CN111706409B - 一种带有支孔的波纹状气膜孔 - Google Patents

Abstract

一种带支孔的波纹形状气膜孔。其分为双波纹孔和单波纹孔；双波纹孔包括包括主孔和两个支孔；每个支孔由支孔前半段和支孔后半段构成；单波纹孔包括主孔和两个支孔后半段。本发明提供的带支孔的波纹形状气膜孔相比于圆柱孔能大大提升气膜冷却性能，相比国际先进的猫耳孔在低吹风比下实现冷却效果更好更稳定，高吹风比下较大提升冷却效果，使得气膜覆盖更加均衡和有效的同时，极大地简化了孔型结构复杂度，降低了加工难度以及增加了加工的容错度，为我国先进冷却技术的落地贡献力量。

Description

一种带有支孔的波纹状气膜孔

技术领域

本发明属于燃气涡轮动力装置中热端部件的气膜冷却技术领域，特别是涉及一种带有支孔的波纹状气膜孔。

背景技术

涡轮级入口温度的不断提高可以增大航空发动机的推重比和热效率。随着航空发动机对推重比等要求的不断提升，导致发动机涡轮前温度进一步的提升。目前，推重比为10的发动机涡轮前燃气温度约1940K，未来民航客机可能达到推重比15，涡轮前燃气温度为2150K左右，第五代战机发动机的推重比将高达15～20，涡轮前燃气温度为2100K～2300K。涡轮前燃气温度的不断提高，已经超过了材料能承受的极限，为使涡轮热端部件能够长期有效地工作，必须使用上先进的气膜冷却技术。

气膜冷却是典型的外部冷却技术，冷却工质一般引自压气机，经高温部件上的离散孔喷射出来，并覆盖在高温部件表面，由此将高温燃气与壁面隔开，减少换热，同时也对高温部件进行冷却，保证材料工作的温度为稳定可接受的状态。气膜冷却的效果受多种因素的影响，其中一个主要因素的就是气膜孔本身的结构特性，不同的气膜孔形状会极大地影响气膜的附壁性和冷却效果。中国专利文献(CN201711202938.1)中公开了一种单分支孔的孔结构；中国专利文献(CN201910190482.4)中公开了一种双分支孔优化的孔结构；中国专利文献(CN201710454453.5)中公开了一种三分支孔的孔结构；分支孔能增加气流出口总面积，减少射流动量，降低冷却气流与主流的掺混，因此可提高附壁性；随着分支孔的出现，良好的支孔结构能够优化气膜冷却的涡旋结构，使得冷却效果变得更好。由于分支孔在高温部件表面需要在较近的区域内加工出多个支孔，这对经受着高温高压的热端部件的结构强度提出了很高要求。近年来，支孔多采用和主孔整出的形式，这解决了结构上的压力，也同时保证了良好的冷却效果，缺点是结构会变得复杂。目前国际上先进的孔结构中猫耳孔的冷却效果尤为出色，猫耳孔结构(日本专利)在出口端借鉴了双射流孔结构，支孔采取了复合角，主孔使用圆柱孔并通过扩张段连接两部分，我国激光先进打孔方面的专家认为猫耳孔支孔的复合角度和出口特殊的横向导流结构，使得出口处形成微涡，下游冷气能够很好地紧贴壁面，吹风越强，贴附性越好，这是工程上所需要的。我国近几年也研究了多种带支孔的异形孔，包括元宝孔、心形孔等，和国外相比，国内的研究主要是仿真为主，很少进行复杂异形孔的试验验证，原因是设计出来的形状无法被合格地加工出来。专家同时指出，难以加工的深层原因之一是需要对高温合金复合结构实现三维加工，其中复杂的带支孔的异形孔对这方面的加工提出了极高的要求，尤其是需要实现复杂叶片的空间在线定位与校正等。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种带支孔的波纹状气膜孔。

为了达到上述目的，本发明提供的带支孔的波纹状气膜孔为双波纹孔包括主孔和两个支孔；每个支孔由支孔前半段和支孔后半段构成；两个支孔后半段设置在主孔的前部左右两侧，并且具有展向扩展和后倾；两个支孔后半段与主孔的后部相互连通。

