CN103437889A - 一种用于燃气涡轮发动机冷却的分支气膜孔结构 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃气涡轮发动机冷却的分支气膜孔结构，应用于燃气涡轮发动机的燃烧室、透平等高温部件的冷却。该分支气膜孔成排等间距布置，每个分支气膜孔包括主孔、第一分支孔、第二分支孔结构，各孔均为圆形截面直孔。单元中的两个分支孔在同一位置与主孔连接；第一分支孔与第二分支孔的流向位置一前一后，使每个分支气膜孔的第一分支孔与相邻分支气膜孔的第二分支孔形成相互干涉。该分支气膜孔通过分支孔增加了出口面积，增大了气膜冷却覆盖范围；通过相邻分支气膜孔的分支孔之间的相互干涉，构建出有利于气膜冷却覆盖的流场结构，使得冷却流体在壁面具有更好的覆盖效果。

Description

一种用于燃气涡轮发动机冷却的分支气膜孔结构
技术领域
本发明涉及燃气涡轮发动机，具体包括发电用重型燃气轮机、航空发动机及舰船燃气轮机等，是一种离散孔气膜冷却（注：也称为薄膜冷却）的新型孔结构，可提高燃气涡轮发动机涡轮、燃烧室等高温部件的气膜冷却效率，适用于所有离散孔形式的气膜冷却。
背景技术
现代燃气涡轮发动机的工作温度均已超过金属材料的可承受温度。气膜冷却作为一种高效的冷却方式，被广泛应用于重型燃气轮机、航空发动机及舰船燃气轮机的高温部件冷却。气膜冷却是冷却气体从一个或者多个离散孔中射流，在壁面形成一层气体薄膜以保护壁面不被高温气体烧蚀。在燃气涡轮发动机中，用于冷却的空气一般是从压气机相应级中抽出的压缩空气，气膜冷却效率的高低直接关系到压缩空气量的大小，从而影响整机的运行效率和性能。气膜冷却是由对流主导的两股不同温度流体相互掺混及与冷却壁面的对流换热问题，而提高气膜冷却效率的关键是限制冷气从气膜孔喷射出后与冷却壁面发生吹离，同时扩大冷却气体在壁面的覆盖面积，特别是扩大冷气的侧向覆盖范围；因此，冷气喷射后与高温主流所形成的流场结构尤为重要。传统的圆形截面气膜孔在气膜冷却流场中形成了肾形涡对，该涡系结构将高温主流从两侧卷入冷气射流底下，使得冷气与冷却壁面发生吹离，导致冷却效果的恶化；而非等截面的成型气膜孔扩大了孔出口的面积，减小了冷气的出口射流动量，从而削弱了肾形涡的产生，另外由于出口面积扩大而增加了冷气的侧向覆盖范围，从而获得了相对于圆柱孔更有的气膜冷却效果，但成型孔的加工成本明显高于圆孔。因此，以圆形截面气膜孔为基础，通过圆孔的组合布置来改善气膜冷却效果具有较高的工程应用价值。
中国专利文献（CN201110020609.1）公开了一种气冷涡轮的双射流孔冷却结构，该技术方案是将圆形截面气膜孔成对布置，利用两者形成的相互干涉改善气膜冷却效果，其在高吹风比条件下的冷却效果明显优于单排圆孔结构，但其缺点在于孔数加倍导致冷却空气消耗量较大。中国专利文献（CN201010131826.3公开了一种带抑涡支孔结构的新型气膜孔（主孔+抑涡支孔结构），该气膜孔通过对称的分支孔产生的二次气流抑制主孔气流的肾形涡、改善了高吹风比下主孔气流的冷却效果，但研究表明其在高吹风比下的冷却覆盖效果仍弱于双射流孔结构。
发明内容
本发明的目的是公开一种用于燃气涡轮发动机冷却的分支气膜孔结构，以提高燃气涡轮发动机的气膜冷却效率。
本发明的技术方案如下：
