CN107701240B - 一种气冷涡轮的分支气膜孔结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气冷涡轮的分支气膜孔结构，适用于燃气涡轮发动机热端部件冷却的气膜冷却，包括设置在被冷却壁面上的若干个分支气膜孔单元，所述分支气膜孔单元由一个主孔通路和一个从主孔中部斜侧向伸出的分支孔通路构成。主孔通路和分支孔通路与主流流向呈相反的展向夹角，两支冷气射流在主流卷吸和相互干涉作用下会形成反肾形涡对，该涡系结构有利于扩大冷气的横向覆盖面积，并可有效的防止热气从冷气膜两侧卷入下方，提高冷气膜的附着能力，提高气膜冷却的效果。本发明具有比圆柱形孔更高的气膜冷却效率，在高吹风比条件下优势更加明显。本发明的主要结构均为圆柱形，加工工艺简单，具备较高的工程实用价值。

Description

一种气冷涡轮的分支气膜孔结构

技术领域

本发明属于燃烧室、涡轮等高温部件的冷却领域，涉及一种气膜孔结构，尤其涉及一种气冷涡轮的分支气膜孔结构，主要应用于燃气轮机的燃烧室、涡轮等高温部件的冷却。

背景技术

现代燃气涡轮发动机工作温度不断提高，对其热端部件的材料耐热性提出了极高的要求，然而仅靠提高材料耐热性已经不能满足需求，，目前还普遍在燃烧室、涡轮、机匣等高温部件设置气膜冷却结构，气膜冷却从压气机端抽取高压冷气，通过内部流道输送至热端部件内(如燃烧室、涡轮叶片、机匣等)，并由热端部件表面的气膜孔喷出，冷气在高温主流作用下形成冷气膜贴附在热端部件的壁面附近，可以隔绝主流热气并带走部分辐射热量，从而降低热端部件壁面的温度，避免高温气流对热端部件壁面的破坏。

传统的气膜冷却多采用简单的圆柱形气膜孔，圆柱形气膜孔加工简单，成本低，但是圆柱形气膜孔形成的冷气射流在主流热气的作用下会形成肾形涡对。如图1所示，1为圆柱形气膜孔冷气射流的涡核，图中注明了涡的旋转方向，2为主流热气，肾形涡对会将主流热气从冷气膜的两侧卷入下方(箭头方向3)，从而导致冷气膜与被冷却壁面的分离，使得下游壁面失去冷气的保护，对冷却效果是非常不利的。

要解决上述问题，一种方法是改变气膜孔的形状，采用如扇形孔，箭形孔，扩张孔等非等截面的成型孔，从而减小冷气出口流速，可以有效削弱肾形涡对的强度甚至改变涡系的形态，提高冷气膜的附着能力，从而获得比圆柱形气膜孔更好的冷却效果。但是非等截面的成型孔几何结构复杂，加工工艺复杂，耗费工时与加工成本远高于圆柱形气膜孔。

另一种方法是以圆柱形气膜孔为基础，采用多个孔的组合布置，利用多股冷气流的相互干涉，削弱有害的肾形涡对结构，达到提升气膜冷却效果的目的，这种方法成本较低，具有较高的工程应用价值，但是其冷气膜向展向扩散的能力、冷气膜的整体覆盖率仍有待提升。例如中国专利申请CN201710454453.5公开了一种树杈型气膜孔结构，在主气膜孔上游和左右两侧各增加一个分气膜孔，采用的仍是简单圆柱孔，加工难度与传统的圆柱形气膜孔无异，气膜冷却效果得到提升。然而，该树杈型气膜孔结构的不足之处在于，冷气气膜横向扩散能力不足，导致冷气覆盖面积较小，冷气利用率有待进一步提升，此外，树杈型气膜孔结构在进行布置时受限于其树杈型特殊结构，只能按照非交错的方式进行布置。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和不足，本发明提出了一种气冷涡轮的分支气膜孔结构，是一种一个冷气入口、两个冷气出口的圆柱孔组合布置方式的气膜孔结构，利用主孔与分支孔流出的冷气在主流卷吸和相互干涉作用下，形成由内向下再向外侧旋转的反肾型涡对，可以有效防止主流热气从冷气膜两侧侵入冷气膜下方，防止冷气膜的吹离，此外，主孔与分支孔与主流方向呈一定夹角，这使得冷气膜具有较强的向展向扩散的能力，可以增加冷气膜的覆盖面积，显著提升整体气膜覆盖率，同时，主孔与分支孔均采用圆柱形孔，加工难度和成本与传统的圆柱形气膜孔相当，经济性与工程实用性强。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种气冷涡轮的分支气膜孔结构，包括设置在被冷却壁面上的若干个分支气膜孔单元，其特征在于，所述分支气膜孔单元包括一主孔通路和一分支孔通路，所述主孔通路和分支孔通路的布置整体呈y形，其中，

