一种应用于燃气轮机热端部件的人字形凹槽气膜孔冷却结构

本发明涉及燃气轮机热端部件的传热与冷却，特别是涉及一种应用于燃气轮机热端部件的人字形凹槽气膜孔冷却结构。

背景技术：

1、燃气涡轮发动机是一种基于布雷顿循环的热动力装置，依靠其强大的输出功率和高热效率已广泛应用于现代军事和工业。燃气涡轮发动机具有极为恶劣严苛的工作环境，具备高温、高压和高转速三大特点。其中，高温的工作环境尤其体现在三大核心部件之一的涡轮中。经验表明，在发动机尺寸不变的前提下，涡轮进口温度每提高56k，燃气轮机的推力可增加8-13％，循环效率可提高2-4％。目前先进航空发动机的涡轮前温度已经超过2000k，而涡轮叶片材料的耐温极限却远小于涡轮进口温度，因此必须采用高效冷却技术以保证其正常工作。

2、气膜冷却技术作为目前应用最广泛的高效冷却技术之一，在早期广泛采用圆柱孔。随着国内外学者的深入研究，发现圆柱孔冷气射流所形成的流场结构中，反向旋转的肾形涡对相对其他涡系强度最高。肾涡会将主流卷吸至冷气下方，强化掺混并使冷气抬升脱离壁面，对气膜冷却效果极为不利。基于此，学者们设计出以簸箕孔为代表的出口扩张型异型孔，通过流向或展向的扩张增大气膜孔出口面积和宽度，从而减小冷气射流动量，增大气膜展向覆盖宽度，增大肾形涡对间距以减小诱导升力，并诱导反肾涡的形成。然而，经典的出口扩张型异型孔在大的扩张角下孔内将发生严重的流动分离，限制了其出口宽度的增大，从而使其气膜覆盖宽度受限，对冷却效率的提升效果有限。

3、为提升气膜冷却的覆盖效果和冷却效率，研究人员对离散气膜孔结构进行了大量的改进设计，其中凹槽气膜孔是较有潜力的改进方向之一，通过在气膜孔的出口开设离散或连续的凹槽，诱导冷气射流向展向继续延伸，从而提升冷气的覆盖效果。例如，中国专利申请cn201510810965.1公开的“心形”凹坑气膜孔，中国专利申请cn201611254468.9公开的依据气膜孔出口速度分布而设计的开槽结构均属于离散凹槽气膜孔结构。中国专利申请cn201520294987.2公开的凹槽气膜孔结构和中国专利申请cn202110769505.4公开的哑铃形凹槽气膜孔均属于连续凹槽气膜孔结构。上述技术方案提出的凹槽气膜孔结构均可对气膜射流进行展向扩展，提升气膜冷却效率。

4、为进一步提升气膜冷却的覆盖效果和冷却效率，本发明提供一种应用于燃气轮机热端部件的人字形凹槽气膜孔冷却结构。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种应用于燃气轮机热端部件的人字形凹槽气膜孔冷却结构，以解决现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种应用于燃气轮机热端部件的人字形凹槽气膜孔冷却结构，包括固体壁，所述固体壁的顶面设有热障涂层，所述固体壁上等间隔开设有多个气膜孔，所述热障涂层上设有多个相互连通的人字形凹槽，所述气膜孔与所述人字形凹槽连通。

3、优选的，所述人字形凹槽由若干个凹槽单元组成，所述凹槽单元的横向间距与所述气膜孔和相邻所述气膜孔之间的横向孔间距相等。

4、优选的，所述凹槽单元的凹槽深度不大于热障涂层厚度。

5、优选的，所述凹槽单元由凹槽上游壁面、凹槽下游壁面和凹槽底面构成，所述凹槽底面与所述固体壁外壁面平行，所述凹槽上游壁面与所述凹槽底面角度为30°-90°，所述凹槽下游壁面与凹槽底面角度在30°-90°，所述凹槽底面与气膜孔出口连通。

