一种应用于燃气轮机热端部件的C型气膜孔冷却结构

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c型气膜孔冷却结构。

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。

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，其中分叉孔是较有潜力的改进方向之一，通过将两个或多个圆柱孔组合成一个气膜孔单元可增大气膜覆盖范围，同时分叉孔的多股冷气射流可诱导形成有利于气膜冷却的反肾涡结构。例如，中国专利申请cn201710454453.5公开的树杈形气膜孔结构，中国专利申请cn201711202938.1公开的分支气膜孔结构，中国专利申请cn201910006511.7公开的交叉型x气膜孔结构和中国专利申请cn201910007232.2公开的交叉型y气膜孔结构均属于分叉孔类型。然而，分叉孔对孔间距敏感，当分叉的孔间距较大时，其多股冷气射流将相对独立，无法形成理想的反肾涡结构；小的孔间距对加工制造的要求较高，同时不利于涡轮叶片的结构强度。日本学者提出的猫耳孔以及中国专利申请cn201310236780.5公开的一种离散气膜孔、中国专利申请202210520834.x公开的一种月牙形气膜孔，可有效解决分叉孔的上述问题，即将分叉孔的各个分支通过一定的方式包容为一个整体，从而将气膜孔改进为由圆柱段和分叉包容段组成的异型孔结构。

4、上述技术方案可主动形成对气膜冷却有利的反肾涡，但其单个气膜孔单元的涡系结构通常由两对相邻的肾涡构成，难以形成反肾涡占据主导的涡系结构，不利于冷气的展向延伸。此外，当上述气膜孔形成较大的出口宽度时，大的扩张角使孔内易发生严重的流动分离，加剧冷气与主流的掺混，增大流动损失，不利于冷却效果。

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c型气膜孔冷却结构，以解决上述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：一种应用于燃气轮机热端部件的c型气膜孔冷却结构，包括开设在热端固体壁上的若干个气膜孔，所述气膜孔倾斜开设，所述气膜孔包括圆柱段，所述圆柱段的一端连通有扩张段，所述圆柱段远离所述扩张段的一端设置有冷气入口，所述扩张段远离所述圆柱段的一端设置有出口型线，所述出口型线为c型的冷气出口，所述扩张段朝向所述圆柱段的一端设置有入口型线，通过直纹面连接所述出口型线与所述入口型线构成c型的所述扩张段；

3、所述出口型线的构建方法为：通过所述气膜孔轴线与所述热端固体壁的外表面的切面相交获得交点o1，在距o1流向距离l12处标记点o2，以点o2为中点，绘制半长轴分别为a1,a2，半短轴分别为b1,b2的两个同心椭圆，通过a1和b1绘制大椭圆，a2和b2绘制小椭圆；以直线o1、o2为对称轴，绘制间距为w的两条流向辅助线，w为所述气膜孔的横向出口宽度；大椭圆分别与两辅助线倒圆，倒圆半径为r6，形成c型上游椭圆段和c型上游倒圆段，小椭圆分别与两辅助线倒圆，倒圆半径为r7，形成c型下游倒圆段和c型下游椭圆段，所述出口型线呈c型。

4、优选的，所述圆柱段的直径d取值范围为：0.4mm≤d≤1.0mm。

5、优选的，所述扩张段的长度占所述气膜孔总长度的比值为：0<le/l≤1。

6、优选的，所述气膜孔的流向倾角α的取值范围为：30度≤α≤90度，所述扩张段的展向倾角取值范围为：30度≤展向倾角≤150度。

7、优选的，所述气膜孔与相邻所述气膜孔之间的横向孔间距p与所述圆柱段直径d的比值不小于3。

8、优选的，所述圆柱段与所述扩张段同轴设置。

9、优选的，处于同一侧的所述c型上游倒圆段和所述c型下游倒圆段相切。

10、优选的，半长轴：a1>a2，半短轴：b1>b2。

11、本发明公开了以下技术效果：

12、1、本发明通过控制出口型线的方法直接在孔内构建出分支结构以诱导反肾涡的形成，从而更便利地调整气膜孔形状；同时，通过调整出口型线以改变扩张段的方法可使得气膜孔的结构更丰富，具有更大的结构优化样本空间。

13、2、本发明提供的气膜孔融合了收敛缝形孔的特点，即可调整出口型线的流向宽度使得孔型沿流向收缩，以抑制孔内流动分离，减小气动损失。

14、3、本发明提供的气膜孔可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热端部件的c型气膜孔冷却结构，其特征在于：包括开设在热端固体壁(10)上的若干个气膜孔，所述气膜孔倾斜开设，所述气膜孔包括圆柱段(4)，所述圆柱段(4)的一端连通有扩张段(2)，所述圆柱段(4)远离所述扩张段(2)的一端设置有冷气入口，所述扩张段(2)远离所述圆柱段(4)的一端设置有出口型线(1)，所述出口型线(1)为c型的冷气出口，所述扩张段(2)朝向所述圆柱段(4)的一端设置有入口型线(3)，通过直纹面连接所述出口型线(1)与所述入口型线(3)构成c型的所述扩张段(2)；

2.根据权利要求1所述的应用于燃气轮机热端部件的c型气膜孔冷却结构，其特征在于：所述圆柱段(4)的直径d取值范围为：0.4mm≤d≤1.0mm。

3.根据权利要求1所述的应用于燃气轮机热端部件的c型气膜孔冷却结构，其特征在于：所述扩张段(2)的长度占所述气膜孔总长度的比值为：0<le/l≤1。

4.根据权利要求1所述的应用于燃气轮机热端部件的c型气膜孔冷却结构，其特征在于：所述气膜孔的流向倾角α的取值范围为：30度≤α≤90度，所述扩张段(2)的展向倾角取值范围为：30度≤展向倾角≤150度。

5.根据权利要求1所述的应用于燃气轮机热端部件的c型气膜孔冷却结构，其特征在于：所述气膜孔与相邻所述气膜孔之间的横向孔间距p与所述圆柱段(4)直径d的比值不小于3。

6.根据权利要求1所述的应用于燃气轮机热端部件的c型气膜孔冷却结构，其特征在于：所述圆柱段(4)与所述扩张段(2)同轴设置。

7.根据权利要求1所述的应用于燃气轮机热端部件的c型气膜孔冷却结构，其特征在于：处于同一侧的所述c型上游倒圆段(6)和所述c型下游倒圆段(7)相切。

8.根据权利要求1所述的应用于燃气轮机热端部件的c型气膜孔冷却结构，其特征在于：半长轴：a1>a2，半短轴：b1>b2。

技术总结本发明涉及燃气轮机热端部件的传热与冷却技术领域，特别是涉及一种应用于燃气轮机热端部件的C型气膜孔冷却结构，包括开设在热端固体壁上的若干个气膜孔，气膜孔倾斜开设，气膜孔包括圆柱段，圆柱段的一端连通有扩张段，圆柱段远离扩张段的一端设置有冷气入口，扩张段远离圆柱段的一端设置有出口型线，出口型线为C型的冷气出口，扩张段朝向圆柱段的一端设置有入口型线，通过直纹面连接出口型线与入口型线构成C型的扩张段。本发明的气膜孔能够有效继承分叉孔和收敛缝形孔的优点，可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，同时可抑制孔内的流动分离，减小流动损失。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：2024/7/9