CN105840315A - 一种应用于气膜冷却技术的旋流冷气腔结构 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种应用于气膜冷却技术的旋流冷气腔结构，包括冷气导流段、漩涡发生段、圆柱气膜孔，冷气导流段和漩涡发生段相连，圆柱气膜孔安装在漩涡发生段上，冷气导流段为长方体结构，漩涡发生体为一侧具有倒圆角的长方体结构，圆柱气膜孔为圆柱体结构；漩涡发生段的倒圆角半径为R，圆柱气膜孔的直径为D，冷气导流段和漩涡发生段的高度之和为L2，冷气导流段截面的长为L4，冷气导流段截面的宽为W2，圆柱气膜孔与漩涡发生段相接触处到漩涡发生段三个边的垂直距离均为W1，W2/L4的值在1～4之间，L2的值在2～5倍D之间，R的值在0.5～1.0倍D之间，W1的值在0.1～0.5倍D之间。本发明既能保证冷却效果又能克服加工制造和结构强度困难。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种燃气涡轮发动机，具体地说是离散气膜圆柱冷却孔加旋流冷气腔组合结构。
背景技术
现代燃气涡轮发动机的工作温度已经远远超过金属材料的可承受温度。气膜冷却作为一种高效的先进冷却方式，被广泛应用于燃气轮机和航空发动机的高温部件冷却。在燃气涡轮发动机中，气膜冷却是将从压气机相应级中抽出的压缩的冷却气体从一个或者多个离散孔中喷射，在壁面形成一层气体薄膜以保护壁面不被高温气体烧蚀，而气膜冷却效率的高低直接影响到所需压缩空气量的多少，从而影响到燃气涡轮机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被高温气体吹离，同时扩大冷却气体在壁面的覆盖面积，特别是扩大冷气的横向覆盖范围；因此，冷气喷射后与高温主流所形成的流场结构尤为重要。
近年来，为了提高气膜冷却效率，国内外研究者在孔型和组合孔两个方向陆续提出了多种新颖的冷却方式。比如，扩张孔、元宝孔、姊妹孔、双射流孔、沟槽孔、圆锥孔等。然而这些孔存在着加工制造和结构强度等方面的困难，上诉孔型在工程中并没有得到广泛的应用。气膜冷却最常用的冷却孔是圆柱孔，圆柱孔具有结构简单、不影响叶片强度、加工容易等优点，因此在工程中得到了广泛的应用，但随着涡轮进口温度的提高，圆柱孔气膜冷却效率偏低、冷气覆盖面积小、不适于高吹风比等劣势越来越明显。
发明内容
本发明的目的在于提供既能保证冷却效果又能克服加工制造和结构强度困难的一种应用于气膜冷却技术的旋流冷气腔结构。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种应用于气膜冷却技术的旋流冷气腔结构，其特征是：包括冷气导流段、漩涡发生段、圆柱气膜孔，冷气导流段和漩涡发生段相连，圆柱气膜孔安装在漩涡发生段上，冷气导流段为长方体结构，漩涡发生体为一侧具有倒圆角的长方体结构，圆柱气膜孔为圆柱体结构；漩涡发生段的倒圆角半径为R，圆柱气膜孔的直径为D，冷气导流段和漩涡发生段的高度之和为L2，冷气导流段截面的长为L4，冷气导流段截面的宽为W2，圆柱气膜孔与漩涡发生段相接触处到漩涡发生段三个边的垂直距离均为W1，W2/L4的值在1～4之间，L2的值在2～5倍D之间，R的值在0.5～1.0倍D之间，W1的值在0.1～0.5倍D之间。
本发明的优势在于：1、该结构采用了在制造和结构强度方面占据绝对优势的圆柱形气膜孔，对冷气进气结构进行改造，气膜孔加工工艺性和结构强度好。2、冷气经过漩涡发生段在气膜孔内形成单向漩涡，增加气膜孔内换热系数。3、冷却气体喷射后气膜横向覆盖宽，横向平均气膜冷却效率高。4、在高吹风比条件下，在采用圆形气膜孔的基础上，一部分冷却气体不被吹离开，冷却气流完全覆盖壁面。
附图说明
图1为本发明的三维示意图；
图2为本发明的主视图；
图3为本发明的左视图；
图4为本发明的仰视图；
图5为本发明应用于平板气膜冷却的示意图；