6、优选的，所述人字形凹槽的下游顶点与气膜孔下游边中点位于同一展向高度上。

7、优选的，所述气膜孔的孔径范围为0.4mm-1.0mm。

8、优选的，所述气膜孔的扩张段长度le占所述气膜孔总长度l的比值le/l为0-1。

9、优选的，所述气膜孔的流向倾角为30°-90°，所述气膜孔的展向倾角为30°-150°。

10、优选的，所述气膜孔和相邻所述气膜孔之间的横向孔间距与所述气膜孔圆柱段直径的比值不小于3。

11、本发明公开了以下技术效果：冷气经气膜孔流出后冲击在人字形凹槽上并充分扩展，增大冷气的展向覆盖范围；人字形凹槽可在异型孔的基础上进一步强化冷却效果，同时基于热障涂层开设人字形凹槽使得应用于燃气轮机热端部件的人字形凹槽气膜孔冷却结构具备一定的加工可行性。

技术特征：

1.一种应用于燃气轮机热端部件的人字形凹槽气膜孔冷却结构，其特征在于：包括固体壁(1)，所述固体壁(1)的顶面设有热障涂层(2)，所述固体壁(1)上等间隔开设有多个气膜孔(3)，所述热障涂层(2)上设有多个相互连通的人字形凹槽(4)，所述气膜孔(3)与所述人字形凹槽(4)连通。

2.根据权利要求1所述的应用于燃气轮机热端部件的人字形凹槽气膜孔冷却结构，其特征在于：所述人字形凹槽(4)由若干个凹槽单元(8)组成，所述凹槽单元(8)的横向间距与所述气膜孔(3)和相邻所述气膜孔(3)之间的横向孔间距相等。

3.根据权利要求2所述的应用于燃气轮机热端部件的人字形凹槽气膜孔冷却结构，其特征在于：所述凹槽单元(8)的凹槽深度不大于热障涂层(2)厚度。

4.根据权利要求2所述的应用于燃气轮机热端部件的人字形凹槽气膜孔冷却结构，其特征在于：所述凹槽单元(8)由凹槽上游壁面(5)、凹槽下游壁面(7)和凹槽底面(6)构成，所述凹槽底面(6)与所述固体壁(1)外壁面平行，所述凹槽上游壁面(5)与所述凹槽底面(6)角度为30°-90°，所述凹槽下游壁面(7)与凹槽底面(6)角度在30°-90°，所述凹槽底面(6)与气膜孔出口(9)连通。

5.根据权利要求1所述的应用于燃气轮机热端部件的人字形凹槽气膜孔冷却结构，其特征在于：所述人字形凹槽(4)的下游顶点与气膜孔(3)下游边中点位于同一展向高度上。

6.根据权利要求1所述的应用于燃气轮机热端部件的人字形凹槽气膜孔冷却结构，其特征在于：所述气膜孔(3)的孔径范围为0.4mm-1.0mm。

7.根据权利要求6所述的应用于燃气轮机热端部件的人字形凹槽气膜孔冷却结构，其特征在于：所述气膜孔(3)的扩张段长度le占所述气膜孔(3)总长度l的比值le/l为0-1。

8.根据权利要求1所述的应用于燃气轮机热端部件的人字形凹槽气膜孔冷却结构，其特征在于：所述气膜孔(3)的流向倾角为30°-90°，所述气膜孔(3)的展向倾角为30°-150°。

9.根据权利要求1所述的应用于燃气轮机热端部件的人字形凹槽气膜孔冷却结构，其特征在于：所述气膜孔(3)和相邻所述气膜孔(3)之间的横向孔间距与所述气膜孔(3)圆柱段直径的比值不小于3。

技术总结本发明公开一种应用于燃气轮机热端部件的人字形凹槽气膜孔冷却结构，属于燃气轮机热端部件的传热与冷却技术领域，包括固体壁，固体壁的顶面设有热障涂层，固体壁上等间隔开设有多个气膜孔，热障涂层上设有多个相互连通的人字形凹槽，气膜孔与人字形凹槽连通。冷气经气膜孔流出后冲击在人字形凹槽上并充分扩展，增大冷气的展向覆盖范围；人字形凹槽可在异型孔的基础上进一步强化冷却效果，同时基于热障涂层开设人字形凹槽使得应用于燃气轮机热端部件的人字形凹槽气膜孔冷却结构具备一定的加工可行性。技术研发人员：谢刚,李海旺,罗一鸣,周志宇,王熙来,孟龙受保护的技术使用者：北京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11