提供提高燃气涡轮发动机的气膜冷却效率、增大气膜覆盖面积一种依据气膜孔出口速度分布而设计的开槽结构。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种依据气膜孔出口速度分布而设计的开槽结构，其特征是：包括进口段、开槽凹坑段，所述进口段为圆柱孔，所述开槽凹坑段包括相互连接的圆柱型气膜孔出口段和背风面凹坑段，圆柱型气膜孔出口段与进口段相连并相通，所述的背风面凹坑段为梯形体，梯形体下平面开设凹坑，凹坑的横截面包括一个半圆以及分别与半圆相切的两个尾缘棱台，凹坑上以及凹坑两侧的背风面凹坑段上各开设一个出气口，来自于进口段的气体进入圆柱型气膜孔出口段后，通过三个出气口向外喷射。

本发明还可以包括：

1、开槽凹坑段的首部与其后缘的距离为L₁，进口段的圆柱孔直径为D，L₁在0.4-0.5倍D之间。

2、背风面凹坑段的梯形体截面的下边长为W₂，进口段的圆柱孔直径为D，W₂在1.2-1.5倍D之间。

3、开槽凹坑段的首部与其后缘的距离为L₁，尾缘棱台长度为L₂，凹坑横截面半圆的半径为R，进口段的圆柱孔直径为D，凹坑高度为H，L₂在0.5-0.8倍L₁之间，R在0.1-0.4倍L1之间，H在0.5-1.0被D之间。

4、进口段圆柱孔的射流角为20°-60°。

本发明的优势在于：