一种用于燃气涡轮发动机冷却的分支气膜孔结构，分支气膜孔成排等间距布置，每个分支气膜孔包括主孔、第一分支孔和第二分支孔，所述主孔、第一分支孔和第二分支孔的截面为圆形，两个分支孔在同一位置与主孔连接，主孔出口位于第一分支孔出口与第二分支孔出口之间；其特征在于：每个分支气膜孔的第二分支孔出口位于第一分支孔出口的流向后方或前方；
设主孔的直径为D，第一分支孔出口与主孔出口的侧向距离为Y1，第二分支孔出口与主孔出口(5)的侧向距离为Y2，每两个相邻分支气膜孔的主孔入口的距离为P，主孔总长度为L0，主孔进口到分叉位置的长度为L1，第一分支孔出口与主孔出口的流向距离X1，第二分支孔出口与主孔出口的流向距离为X2，主孔射流角为γ，
则：|Y1+Y2-P|<2.0D，使每个分支气膜孔的第一分支孔出口与相邻分支气膜孔的第二分支孔出口形成相互干涉。
本发明的技术特征还在于：第一分支孔出口与主孔出口的流向距离X1、第二分支孔出口与主孔出口的流向距离X2和主孔的直径D之间满足关系式：1.5D<|X1-X2|<3.5D；第一分支孔出口与主孔出口的侧向距离Y1、第二分支孔出口与主孔出口(5)的侧向距离Y2、每两个相邻分支气膜孔的中心距离P和主孔的直径D之间满足关系式：0<Y1+Y2-P<1.0D。
本发明的另一技术特征是：所述主孔射流角γ在15°～45°之间；主孔进口到分叉位置的长度L1与主孔总长度L0的比值δ在0.05～0.4之间。
本发明的气膜冷却孔结构的优点在于：该新型冷却孔保留了传统圆形截面气膜冷却孔的加工成本低的优点，相比普通圆形截面气膜孔，新型孔的孔间距更大，冷却相同表面积需要的冷气量更小；通过分支孔增加了出口面积，增大了气膜冷却覆盖范围，在同样面积上取得相同冷却效果所需要的冷气量明显小于双射流气膜孔结构；通过相邻气膜孔的分支孔之间的相互干涉，构建出有利于气膜冷却覆盖的流场结构，使得冷却流体在壁面具有更好的覆盖，冷却效果好于带对称分叉抑涡支孔的气膜孔结构。
附图说明
图1为本发明的分支气膜冷却孔结构的通流部分的三维示意图。
图2为本发明的新型分支气膜孔的通流部分的俯视图。
图3为本发明的新型分支气膜孔的通流部分的前视图。
图4为本发明的新型分支气膜冷却孔应用于平板气膜冷却的结构示意图。
图中：1-主孔入口；2-分叉位置；3-第一分支孔出口；4-第二分支孔出口；5-主孔出口；6–被冷却壁面；7-冷却气体；8-高温主流气体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构、原理和性能进行说明：
本发明为一种用于燃气涡轮发动机冷却的分支气膜孔结构，其通流部分的基本几何特征如图1、图2与图3所示。该分支气膜冷却的基本几何结构包括主孔入口1、分叉位置2、第一分支孔3、第二分支孔4和主孔出口5；分支气膜孔成排布置组成气膜孔排结构；主孔是圆形截面直孔；第一分支孔出口3和第二分支孔出口4分别通过圆形截面直孔连接至气膜孔分叉位置2；主孔出口5、第一分支孔出口3和第二分支孔出口4位于同一表面（被冷却表面，可为平面或曲面）上；主孔出口5的侧向位置位于第一分支孔出口3与第二分支孔出口4之间。
该分支气膜孔结构每排孔的单元个数n大于等于2，主孔进口1到分叉位置2的长度L1与主孔总长度L0的比值δ在0至1之间；第一分支孔出口3与主孔出口5的流向距离X1、第二分支孔出口4与主孔出口5的流向距离X2和主孔的直径D之间应满足关系0<|X1-X2|<5D，即第一分支孔出口3位于第二分支孔出口4的流向前方或后方；第一分支孔出口3与主孔出口5的侧向距离Y1、第二分支孔出口4与主孔出口5的侧向距离Y2和每两个相邻分支气膜孔的中心距离为P以及主孔的直径D之间应满足关系：|Y1+Y2-P|<2.0D，使得每个分支气膜孔的第一分支孔出口3与相邻分支气膜孔的第二分支孔出口4形成相互干涉。
