CN112627904A - 一种新型铲斗型气膜冷却孔及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种新型铲斗型气膜冷却孔及其设计方法，铲斗型气膜冷却孔截面形状由入口处的一段圆柱段逐渐通过展向和流向两个方向的扩张过渡为铲斗形状；从侧视方向看，所述气膜冷却孔的截面宽度由入口到出口为先不变后逐渐扩张；从俯视方向看，所述气膜冷却孔的展向宽度由入口到出口显著增大，并且出口面积大于入口面积；从所述气膜冷却孔出口的正上方向下看，冷却孔入口为椭圆形，出口为矩形。进行设计时，根据铲斗型气膜冷却孔几何参数之间相互制约关系，计算得到气膜孔的几何参数，能够获得显著的气膜冷却效果。气膜冷却块可以利用激光打孔一次成型，操作工艺简单，几何敏感度低，而且在展向覆盖区域内无死区，显著地改善气膜冷却效果。

Description

一种新型铲斗型气膜冷却孔及其设计方法

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机技术领域，具体地说，是一种新型铲斗型气膜冷却孔及其设计方法，以满足燃气涡轮发动机热负荷要求。

背景技术

为满足叶片热负荷冷却设计要求，圆柱形气膜孔最早运用于航空发动机叶片上，国内外针对圆柱形气膜孔进行了全面而又深入的研究。大量研究表明，圆柱形气膜孔能有效的防止涡轮叶片被高温燃气烧蚀，但圆柱形气膜孔冷气动量较为集中，容易穿透主流压迫，很难附着在涡轮叶片表面，而异型气膜孔能有效削弱冷气射流法向方向动量，从而获得更好的气膜冷却效果。通过设计更为合理的气膜孔几何结构，在相同或更少的冷气流量下实现更高的气膜冷却效果是现今异型气膜孔研究的重点和热点。

Goldstein最先开始了异型气膜孔气膜冷却的研究，他们采用实验的方法研究了展向扩张角为10度的扩张型气膜孔下游气膜冷却效果，结果表明相对于圆柱型孔，在相同冷气质量流量下，扩张孔气膜覆盖面积较大，同时气膜冷却效果也得到显著提升。近年来，Thole等人基于红外技术测量了不同密度下，不同湍流度下的扩张型气膜孔绝热冷却效率。发现相比圆柱型气膜孔最佳吹风比在0.5左右，扩张异型孔可以将气膜孔的最佳吹风比提高到1.5。

各研究表明扩张型气膜孔是异型气膜孔中加工方式较为简单，同时气膜冷却效果较好的孔型。尽管目前有很多关于扩张型气膜孔的研究，但其往往专注于某一个结构参数或边界条件对于异型孔冷却特性的影响，对于各个结构参数之间的相互影响以及其影响机理尚未有充分的研究。

发明内容

为克服现有技术中异型气膜孔造型方式不统一，造型成本高，同时异型气膜孔工程实践中缺乏指导性的结构设计方法等问题。本发明提出一种新型铲斗型气膜冷却孔，并结合影响铲斗型气膜冷却孔冷却特性的关键几何结构参数，提出一种新型铲斗型气膜冷却孔的设计方法。

本发明的技术方案为：

所述一种新型铲斗型气膜冷却孔，其截面形状由入口处的一段圆柱段逐渐通过展向和流向两个方向的扩张过渡为铲斗形状；从侧视方向看，所述气膜冷却孔的截面宽度由入口到出口为先不变后逐渐扩张；从俯视方向看，所述气膜冷却孔的展向宽度由入口到出口显著增大，并且出口面积大于入口面积；从所述气膜冷却孔出口的正上方向下看，冷却孔入口为椭圆形，出口为矩形。

进一步的，所述气膜冷却孔加工于燃气涡轮发动机叶片的压力面和吸力面上。

进一步的，所述气膜冷却孔的中心线与叶片表面之间有夹角θ；所述气膜冷却孔入口为椭圆形，再经过圆柱段与气膜冷却孔的铲斗型结构相接；气膜冷却孔铲斗型结构入口具有四个顶点b1,b2,b3,b4，铲斗型结构出口具有四个顶点：a1,a2,a3,a4，对应点直线相连，形成气膜孔铲斗型结构侧壁面，侧壁面均为平面，平滑的由铲斗型结构入口过渡到出口。

进一步的，所述气膜冷却孔出口下游最大展向宽度L_w与所述气膜冷却孔孔径D 的比值为2.3～2.9，所述气膜冷却孔出口上游展向宽度L₁与孔径D的比值为1.4～1.8，所述气膜冷却孔铲斗型结构长度L₂与铲斗型气膜冷却孔轴线长度L的比值为0.3～0.8；而铲斗型气膜冷却孔倾斜角θ为30°～45°。