--所述主孔通路一端为与冷气通道连通的主孔冷气入口，另一端为设置在被冷却壁面上的主孔冷气出口，所述主孔冷气入口位于所述主孔通路与冷气通道的交界处，所述主孔冷气出口位于所述主孔通路与被冷却壁面的交界处；

--所述分支孔通路从主孔通路的中部斜侧向引出，所述分支孔通路的一端为分支孔冷气入口，另一端为设置在被冷却壁面上的分支孔冷气出口，所述分支孔冷气入口与所述主孔通路的中部连通，所述分支孔冷气出口位于所述分支孔通路与被冷却壁面的交界处；

--所述主孔通路在X-Y平面的轴线投影与流向的夹角为α₁，所述分支孔通路在X-Y平面的轴线投影与流向的夹角为α₂，α₂与α₁偏向相反。

其中，X，Y，Z三个坐标轴分别代表流向，侧向展开方向，垂直于被冷却壁面方向。

本发明的气冷涡轮的分支气膜孔结构中，主孔通路和分支孔通路与主流流向呈相反的展向夹角，两支冷气射流在主流卷吸和相互干涉作用下会形成反肾形涡对，该涡系结构有利于扩大冷气的横向覆盖面积，并可有效的防止热气从冷气膜两侧卷入下方，提高冷气膜的附着能力，提高气膜冷却的效果。

优选地，所述主孔通路的直径为D₁，所述主孔通路在Y-Z平面的轴线投影与被冷却壁面的夹角为β₁，取值范围为25度～45度，所述主孔通路在X-Y平面的轴线投影与流向的夹角α₁取值范围为20度到45度。

优选地，所述分支孔通路的直径为D₂，所述分支孔通路在Y-Z平面的轴线投影与被冷却壁面的夹角β₂，取值范围为25度～45度，所述分支孔通路在X-Y平面的轴线投影与流向的夹角α₂，取值范围为20度到45度。

优选地，在X-Y平面上，所述分支孔通路的分支点距离所述主孔冷气出口的距离为L，该距离与主孔通路的孔径D₁之比L/D₁取值范围为2.5～15。

优选地，所述主孔通路与分支孔通路均采用圆柱形几何结构，除去所述主孔通路和分支孔通路交界附近处以外，其各处横截面均为圆形，所述分支孔与主孔孔径之比D₂/D₁取值范围为0.5～2。

优选的，所述主孔冷气出口中点与分支孔冷气出口中点的展向距离dX，流向距离为dY，dX与dY二值由前述α₁、β₁、α₂、β₂、L等参数决定。

进一步地，所述主孔冷气出口中点与分支孔冷气出口中点的展向距离dX，流向距离为dY，按照如下方式设置：

进一步的，本发明采用多个单元的非交错布置方案时，各单元展向间距较大，冷气射流的干涉主要发生在本单元的主孔射流和分支孔射流之间，直到下游随着冷气膜的展向扩张，各单元冷气才发生相互干涉。