主孔射流角γ、第一分支孔出口3的位置参数X1与Y1、第二分支孔出口4的位置参数X2与Y2是本发明的气膜冷却孔的主要特征参数，也是影响其气膜冷却性能的关键参数。研究表明，主孔射流角γ的最优取值在15°到45°之间；主孔进口1到分叉位置2的长度L1与主孔总长度L0的比值δ的最佳取值在0.05至0.4之间；第一分支孔出口3与主孔出口5的流向距离X1、第二分支孔出口4与主孔出口5的流向距离X2和主孔的直径D之间满足关系：1.5D<|X1-X2|<3.5D时气膜冷却效果较好；第一分支孔3出口与主孔出口5的侧向距离Y1、第二分支孔出口4与主孔出口5的侧向距离Y2和每两个相邻气膜孔的中心距离为P以及主孔的直径D之间应满足关系：0<Y1+Y2-P<1.0D时，气膜冷却效果较好。
图4是本发明的新型分支气膜孔结构在平板气膜冷却上的应用实例。冷却气体7流经本发明的分支气膜孔喷出，在被冷却壁面6表面形成气膜覆盖，同时与高温主流气体8相互掺混而最终耗散。气膜覆盖效果直接取决于冷气流经分支气膜孔后的射流形态及下游气膜区的流场结构。本发明的新型气膜冷却孔通过分支孔增加了出口面积，增大了气膜冷却覆盖范围；通过相邻气膜孔的分支孔之间的相互干涉，构建出有利于气膜冷却覆盖的流场结构，使得冷却流体在壁面具有更好的覆盖效果。

Claims (3)

1.一种用于燃气涡轮发动机冷却的分支气膜孔结构，分支气膜孔成排等间距布置，每个分支气膜孔包括主孔、第一分支孔和第二分支孔，所述主孔、第一分支孔和第二分支孔的截面为圆形，两个分支孔在同一位置与主孔连接，主孔出口(5)位于第一分支孔出口(3)与第二分支孔出口(4)之间；其特征在于：每个分支气膜孔的第二分支孔出口(4)位于第一分支孔出口(3)的流向后方或前方；
设主孔的直径为D，第一分支孔出口(3)与主孔出口(5)的侧向距离为Y1，第二分支孔出口(4)与主孔出口(5)的侧向距离为Y2，每两个相邻分支气膜孔的主孔入口(1)的距离为P，主孔总长度为L0，主孔进口(1)到分叉位置(2)的长度为L1，第一分支孔出口(3)与主孔出口(5)的流向距离X1，第二分支孔出口(4)与主孔出口(5)的流向距离为X2，主孔射流角为γ，
则：|Y1+Y2-P|<2.0D，使每个分支气膜孔的第一分支孔出口(3)与相邻分支气膜孔的第二分支孔出口(4)形成相互干涉。
2.根据权利要求1所述的一种用于燃气涡轮发动机冷却的分支气膜孔结构，其特征在于：第一分支孔出口(3)与主孔出口(5)的流向距离X1、第二分支孔出口(4)与主孔出口(5)的流向距离X2和主孔的直径D之间满足关系式：1.5D<|X1-X2|<3.5D；第一分支孔出口(3)与主孔出口(5)的侧向距离Y1、第二分支孔出口(4)与主孔出口(5)的侧向距离Y2、每两个相邻分支气膜孔的中心距离P和主孔的直径D之间满足关系式：0<Y1+Y2-P<1.0D。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于燃气涡轮发动机冷却的分支气膜孔结构，其特征在于：所述主孔射流角γ在15°～45°之间；主孔进口(1)到分叉位置(2)的长度L1与主孔总长度L0的比值δ在0.05～0.4之间。
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