图6为用于平板气膜冷却的研究结果及与相同工况下传统结构对比的结果。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1～6，本发明一种应用于气膜冷却技术的旋流冷气腔结构，该结构包括冷气导流段，漩涡发生段和圆柱气膜孔，具体为：冷气导流段入口横截面呈长方形，整体呈长方体；漩涡发生段连接冷气导流段和圆柱气膜孔，整体呈现一长方体且在冷气进口外边缘处有一圆弧倒角；圆柱气膜孔连接到漩涡发生段，并在气膜孔内形成单向漩涡，单向漩涡有利于冷却气流向横向扩张且冷却气体能够更好的贴附壁面。
本发明冷气导流段横截面长宽比W2/L4是在1～4之间；漩涡发生段处的倒圆角半径R是在0.8～1.2倍圆柱气膜孔直径D之间，宽高L5、L3的选取与射流角和圆柱气膜孔直径D相关；圆柱气膜孔和漩涡发生段与之接触处之间的三边垂直宽度W1是在0.1～0.2倍圆柱气膜孔直径D之间；漩涡发生器高度L2是在2～5倍气膜孔直径D之间；使用中该结构射流角α范围是在20°～60°度之间。
本发明基本单元结构如图1所示：包括冷气导流段1，漩涡发生段2和圆柱气膜孔3；结合图2、3和4，冷气导流段整体为一长方体，截面长宽之比L4/W2可以根据工程应用中调整，大致范围是在1～4之间；漩涡发生段为一长方体，长度较冷却导流装置长L5，其值根据圆柱气膜孔直径D确定，取值范围为1.1倍气膜孔直径D左右；漩涡发生段靠近冷气导流段外侧一边有倒圆角，倒圆角的半径在0.5～1.0倍圆柱气膜孔直径D之间。圆柱气膜孔与漩涡发生段与之接触处到三边的垂直距离W1是一致的，取值范围为0.1～0.5倍圆柱气膜孔直径D之间。整个结构的高度L2具体根据工程中实际需求，取值范围为2～5倍圆柱气膜孔直径D之间；使用该结构圆柱气膜孔与冷却壁面之间的夹角，即射流角α一般取为20°～60°之间。图中其它参数根据气膜孔直径D和射流角α可以确定。
图5是本发明在平板气膜冷却上的应用实例，应用实例中该气膜孔的射流α为25°。冷却气体4流经本发明冷气导流段、漩涡产生段，最后经圆柱气膜孔喷射出，在冷却壁面5表面形成气膜覆盖，同时与高温主流6相互掺混而横向扩张。气膜覆盖效果直接取决于冷气流经气膜孔后的射流形态及下游气膜区的流场结构。本发明中冷气在圆柱气膜孔内形成单向漩涡，能够增大气膜孔内传热系数，且从圆柱气膜孔喷出的冷却气流在单向漩涡的影响下能够向横向扩张，从而增大冷气横向覆盖范围，一部分冷气不易被吹离，从而整体提高气膜冷却效率。该发明中，影响气膜冷却性能的关键是单向漩涡的强度，漩涡强度越强冷却效果越好，因此漩涡发生器的结构参数直接影响到该发明的冷却效果。
图6是本发明应用于平板气膜冷却研究结果，研究工况为吹风比分别为1.5和2.0，研究过程中同时与传统结构在相同工况条件下进行比较。曲线7和曲线8分别为本发明在吹风比为1.5和2.0下游横向距离为3D的条件下横向平均气膜冷却效率，曲线9和曲线10分别为传统结构在吹风比为1.5和2.0下游横向距离为3D条件下横向平均气膜冷却效率。对比本发明的横向平均气膜冷却效率和传统结构横向平均气膜冷却效率，结果表面在吹风比分别为1.5和2.0条件下，本发明的横向气膜冷却效率较传统结构有显著的提高，效果十分明显；对比两种工况，本发明在高吹风比下横向平均冷却效果更好。
Claims (1)
1.一种应用于气膜冷却技术的旋流冷气腔结构，其特征是：包括冷气导流段、漩涡发生段、圆柱气膜孔，冷气导流段和漩涡发生段相连，圆柱气膜孔安装在漩涡发生段上，冷气导流段为长方体结构，漩涡发生体为一侧具有倒圆角的长方体结构，圆柱气膜孔为圆柱体结构；漩涡发生段的倒圆角半径为R，圆柱气膜孔的直径为D，冷气导流段和漩涡发生段的高度之和为L2，冷气导流段截面的长为L4，冷气导流段截面的宽为W2，圆柱气膜孔与漩涡发生段相接触处到漩涡发生段三个边的垂直距离均为W1，W2/L4的值在1～4之间，L2的值在2～5倍D之间，R的值在0.5～1.0倍D之间，W1的值在0.1～0.5倍D之间。
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