进一步的，本发明采用多个单元的交错布置方案时，各单元展向间距较小，分支孔射流会与相邻的主孔射流发生干涉。

同现有技术相比，本发明的气冷涡轮的分支气膜孔结构具有显著的技术效果：(1)本发明的主孔与分支孔均与主流热气呈一夹角，主孔与分支孔流出的冷气在主流卷吸和相互干涉作用下，冷气在此流场的作用下，会向流向两侧扩展，形成由内向下再向外侧旋转的反肾型涡对，这种流场结构可以扩大冷气的覆盖面积，并抑制冷气的抬升，避免冷气与壁面的分离，有效的防止主流热气从冷气膜两侧侵入冷气膜下方，防止冷气膜的吹离；(2)主孔与分支孔与主流方向呈一定夹角，这使得冷气膜具有较强的向展向扩散的能力，可以增加冷气膜的覆盖面积，显著提升整体气膜覆盖率；(3)主孔与分支孔均采用圆柱形孔，加工难度和成本与传统的圆柱形气膜孔相当，经济性与工程实用性强。

附图说明

图1为现有圆柱形孔冷气膜的肾形涡对流场结构示意图(Y-Z方向)；

图2为本发明的气冷涡轮的分支气膜孔结构示意图；

图3为本发明的气冷涡轮的分支气膜孔的几何结构坐标系示意图；

图4为本发明的俯视图(X-Y方向)；

图5为本发明的侧视图(Y-Z方向)；

图6为本发明冷气膜的反肾形涡对流场结构示意图(Y-Z方向)；

图7为本发明的多个单元的非交错布置方案俯视图(X-Y方向)；

图8为本发明的多个单元的交错布置方案俯视图(X-Y方向)。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施范例，并不因此而限定本发明的保护范围。

除非另外限定，文中所用的技术和科学用语均具有本发明所属领域的普通技术人员通常理解到的相同含义。如果公开了范围，则涉及相同构件或性质的所有范围的端点都为包含性的，且可独立地相结合。结合数量使用的修饰语“大约”包含声称值，且具有上下文所指示的含义(例如，包括与具体数量的测量相关的误差程度)。

图2、4、5示出了本发明的气冷涡轮的分支气膜孔几何结构的基本单元，任何实施方案中至少包含一个基本单元，具体布置方式应根据需要调整。如图2所示，本发明的气冷涡轮的分支气膜孔结构，包括一个主孔通路10和一个分支孔通路20，主孔通路10和分支孔通路20均为圆柱形孔，主孔通路10的一端为与冷气通道(图中未示出)连通的主孔冷气入口01，另一端为设置在被冷却壁面上的主孔冷气出口02，主孔冷气入口01位于主孔通路10与冷气通道的交界处，主孔冷气出口02位于主孔通路10与被冷却壁面的交界处；分支孔通路20从主孔通路10的中部引出，分支孔通路20的一端为分支孔冷气入口，另一端为设置在被冷却壁面上的分支孔冷气出口03，分支孔冷气入口与主孔通路10的中部连通，分支孔冷气出口03位于分支孔通路20与被冷却壁面的交界处。工作时，冷却气流从主孔冷气入口01流入主孔通路10，分作两支分别从主孔冷气出口02和分支孔冷气出口03流出，主孔通路10和分支孔通路20的布置整体呈y形。

图3示出了分支气膜孔结构的几何坐标系，图中X，Y，Z三个坐标轴分别代表主流气流方向(简称流向，对应图2中04)，侧向展开方向(简称展向)，垂直于被冷却壁面方向(简称法向)。图中100为气膜孔轴线，200为气膜孔轴线在X-Y平面上的投影，该投影与X轴的夹角在下文中表示为α，300为气膜孔轴在Y-Z平面上的投影，该投影与Y轴的夹角在下文中表示为β。

图4与图5分别列出了分支气膜孔结构基本单元的几何结构参数：主孔通路10的直径为D₁，主孔通路10轴线投影与被冷却壁面的夹角β₁取值范围为25度～45度，主孔通路10轴线投影与流向的夹角α₁取值范围为20度到45度。分支孔通路20的直径为D₂，主孔通路10与分支孔通路20的孔径之比D₁/D₂取值范围为0.5～2，分支孔通路20轴线投影与被冷却壁面的夹角β₂取值范围为25度～45度，分支孔通路20轴线投影与流向的夹角α₂与α₁偏向相反，取值范围为20度到45度。并且，分支孔通路20的分支点距离支孔冷气出口03的距离为L，该距离与主孔通路10的孔径之比L/D₁取值范围为2.5～15。

