[发明专利]用于冷却叶片的凹陷‑气膜孔冷却结构及气膜冷却装置

说明书

技术领域

本发明涉及燃气轮机或航空发动机高温部件的冷却技术领域，尤其涉及一种用于冷却叶片的凹陷-气膜孔冷却结构及气膜冷却装置。

背景技术

气膜冷却对于燃气轮机/航空发动机高温部件热防护具有重要意义，如涡轮叶片冷却，燃烧室冷却。气膜冷却通常从涡轮叶片内部冷却通道获取冷却空气，气膜孔贯穿涡轮叶片壁面，气膜冷却孔连接涡轮叶片内部冷却通道与外部表面。因此，内部冷却通道内的气流通过气膜孔流出至外部表面，并尽可能在外部表面延展开来，从而将外部热气流与涡轮叶片表面隔离开，为涡轮叶片提供气膜冷却

涡轮叶片具有内部对流冷却和外部气膜冷却。冷却气流在涡轮叶片内部通道内流动以对流方式冷却叶片壁面，另一方面内部冷却通道内的气流通过气膜孔流出至叶片外部表面形成气膜冷却。

气膜冷却的效果与从涡轮叶片内部通道进入气膜冷却孔内的流体流动状况密切相关。气膜孔与内部冷却通道之间的匹配直接影响到流入气膜孔的流量大小，以及气膜孔内的流动特征。常规的气膜冷却孔与内部通道壁面直接贯通连接，内部通道内的气流流过气膜冷却孔时，容易在气膜孔入口产生流动分离和漩涡，并由于气膜孔内外压差影响下在气膜孔内形成回流，这些因素对气膜孔形成阻塞效应并对气膜冷却性能造成明显不利影响，这体现在以下几个方面：(1)由于气膜孔内的流动分离和回流形成阻塞效应，会造成气膜孔内冷却空气流量减少，从而直接降低气膜冷却性能；(2)气膜孔口的流动附着和气膜孔内的流动漩涡使得气膜孔内气流流动湍动能增强，这会增强气膜孔出流与外面高温燃气的掺混效应，从而降低气膜冷却效果。特别是，当内部通道内流动与外部主流反向时，当前的气膜孔入口和气膜孔内容易形成大范围的流动漩涡和回流，堵塞了气膜出口流动，大大降低了外部表面气膜冷却性能。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是能够改善气膜孔与冷却叶片内部流道之间的匹配，从而改善气膜孔入口和气膜孔内的流动状态、提高冷却叶片外部壁面的气膜冷却性能的气膜冷却结构和气膜冷却装置。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种用于冷却叶片的凹陷-气膜孔冷却结构，包括设置在所述冷却叶片的内壁的凹陷和贯穿所述冷却叶片的气膜孔，所述气膜孔具有入口，所述入口位于所述凹陷处。

进一步地，所述入口的一部分贯穿所述凹陷所在的壁面，即所述入口的一部分位于所述凹陷所在的壁面上，所述入口的另一部分位于所述冷却叶片的壁面上除凹陷以外的区域。

优选地，所述入口的全部贯穿所述凹陷所在的壁面，即所述入口的全部位于所述凹陷所在的壁面上。

更进一步地，单个所述入口的全部位于一个凹陷所在的壁面上。

更进一步地，多个气膜孔的入口位于一个凹陷所在的壁面上。

进一步地，所述凹陷凹进内壁面中，凹陷的形状为半球形的一部分、或沟槽状、或带有斜切的球形的一部分、或带有边缘倒圆的曲面或水滴形等，但不限于此。

进一步地，所述凹陷的深度与凹陷长度比为0～0.3，但不限于此。

进一步地，所述气膜孔还具有出口，所述出口位于所述冷却叶片的外壁。

进一步地，所述气膜孔的出口是斜孔、扇形孔、圆柱形孔、棱柱形孔、棱锥形孔或圆锥形孔，但不限于此。

进一步地，所述气膜孔的中心线与所述冷却叶片的壁面的夹角为0～90°，优选为30～60°。

本发明的第二方面提供了一种气膜冷却装置，包括冷却叶片、一个或多个凹陷，以及一个或多个气膜孔，其中所述凹陷设置在所述冷却叶片的内壁，所述气膜孔贯穿所述冷却叶片，所述气膜孔具有入口，全部的所述气膜孔的入口位于所述凹陷处；或者一部分所述气膜孔的入口位于所述凹陷处，另一部分所述气膜孔的入口位于所述冷却叶片的内壁面上除凹陷以外的区域；或者多个气膜孔的入口位于一个凹陷处。

进一步地，当所述气膜孔的入口位于所述凹陷处时，单个所述入口的一部分位于所述凹陷所在的壁面上，单个所述入口的另一部分位于所述冷却叶片的壁面上除凹陷以外的区域。

优选地，当所述气膜孔的入口位于所述凹陷处时，单个所述入口的全部位于所述凹陷所在的壁面上。

进一步地，当多个气膜孔的入口位于一个凹陷处时，所述多个气膜孔的入口位于所述凹陷所在的壁面上。

进一步地，所述凹陷凹进内壁面中，凹陷的形状为半球形的一部分、带有斜切的球形的一部分、或带有边缘倒圆的曲面或水滴形等。

进一步地，所述气膜孔还具有出口，所述出口位于所述冷却叶片的外壁。

进一步地，所述气膜孔的出口是斜孔、扇形孔、圆柱形孔、棱柱形孔、棱锥形孔或圆锥形孔。