所述的主孔和支孔均为圆柱孔，主孔的孔径为D，支孔的孔径范围为0.8D～D，主孔的中轴线长度定义为孔长，孔长L＝2D～6D，支孔中轴线交点位于主孔的中轴线上L′/L＝0.4～0.6的分段点处，其中L′为两个支孔交点与主孔的出口中心间距离。

所述的主孔倾斜设置，主孔的中轴线与主气流流动方向间的倾角α为20°～50°；两个支孔的中轴线共面，支孔的中轴线相对于主孔的中轴线在主气流流动方向上的角度为支孔的后倾角γ，角度为-5°～10°；所述的支孔和主孔在展向的夹角β为扩展角，取值为14°～30°。

所述的双波纹孔间隔距离排布，其展向间距P＝3D～5D。

本发明提供的带支孔的波纹状气膜孔为单波纹孔包括主孔和两个支孔后半段；两个支孔后半段与主孔的后部相互连通。

所述的主孔和支孔均为圆柱孔，主孔的孔径为D，支孔的孔径范围为0.8D～D，主孔的中轴线长度定义为孔长，孔长L＝2D～6D，支孔中轴线交点位于主孔的中轴线上L′/L＝0.4～0.6的分段点处，其中L′为两个支孔交点与主孔的出口中心间距离。

所述的主孔倾斜设置，主孔的中轴线与主气流流动方向间的倾角α为20°～50°；两个支孔的中轴线共面，支孔的中轴线相对于主孔的中轴线在主气流流动方向上的角度为支孔的后倾角γ，角度为-5°～10°；所述的支孔和主孔在展向的夹角β为扩展角，取值为14°～30°。

所述的单波纹孔间隔距离排布，其展向间距P＝3D～5D。

与现有的技术相比，本发明提供的带支孔的波纹状气膜孔具有如下有益效果：

1、设置支孔可增加气膜孔的出口面积，降低出口气流的动量，使得冷却气流更加贴壁，因此冷却效果更好。

2、支孔后的冷却气流会产生和主流相反的旋流，气流之间相互干涉，导致气膜孔后有良好的涡旋结构，由于支孔气流一开始就和主孔气流一起流出，在冷却气流还没有接触主流的时候已经相互影响，降低了肾型涡的形成速度，也减弱了对主流的卷吸程度，所以相对于分出的分支孔，冷却效率更好。

3、支孔同时加大了入口的面积，降低了入口段的流量损失，改善了孔内气流的分布，使得出口后的气流分布更加均匀，尤其是在高吹风比下，可以获得更加良好的气膜覆盖面积。单波纹孔由于缺少入口端的支孔改型，在高吹风比下要低于双波纹孔，但是低吹风比下，相差不大。

4、主孔和支孔截面均为圆形，组成结构简单，便于加工；两个支孔的中轴线的交点为主孔中轴线的中点附近区域，方便空间定位，双波纹孔中支孔和主孔一致，穿透平板，加工便捷。单波纹孔中的支孔加工到主孔区域为止，由于支孔和主孔有一定的角度，所以在加工深度方面有一定的容错裕度，不会因为设计或者加工方向抖动导致孔结构的破坏。

附图说明

图1是本发明提供的带支孔的波纹状气膜孔中双波纹孔结构示意图；

图2(a)、(b)分别是图1示出的双波纹孔俯视图和侧视图；

图3是本发明提供的带支孔的波纹状气膜孔中单波纹孔结构示意图；

图4(a)、(b)分别是图3示出的单波纹孔仰视图和侧视图；

图5是双波纹孔和圆柱孔、猫耳孔以及单波纹孔在高低吹风比下的冷却效率云图对比；

图6(a)是双波纹孔和圆柱孔、猫耳孔以及单波纹孔在吹风比为0.5时的展向冷却效率对比；

图6(b)是双波纹孔和圆柱孔、猫耳孔以及单波纹孔在吹风比为1.5时的展向冷却效率对比；

图7是在相同吹风比下双波纹孔、圆柱孔、猫耳孔以及单波纹孔在X/D＝10处的温度和流线图；

图8是本发明提供的单波纹孔在加工方向的容错裕度示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

实施例1：

如图1、图2所示，本实施例提供的带支孔的波纹状气膜孔为双波纹孔，包括主孔2和两个支孔；每个支孔由支孔前半段3和支孔后半段5构成；两个支孔后半段5设置在主孔2的前部左右两侧，并且具有展向扩展和后倾；两个支孔后半段5与主孔2的后部相互连通，气流4沿着箭头指引方向流向类似异形孔的出口截面1。

