[发明专利]一种可抑制肾形涡对发展的交叉气膜冷却孔结构及其应用

说明书

本发明公开了一种可抑制肾形涡对发展的交叉气膜冷却孔结构及其应用，所述交叉气膜冷却孔结构包括：主孔和副孔；主孔和与之轴线相交的副孔组成可抑制肾形涡发展的交叉气膜冷却孔结构；主孔和副孔的进口在同一集气腔内，主孔出口在目标壁面上，副孔出口在主孔孔壁上。本发明的交叉气膜冷却孔结构能够在削弱冷却射流所产生的肾形涡对的同时，诱发一对与之旋转方向相反的反肾形涡对，从而增强射流的贴壁性，提高了单位冷气量的气膜冷却效率。

技术领域

本发明属于燃气轮机及航空发动机技术领域，特别涉及一种可抑制肾形涡对发展的交叉气膜冷却孔结构及其应用。

背景技术

燃气透平是能源动力、航空航天等领域重要的高技术动力装备。随着工业领域对动力设备的效率和环保性能的要求与日俱增，设计者通过不断提高透平进口温度，来达到相应的技术指标。目前，燃气透平进口燃气温度已经远超高温部件材料的熔点，例如：工业燃气轮机透平进口燃气温度为1700K，航空发动机透平进口燃气温度为2000K。因此，在燃气透平气热性能设计中，高温部件的热防护及冷却方案设计是燃气轮机及航空发动机安全稳定和长寿命运行的关键。几乎与燃气轮机及航空发动机诞生同步，燃气透平热防护及冷却就成为了燃气透平高效、可靠运行的首要问题。在目前的燃气轮机及航空发动机高温部件中，常用的热防护和冷却手段有：增加热障涂层、冲击冷却、气膜冷却等；其中，气膜冷却是一种成熟且高效的冷却方式。由于气膜孔结构简单，冷却效果显著，已成为燃气透平的冷却布局的“标配”，在高温燃气透平的安全、高效运行中发挥显著的作用。然而，由于固有的流动规律，传统的圆形孔气膜冷却结构会导致冷却气体从气膜孔出射后在壁面附近产生一对反向旋转的肾形涡对，肾形涡对会诱导冷却气体在向下游流动过程中脱离壁面，削弱冷却气体对目标壁面的覆盖，恶化壁面附近的冷却效果。因此，燃气轮机及航空发动机实际运行工况下的气膜冷却效率显著低于理想状况下气膜冷却效率。

多年来，研究机构和工业界一直致力于提高燃气轮机及航空发动机实际运行工况下的气膜冷却效率，提出了造型孔等新型孔结构以削弱冷却孔出口冷气形成的肾形涡对。然而实践证明，这种方式虽然能够有效提高气膜冷却效率，但加工复杂，且冷却效果对加工误差较为敏感。除此以外，研究者还试图通过涡发生器、等离子体控制器等主动控制手段以提高壁面的气膜冷却效率，但由于这些方法成本高、技术难度大，目前只有停留在实验室研究阶段。因此，亟待开发一种制造简单、成本低廉的具有抑制肾形涡对发展的气膜孔结构，以进一步提升燃气轮机及航空发动机的冷却性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可抑制肾形涡对发展的交叉气膜冷却孔结构及其应用，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的结构能够削弱冷却射流中肾形涡对的强度，同时自激励诱导产生附加的反肾形涡对，从而能够抑制削弱后的肾形涡对的发展，增加冷却气流的贴壁性，大幅提高目标壁面的气膜冷却效率。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种可抑制肾形涡对发展的交叉气膜冷却孔结构，包括：

交叉气膜冷却孔，用于设置于目标壁面和冷气集气腔之间；

其中，所述交叉气膜冷却孔包括：主孔和副孔；主孔的进口和副孔的进口用于设置在同一冷气集气腔；主孔的出口用于设置于目标壁面，副孔的出口设置于主孔的孔壁上；副孔的直径等于或小于主孔的直径；副孔的出口与主孔的出口之间的距离尺寸大于主孔的直径尺寸；主孔的轴线与副孔的轴线相交；副孔的轴线、主孔的轴线、主孔轴线在目标壁面的投影线位于同一平面上。

本发明的进一步改进在于，副孔的轴线与主孔的轴线形成夹角的角度范围为30°～150°。

本发明的进一步改进在于，副孔的轴线与主孔的轴线形成夹角的角度为90°。

本发明的进一步改进在于，还包括：目标壁面；主孔的轴线与目标壁面形成夹角的角度范围为15°～50°。

本发明的进一步改进在于，主孔的轴线与目标壁面形成夹角的角度为30°。