进一步的，所述气膜冷却孔的设计几何结构参数为气膜冷却孔倾斜角θ，展向扩张角α，流向扩张角β，铲斗型结构长度L₂。

根据上述条件，具体进行铲斗型气膜冷却孔设计的过程为：

首先，根据实际加工需求确定铲斗型气膜冷却孔孔径D和壁厚δ；

其次，根据上述条件确定θ，L_w/D，L₁/D以及L₂/L；

再次，根据壁厚δ和θ，解算得到L，继而解算得到L₂；根据孔径D解算得到L_w和L₁；

最后，利用L₁、L₂和L_w，解算得到展向扩张角α和流向扩张角β。

有益效果

本发明的技术效果在于：本发明提出一种设计加工铲斗型气膜冷却孔的简单可行的参考方法，可以在实际加工之前，根据铲斗型气膜冷却孔几何参数之间相互制约关系，计算并得到所有气膜孔的几何参数，并且获得显著的气膜冷却效果。基于本发明设计参数加工成形的铲斗型气膜冷却孔，可以利用激光打孔一次成型，操作工艺简单，气膜孔几何敏感度低，而且铲斗型气膜冷却孔在展向覆盖区域内无死区，显著地改善气膜冷却效果。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为叶片上铲斗型孔示意图。

图2为本发明新型铲斗型气膜孔几何结构轴测图。

图3为本发明新型铲斗型气膜孔几何结构俯视图。

图4为本发明新型铲斗型气膜孔几何结构侧视图。

其中：

1.内冷通道；2.压力面上的铲斗型孔；3.吸力面上的铲斗型孔；4.铲斗型孔入口；5.铲斗型孔出口。

θ—倾斜角；α—展向扩张角；β—流向扩张角；δ—壁厚；L—铲斗型气膜冷却孔轴线长度；L₂—铲斗型气膜冷却孔铲斗型结构长度；L₁—铲斗型气膜冷却孔出口上游展向宽度；L_w—铲斗型气膜冷却孔出口下游最大展向宽度。

具体实施方式

扩张型气膜孔是异型气膜孔中加工方式较为简单，同时气膜冷却效果较好的孔型。目前对于扩张型气膜孔的研究往往专注于某一个结构参数或边界条件对于异型孔冷却特性的影响，对于各个结构参数之间的相互影响以及其影响机理尚未有充分的研究，而扩张型气膜孔各个结构参数之间的影响错综复杂，为了指导工程实践，本发明针对铲斗型气膜孔总结出了一条易于工程人员使用的生产设计方法。

本发明在燃气涡轮发动机叶片的压力面和吸力面上分别加工有铲斗型气膜冷却孔，如图2所示，所加工铲斗型气膜冷却孔的截面形状由入口处的一段圆柱段逐渐通 过展向和流向两个方向的扩张过渡为铲斗形状；这种截面逐渐扩张的铲斗型气膜冷却 孔，如图4所示，从侧视方向看，冷却孔的截面宽度由入口到出口先不变后逐渐扩张； 如图3所示，从俯视方向看，冷却孔的展向宽度由入口到出口显著增大，并且出口面 积大于入口面积；从铲斗型冷却孔出口的正上方向下看，冷却孔入口为椭圆形，出口 为矩形。

如图1和图2所示，由于铲斗型气膜冷却孔的中心线与叶片表面之间有夹角θ，所以铲斗型入口为椭圆形，再经过圆柱段与气膜孔铲斗型结构相接，对应气膜孔铲斗型结构入口的四个顶点b1,b2,b3,b4；而气膜孔铲斗型结构出口具有四个顶点： a1,a2,a3,a4，对应点直线相连；形成气膜孔铲斗型结构侧壁面，包括面a1-b1-b2-a2-a1、面a2-b2-b3-a3-a2、面a3-b3-b4-a4-a3、面a4-b4-b1-a1-a4，四个面均为平面，这些面只需平滑的由铲斗型结构入口过渡到出口即可。

由此可以看出，实际加工铲斗型气膜冷却孔需要设计的几何结构参数为气膜冷却孔倾斜角θ，展向扩张角α，流向扩张角β，铲斗型结构长度L₂。进一步根据对气膜冷却孔几何结构参数直接相互制约关系的分析可以看出，这些几何参数共同决定气膜冷却孔出口下游最大展向宽度L_w，且气膜冷却孔出口下游最大展向宽度L_w直接决定叶片表面冷气射流覆盖宽度和气膜冷却效果，因此我们选择气膜冷却孔出口下游最大展向宽度L_w为研究对象，寻找铲斗型气膜冷却孔出口下游最大展向宽度范围，以得到显著的气膜冷却效果，进而确定铲斗型气膜冷却孔其他几何参数。