实施例2：

如图3、图4所示，本实施例提供的带支孔的波纹状气膜孔为单波纹孔，包括主孔2和两个支孔后半段5；两个支孔后半段5与主孔2的后部相互连通，这是单波纹孔与上述双波纹孔的唯一不同之处，主要是出于加工方面考虑。对于加工设备受限的情况，为了减少激光加工时的背面基体损伤或者当高温部件为多层复合材料需要减少特定区域加工次数时采用单波纹孔。单波纹孔的进口截面7为与传统圆柱孔一致的椭圆形。

在上述双波纹孔和单波纹孔中，主孔2和支孔均为圆柱孔，主孔2的孔径为D，支孔的孔径范围为0.8D～D，主孔2的中轴线长度定义为孔长，孔长L＝2D～6D，支孔中轴线交点6位于主孔2的中轴线上L′/L＝0.4～0.6的分段点处，其中L′为两个支孔交点与主孔2的出口中心间距离。

所述的主孔2倾斜设置，主孔2的中轴线与主气流9流动方向间的倾角α为20°～50°。

所述的两个支孔的中轴线共面，支孔的中轴线相对于主孔2的中轴线在主气流9流动方向上的角度为支孔的后倾角γ，角度为-5°～10°。

所述的支孔和主孔2在展向的夹角β为扩展角，取值为14°～30°，选择的时候需要结合孔间距进行选择。

使用时，所述的单波纹孔或双波纹孔间隔距离排布，其展向间距P＝3D～5D。

在实际应用中，对于双波纹孔的情况，冷却气流8通过双波纹孔上主孔2和两个支孔的进口流入主孔2的前部和两个支孔前半段3内，然后在主孔2的后部和支孔后半段5内混合，最后从出口截面1向外流出。

对于单波纹孔的情况，冷却气流8通过单波纹孔上主孔2的进口流入主孔2的前部，然后沿主孔2的轴向流入主孔2的后部和支孔后半段5内，最后从出口截面1向外流出。

表1为上述实施例1和2提供的双波纹孔和单波纹孔的仿真结构参数，对比孔型为传统的圆柱孔和国际先进但加工复杂的猫耳孔。其中，标号10是实施例1提供的双波纹孔,11是圆柱孔，12是猫耳孔，13是实施例2提供的单波纹孔。从表1可以看出，四种孔型的相关仿真结构参数均保持一致，并且为了与传统孔型保持一致，均没有添加后倾角。

表1、双波纹孔、圆柱孔、猫耳孔及单波纹孔的仿真结构参数；

图5是上述四种孔在高低吹风比下的冷却效率云图对比，可以明显看出，在吹风比M为0.5时，单波纹孔和猫耳孔都表现出良好的薄膜覆盖面积，尤其是中心高冷却效率(红色)的区域，三种孔型都要好于圆柱孔，其中单波纹孔在高冷却效率区域的覆盖宽度更大。在吹风比M为1.5时，圆柱孔对平面已经几乎没有冷却效果了，猫耳孔在离冷却孔的远端部位也难以保证良好的冷却效果，但本发明提供的单波纹孔和双波纹孔都有着良好的冷却效果，尤其是双波纹孔在主气流中心线上覆盖区域更长，覆盖面积更均衡，优势更大。

图6是仿真后上述四种孔的展向冷却效率对比，图6(a)选取M＝0.5时对比了四种孔的展向冷却效率，可以看出，本发明提供的单波纹孔和双波纹孔的展向冷却效率基本一致，并且均远高于猫耳孔和圆柱孔，其中双波纹孔的展向冷却效率在测试区域内最高超过圆柱孔111.72％，超过猫耳孔32.11％。图6(b)是吹风比在1.5时四种孔的展向冷却效率对比，可以明显看出，本发明提供的单波纹孔和双波纹孔的展向冷却效率在孔后冷却区域中表现得更加突出，高于猫耳孔和圆柱孔。其中，双波纹孔的展向冷却效率要高于单波纹孔，而且更加的稳定，其展向冷却效率最高超过圆柱孔6347％，超过猫耳孔624.67％，单波纹孔在中部下降较多，在远端的展向冷却效率回归和双波纹孔基本一致。

