应用于燃气轮机的B型气膜冷却孔结构及构建方法

本发明涉及燃气轮机热端冷却，特别是涉及一种应用于燃气轮机的b型气膜冷却孔结构及构建方法。

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流场结构方面存在明显的缺点，仍是肾形涡对在流场中起主导作用，无法主动形成有利于气膜冷却的反肾涡结构。

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的b型气膜冷却孔结构及构建方法，旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一。

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的b型气膜冷却孔结构，包括：

3、固体壁，固体壁具有外壁面和内壁面，所述外壁面用于接触高温主流；

4、气膜孔，所述气膜孔倾斜设置在所述固体壁上，所述气膜孔包括同轴并相连通的圆柱段和扩张段，所述圆柱段和所述扩张段的连接处形成有连接口，所连接口的型线为圆形的入口型线，所述圆柱段远离所述扩张段的一端贯穿所述内壁面形成冷气入口，所述扩张段远离所述圆柱段的一端贯穿所述外壁面形成冷气出口，所述冷气出口的型线为出口型线；

5、所述出口型线为通过在所述外壁面上绘制矩形，所述矩形短边与所述高温主流流动方向水平，所述矩形两长边垂直于所述高温主流流动方向分别为第一边和第二边，在所述第一边的两端相对称地沿所述矩形短边进行半径为r0的第一倒圆，在所述第二边的两端相对称地沿所述矩形短边进行半径为r1第二倒圆，在两第二倒圆之间做圆心位于所述矩形外侧的半径为r2第三倒圆。

6、可选的，所述气膜孔的流向倾角α的取值范围为30-90度。

7、可选的，所述气膜孔的展向倾角的取值范围为30-150度。

8、可选的，所述圆柱段直径d的取值范围为0.4mm-1.0mm。

9、可选的，所述扩张段长度le与所述圆柱段和所述扩张段的总长度l的比值范围为0<le/l≤1。

10、可选的，相邻的两所述气膜孔的轴线之间的间距p与所述圆柱段的直径d的比值范围不小于3。

11、本发明还提供了一种b型气膜冷却孔结构的构建方法，包括：

12、在所述外壁面上绘制所述矩形，所述矩形短边与高温主流流动方向水平；

13、所述矩形两长边垂直于所述高温主流流动方向分别为第一边和第二边，在所述第一边的两端相对称地沿所述矩形短边进行半径为r0的第一倒圆，在所述第二边的两端相对称地沿所述矩形短边进行半径为r1第二倒圆，在两第二倒圆之间做圆心位于所述矩形外侧的半径为r2第三倒圆。

14、可选的，所述矩形的中心点为o，所述第一边与所述中心点o之间距离为h0，所述第二边与所述中心点o之间距离为h；

15、所述气膜孔的流向倾角为α；

16、所述圆柱段的直径为d；

17、所述h0＝d/(2*sinα)。

18、可选的，所述第一倒圆的半径r0为0.4d-0.6d。

19、可选的，所述矩形的两短边与所述中心点o的距离均为w/2。

20、本发明公开了以下技术效果：通过在矩形上设置第一倒圆、第二倒圆以及第三倒圆形成b型结构的出口型线，且扩张段由入口型线沿出口型线延展形成直纹面，当冷气由圆柱段的冷气入口进入并经过扩张段内时，由扩张段产生的b型扩张结构的特性对冷气产生导流，构建出分支结构以诱导反肾涡的形成，流出气膜孔后与高温主流掺混并形成理想的反肾涡结构，促进冷气沿横向的扩展，增大气膜展向覆盖面积，提升气膜附壁效果，从而提高气膜冷却效率。

技术特征：

1.一种应用于燃气轮机的b型气膜冷却孔结构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的应用于燃气轮机的b型气膜冷却孔结构，其特征在于：所述气膜孔(2)的流向倾角α的取值范围为30-90度。

3.根据权利要求1所述的应用于燃气轮机的b型气膜冷却孔结构，其特征在于：所述气膜孔(2)的展向倾角的取值范围为30-150度。

4.根据权利要求1所述的应用于燃气轮机的b型气膜冷却孔结构，其特征在于：所述圆柱段(2.1)直径d的取值范围为0.4mm-1.0mm。

5.根据权利要求1所述的应用于燃气轮机的b型气膜冷却孔结构，其特征在于：所述扩张段(2.2)长度le与所述圆柱段(2.1)和所述扩张段(2.2)的总长度l的比值范围为0<le/l≤1。

6.根据权利要求1所述的应用于燃气轮机的b型气膜冷却孔结构，其特征在于：相邻的两所述气膜孔(2)的轴线之间的间距p与所述圆柱段(2.1)的直径d的比值范围不小于3。

7.一种b型气膜冷却孔结构的构建方法，用于构建权利要求1所述的应用于燃气轮机的b型气膜冷却孔结构中的所述出口型线，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的b型气膜冷却孔结构的构建方法，其特征在于：

9.根据权利要求7所述的b型气膜冷却孔结构的构建方法，其特征在于：所述第一倒圆(4)的半径r0为0.4d-0.6d。

10.根据权利要求8所述的b型气膜冷却孔结构的构建方法，其特征在于：所述矩形(3)的两短边与所述中心点o的距离均为w/2。

技术总结本发明涉及燃气轮机热端冷却技术领域，公开了一种应用于燃气轮机的B型气膜冷却孔结构及构建方法，包括固体壁，固体壁具有外壁面和内壁面，外壁面用于接触高温主流；气膜孔倾斜设置在固体壁上，气膜孔包括同轴并相连通的圆柱段和扩张段，圆柱段和扩张段的连接处形成有连接口，所连接口的型线为圆形的入口型线，圆柱段远离扩张段的一端贯穿内壁面形成冷气入口，扩张段远离圆柱段的一端贯穿外壁面形成冷气出口，冷气出口的型线为出口型线，本发明能够形成理想的反肾涡结构，促进冷气沿横向的扩展，增大气膜展向覆盖面积，提升气膜附壁效果，从而提高气膜冷却效率。技术研发人员：谢刚,罗一鸣,李海旺,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