如图6所示，通过在被冷却壁面上设置本发明的气冷涡轮的分支气膜孔结构，由于主孔通路10与分支孔通路20流出的冷气在主流卷吸和相互干涉作用下，会形成由内向下再向外侧旋转的反肾型涡对1，可以有效的防止主流热气2从冷气膜两侧侵入冷气膜下方，防止冷气膜的吹离。此外，主孔通路与分支孔通路与主流方向呈一定夹角，这使得冷气膜具有较强的向展向扩散的能力，可以增加冷气膜的覆盖面积，显著提升整体气膜覆盖率。

图7为多个基本单元的非交错布置方案俯视图，图中箭头方向为流向，各单元沿展向均布，间距相对较大，在临近出口处，干涉主要发生在同一单元的主孔与分支孔射流之间，各单元之间的流动干涉较弱，但在下游随着冷气膜的展向扩张，各单元冷气气流开始相互干涉并将冷气膜连为一体。

图8为多个基本单元的交错布置方案俯视图，图中箭头方向为流向，各单元沿展向均布，通过调整几何结构参数，并采用较小的单元间距，可以使得各单元分支孔出口与相邻的主孔出口呈前后交错布置。通过交错布置，分支孔冷气射流将与相邻主孔冷气射流形成干涉。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (4)

1.一种气冷涡轮的分支气膜孔结构，包括设置在被冷却壁面上的若干个分支气膜孔单元，其特征在于，所述分支气膜孔单元包括一主孔通路与一分支孔通路，所述主孔通路和分支孔通路的布置整体呈y形，其中，

--所述主孔通路一端为与冷气通道连通的主孔冷气入口，另一端为设置在被冷却壁面上的主孔冷气出口，所述主孔冷气入口位于所述主孔通路与冷气通道的交界处，所述主孔冷气出口位于所述主孔通路与被冷却壁面的交界处；

--所述分支孔通路从主孔通路的中部斜侧向引出，所述分支孔通路的一端为分支孔冷气入口，另一端为设置在被冷却壁面上的分支孔冷气出口，所述分支孔冷气入口与所述主孔通路的中部连通，所述分支孔冷气出口位于所述分支孔通路与被冷却壁面的交界处；

--所述主孔通路在X-Y平面的轴线投影与流向的夹角为α₁，所述分支孔通路在X-Y平面的轴线投影与流向的夹角为α₂，α₂与α₁偏向相反；

所述主孔通路的直径为D₁，所述主孔通路在Y-Z平面的轴线投影与被冷却壁面的夹角为β₁，取值范围为25度～45度，所述主孔通路在X-Y平面的轴线投影与流向的夹角α₁，取值范围为20度到45度；

所述分支孔通路的直径为D₂，所述分支孔通路在Y-Z平面的轴线投影与被冷却壁面的夹角为β₂，取值范围为25度～45度，所述分支孔通路在X-Y平面的轴线投影与流向的夹角α₂，取值范围为20度到45度；

在X-Y平面上，所述分支孔通路的分支点距离所述主孔冷气出口的距离为L，该距离与所述主孔通路的孔径D₁之比L/D₁取值范围为2.5～15；

其中，X，Y，Z三个坐标轴分别代表流向，侧向展开方向，垂直于被冷却壁面方向。

2.根据权利要求1的气冷涡轮的分支气膜孔结构，其特征在于，所述主孔通路与分支孔通路均采用圆柱形几何结构，除去主孔通路和分支孔通路交界附近处以外，其余各处横截面均为圆形，所述分支孔通路的孔径D₂与主孔通路的孔径D₁之比D₂/D₁取值范围为0.5～2。

3.根据权利要求1所述的气冷涡轮的分支气膜孔结构，其特征在于，所述若干个分支气膜孔单元非交错布置。

4.根据权利要求1所述的气冷涡轮的分支气膜孔结构，其特征在于，所述若干个分支气膜孔单元交错布置。