图7是X/D＝10处的截面无量纲冷却温度云图和流线图，其中温度云图的范围定为0～1，当冷却效率趋近于1时证明冷却效果更好。由于该截面远离冷却孔，颜色变化不明显，所以设置流线图的颜色表征也是无量纲温度，范围定为0～0.5，可以明显看出，圆柱孔的肾型涡十分明显并且抬离壁面很高，中心流线的颜色可以看出，无量纲温度远低于0.5，冷却效果不好。单波纹孔中的涡旋中心相距较远，又由于离壁面较近，所以导致受到卷吸效应，底面的冷却效果不佳，相比下，本发明提供的单波纹孔和双波纹孔略低于猫耳孔的涡心，中心的冷却气流跟壁面连接较好，尤其是双波纹孔，入口段的支孔导致两个涡旋扩展的更为均衡，所以和底面的覆盖效果也是最好。

图8是加工裕度示意图，当支孔按照箭头方向加工时，由于有扩展角β角度的原因，导致在支孔方向上，当加工的一端接触到主孔2时，另一端还和主孔2边缘有一定的距离，如图中14所示，这个就是单波纹孔的加工裕度，良好的加工裕度可进一步降低本发明提供的带支孔的波纹状气膜孔结构的加工难度，为高效冷却技术的落地提供便利。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种带支孔的波纹状气膜孔，其特征在于：所述的带支孔的波纹状气膜孔为双波纹孔，包括主孔(2)和两个支孔；每个支孔由支孔前半段(3)和支孔后半段(5)构成；两个支孔后半段(5)设置在主孔(2)的前部左右两侧，并且具有展向扩展和后倾；两个支孔后半段(5)与主孔(2)的后部相互连通；所述的主孔(2)倾斜设置，主孔(2)的中轴线与主气流(9)流动方向间的倾角α为20°～50°；两个支孔的中轴线共面，支孔的中轴线相对于主孔(2)的中轴线在主气流(9)流动方向上的角度为支孔的后倾角γ，角度为-5°～10°；所述的支孔和主孔(2)在展向的夹角β为扩展角，取值为14°～30°。

2.根据权利要求1所述的带支孔的波纹状气膜孔，其特征在于：所述的主孔(2)和支孔均为圆柱孔，主孔(2)的孔径为D，支孔的孔径范围为0.8D～D，主孔(2)的中轴线长度定义为孔长，孔长L＝2D～6D，支孔中轴线交点(6)位于主孔(2)的中轴线上L′/L＝0.4～0.6的分段点处，其中L′为两个支孔交点与主孔(2)的出口中心间距离。

3.根据权利要求1所述的带支孔的波纹状气膜孔，其特征在于：所述的双波纹孔间隔距离排布，其展向间距P＝3D～5D。

4.一种带支孔的波纹状气膜孔，其特征在于：所述的带支孔的波纹状气膜孔为单波纹孔，包括主孔(2)和两个支孔后半段(5)；两个支孔后半段(5)设置在主孔(2)的前部左右两侧，并且具有展向扩展和后倾；两个支孔后半段(5)与主孔(2)的后部相互连通；所述的主孔(2)倾斜设置，主孔(2)的中轴线与主气流(9)流动方向间的倾角α为20°～50°；两个支孔的中轴线共面，支孔的中轴线相对于主孔(2)的中轴线在主气流(9)流动方向上的角度为支孔的后倾角γ，角度为-5°～10°；所述的支孔和主孔(2)在展向的夹角β为扩展角，取值为14°～30°。

5.根据权利要求4所述的带支孔的波纹状气膜孔，其特征在于：所述的主孔(2)和支孔均为圆柱孔，主孔(2)的孔径为D，支孔的孔径范围为0.8D～D，主孔(2)的中轴线长度定义为孔长，孔长L＝2D～6D，支孔中轴线交点(6)位于主孔(2)的中轴线上L′/L＝0.4～0.6的分段点处，其中L′为两个支孔交点与主孔(2)的出口中心间距离。

6.根据权利要求4所述的带支孔的波纹状气膜孔，其特征在于：所述的单波纹孔间隔距离排布，其展向间距P＝3D～5D。

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