[发明专利]一种基体表面连续气膜的发生结构

说明书

本发明公开了一种基体表面连续气膜的发生结构。在基体的一个表面设置若干内凹的槽体，每个槽体底部设置若干贯穿至基体另一表面的离散孔；槽体为异形槽，沿深度方向至少由两部分组成，自槽体底部深度为H₁的部分为第一部分，剩余部分为第二部分，并且第二部分的至少一侧壁是由第一部分的同侧壁横向扩张形成。气体自离散孔喷出后在槽体的第一部分充分发展，形成连续、均匀的正压气体，然后经第二部分传输至开口端偏向基体表面一侧流出，在基体表面形成连续的均匀贴附的气膜。

技术领域

本申请涉及基体表面处理技术领域，尤其涉及一种基体表面连续气膜的发生结构。

背景技术

在基体表面形成气膜有很多用途，形成热气膜可对基体进行加热等，形成冷却气膜可对基体进行冷却保护。

例如，在工业与航空航天等技术领域中，很多基体工作在高温燃气环境中，需要经受高温火焰引起的热应力和热腐蚀。例如，燃烧室是将燃油的化学能转变为热能的装置，是发动机和燃气轮机的核心部件之一。燃烧室的燃烧过程主要发生在燃烧室的火焰筒内，火焰筒壁面需承受高温火焰引起的热应力和热腐蚀，苛刻的使用环境对其使用寿命和可靠性提出了巨大挑战。又例如，叶片是航空发动机、燃气轮机等动力装置的核心部件，其中涡轮叶片作为热能转换的关键部件，需要工作于高温高压交变载荷下，需要承受高出自身熔点的工作温度。另外，对于某些高危环境中的建筑材料而言，当发生火灾、爆炸等意外环境时，这些建筑材料需经受高温火焰、气体的热应力和热腐蚀。这样苛刻的环境对基体的使用寿命和可靠性提出了巨大挑战，为此提出对基体进行冷却保护。

气膜冷却是当前采用的高效冷却技术之一，其基本原理是从压气机引入冷却空气，冷却空气通过密布于基体上的冷却孔流出并覆盖于基体表面形成温度较低的冷气膜，从而达到隔绝高温燃气与基体表面的目的，降低基体表面温度，实现对基体表面冷却保护的作用，保证基体长期运行的可靠性。

早期的气膜冷却是由壁面狭缝或者小孔吹出的冷流来阻隔主燃气，如美国专利US4896510A所示，具有整体机构刚性好、冷却流量可控性好等优势，但存在冷气需求量大，对火焰筒壁面冷却不均匀等问题。多斜孔气膜冷却通过斜孔结构以一定的角度射出冷气，在火焰筒壁面形成隔离气膜，起到保护壁面的作用。早期，斜孔多为直圆孔，存在单孔保护面积偏小，吹风比大时气膜剥离严重等问题，需要很密集的气膜孔。后来在气膜冷却技术中采用先进的扩散孔和复杂三维异型孔，相对于简单直圆孔可以大幅度增加单孔降温保护面积和在各种吹风比下的气膜贴附度，如美国专利US2008/0271457A1所示。但是，使用气膜孔时，基体表面气膜的均匀度与孔的分布和形状密切相关，气膜覆盖均匀性不足，成为制约基体表面降温防护的主要技术瓶颈。

专利文献US2010/0040478A1将离散冷却孔与浅槽相结合，在基体的一个表面设置若干浅槽，在每个浅槽的槽体底部大体沿着该浅槽的长度方向设置若干贯穿该基体另一个表面的斜孔。在该结构中，工作状态时高温燃气流作用在设置浅槽的基体侧，冷却气体自斜孔进入浅槽后一方面冷却气体沿着槽体长度方向流动，由于与槽体底部的夹角较小而易倾向基体表面流动，另一方面由于浅槽的设置，冷却气体的流动受到槽体两侧壁的限制，从而防止了冷却气体自冷却孔流出后大部分与高温燃气流相混合而阻碍在基体表面形成冷却气膜。

专利文献US2011/0097188A1也将离散冷却孔与浅槽相结合，并且提出冷却孔可以分为形状不同的两部分，即冷却孔结构为异形孔。

但是，上述两项专利技术中槽体深度小，为浅槽。例如，专利文献US2010/0040478A1中指出槽体深度小于冷却孔的最小直径。这样的槽体只能对来自冷却孔的冷却气体辅助性地进行调节气流流向的作用，初始气膜仍是以冷却孔为主体形成，因此自槽体流出的气膜仍然存在均匀性不足，不能完全覆盖基体表面的问题。另外，还存在气膜冷却效果有限的问题。除此之外，这种结构中，为了形成连续气膜，需要设置较多的冷却孔，这将降低基体的力学强度。

因此，如何通过结构设计在基体表面形成连续的、均匀的气膜是科技工作者的研究课题之一，将对许多领域带来有益的技术效果。