[发明专利]一种利用记忆合金提高气膜冷却效率的结构

说明书

本发明公开了一种利用记忆合金提高气膜冷却效率的结构，包括冷气通道及主流通道，在所述主流通道与所述冷气通道之间设有气膜孔，冷却气流通过所述冷气通道和所述气膜孔进入所述主流通道，并在所述气膜孔下游形成冷气膜；在所述气膜孔下游开设有开槽，记忆合金固定于所述开槽内形成可调鼓包；所述可调鼓包受热形成鼓包曲面，在冷却时为平坦形状。本发明利用记忆合金的曲面自适应调节功能调控气膜近壁区流场，抑制气膜边界层分离，改善气膜的贴壁性。该结构具有加工简单，成本较低的优点，可提高燃气涡轮热端部件工作可靠性及寿命。

技术领域

本发明涉及气膜冷却领域，具体涉及一种利用记忆合金提高气膜冷却效率的结构。

背景技术

在航空燃气涡轮发动机和燃气轮机的发展过程中，为提高其循环效率，压气机的增压比和涡轮进口燃气温度不断被提高。目前，推重比为10的发动机压气机增压比已达到30，涡轮进口燃气温度接近2000K。因此必须使用有效的冷却措施对燃气涡轮热端部件进行保护，避免受到高温腐蚀和损伤。气膜冷却是叶片使用的典型冷却方式，低温气体通过离散气膜孔进入主流通道，在气膜孔出口下游壁面处形成一层连续的气膜，将壁面与高温气体隔离，同时带走部分高温气体对壁面的加热量，从而达到冷却壁面的效果。相较于内部冷却方式，气膜冷却性能的提高对冷却结构总体冷却效果的提升具有主导作用。

吹风比是气膜冷却运行的重要参数。在高吹风比下，气膜射流具有较高的穿透动量，会在气膜孔下游发生流动分离，形成局部热区，对气膜冷却有效性构成威胁。如何有效的抑制高吹风比下的气膜边界层分离是值得研究的重要方向。记忆合金是一种原子排列很有规则、体积变为小于0.5％的马氏体相变合金。这种合金在外力作用下会产生变形，当把外力去掉，在一定的温度条件下，能恢复原来的形状。记忆合金具有无磁性、耐磨耐蚀、无毒性的优点。

发明内容

发明目的：本发明公开的是一种利用记忆合金提高气膜冷却效率的结构，用以抑制高吹风比下气膜孔下游边界层的分离，降低气膜掺混损失，改善气膜冷却性能。

技术方案：

一种利用记忆合金提高气膜冷却效率的结构，包括冷气通道及主流通道，在所述主流通道与所述冷气通道之间设有气膜孔，冷却气流通过所述冷气通道和所述气膜孔进入所述主流通道，并在所述气膜孔下游形成冷气膜；在所述气膜孔下游开设有开槽，记忆合金固定于所述开槽内形成可调鼓包；所述可调鼓包受热形成鼓包曲面，在冷却时为平坦形状。

在平坦形状下，所述可调鼓包的鼓包厚与气膜孔径比为0.2～0.5，所述可调鼓包沿主流方向的长度与气膜孔径比为2～3。

所述气膜孔径为0.6～1.2mm，所述气膜孔倾斜角为20～50°，所述气膜孔长度与孔径比为3～6。

所述可调鼓包的鼓包的变形尺寸δ随温度的变化规律为：

式中，T_max为主流温度，δ_max为鼓包最大允许变形尺寸，T_s为壁面设计温度，T为鼓包平均温度，δ_max为0.5～1.5mm。

所述的气膜孔直径为D＝1mm，倾斜角为30°，长径比为3，主流通道长为50D，纵向截面尺寸为3D×8D，冷却流通道长50D，纵向截面尺寸为3D×5D；

所述的工质为理想可压缩气体，主流温度1500K，主流入口马赫数0.7，主流湍流强度4％，主流边界层厚度0.1D，主流湍流长度尺度为0.04D，主流速度符合湍流1/7幂分布规则；二次流温度600K，吹风比为1.5，二次流湍流强度4％，二次流湍流尺度为0.1D；

所述可调鼓包在平坦形状下鼓包厚与气膜孔径比为0.2，沿主流向长度与气膜孔径比为2；所述可调鼓包的鼓包变形尺寸δ随温度的变化规律为：