经过分析、仿真计算以及实际测试，我们发现，对铲斗型气膜冷却孔来说，气膜孔出口展向宽度过大，会出现燃气倒灌现象，这表明了气膜冷气在孔内提前与高温燃气掺混，其壁面气膜冷效不升反降。而且值得注意的是，在气膜孔出口下游最大展向宽度L_w/D>2.9时，D为铲斗型气膜冷却孔孔径(铲斗型气膜冷却孔圆柱段孔径)，无论铲斗型气膜冷却孔其他几何结构参数在合理范围内如何变化，铲斗型气膜冷却孔均出现严重的燃气倒灌现象，即出口展向宽度过大时，主流高温燃气从气膜孔两侧灌入，气膜冷却效率明显降低，因此气膜孔出口下游最大展向宽度决定着燃气倒灌临界点。

通过分析，我们最终确定铲斗型气膜冷却孔出口下游最大展向宽度L_w与铲斗型气膜冷却孔孔径D的比值为2.3～2.9，铲斗型气膜冷却孔出口上游展向宽度L₁与铲斗型气膜冷却孔孔径D的比值为1.4～1.8，铲斗型气膜冷却孔铲斗型结构长度L₂与铲斗型气膜冷却孔轴线长度L的比值为0.3～0.8；而铲斗型气膜冷却孔倾斜角θ为30°～45°。至于铲斗型气膜冷却孔孔径D和气膜孔壁厚δ根据实际加工需求确定。通过数据分析，满足上述条件的铲斗型气膜冷却孔的冷却特性较好。

根据上述条件，具体进行铲斗型气膜冷却孔设计的过程为：

首先，根据实际加工需求确定铲斗型气膜冷却孔孔径D和壁厚δ；

其次，根据上述条件确定θ，L_w/D，L₁/D以及L₂/L；

再次，根据壁厚δ和θ，解算得到L，继而解算得到L₂；根据孔径D解算得到L_w和L₁；

最后，利用L₁、L₂和L_w，解算得到展向扩张角α和流向扩张角β。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种新型铲斗型气膜冷却孔，其特征在于：所述气膜冷却孔截面形状由入口处的一段圆柱段逐渐通过展向和流向两个方向的扩张过渡为铲斗形状；从侧视方向看，所述气膜冷却孔的截面宽度由入口到出口为先不变后逐渐扩张；从俯视方向看，所述气膜冷却孔的展向宽度由入口到出口显著增大，并且出口面积大于入口面积；从所述气膜冷却孔出口的正上方向下看，冷却孔入口为椭圆形，出口为矩形。

2.根据权利要求1所述一种新型铲斗型气膜冷却孔，其特征在于：所述气膜冷却孔加工于燃气涡轮发动机叶片的压力面和吸力面上。

3.根据权利要求2所述一种新型铲斗型气膜冷却孔，其特征在于：所述气膜冷却孔的中心线与叶片表面之间有夹角θ；所述气膜冷却孔入口为椭圆形，再经过圆柱段与气膜冷却孔的铲斗型结构相接；气膜冷却孔铲斗型结构入口具有四个顶点b1,b2,b3,b4，铲斗型结构出口具有四个顶点：a1,a2,a3,a4，对应点直线相连，形成气膜孔铲斗型结构侧壁面，侧壁面均为平面，平滑的由铲斗型结构入口过渡到出口。

4.根据权利要求1所述一种新型铲斗型气膜冷却孔，其特征在于：所述气膜冷却孔出口下游最大展向宽度L_w与所述气膜冷却孔孔径D的比值为2.3～2.9，所述气膜冷却孔出口上游展向宽度L₁与孔径D的比值为1.4～1.8，所述气膜冷却孔铲斗型结构长度L₂与铲斗型气膜冷却孔轴线长度L的比值为0.3～0.8；而铲斗型气膜冷却孔倾斜角θ为30°～45°。

5.根据权利要求4所述一种新型铲斗型气膜冷却孔，其特征在于：所述气膜冷却孔的设计几何结构参数为气膜冷却孔倾斜角θ，展向扩张角α，流向扩张角β，铲斗型结构长度L₂。

6.一种权利要求5所述气膜冷却孔的设计方法，其特征在于：

首先，根据实际加工需求确定铲斗型气膜冷却孔孔径D和壁厚δ；

其次，根据权利要求4中限定的参数范围确定θ，L_w/D，L₁/D以及L₂/L；

再次，根据壁厚δ和θ，解算得到L，继而解算得到L₂；根据孔径D解算得到L_w和L₁；

最后，利用L₁、L₂和L_w，解算得到展向扩张角α和流向扩张角β。

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