CN114763748A - 带有表面微型涡发生器的气膜冷却结构 - Google Patents

带有表面微型涡发生器的气膜冷却结构 Download PDF

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    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
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Abstract

一种带有表面微型涡发生器的气膜冷却结构，包括：设置在待冷却部件表面上的气膜冷却单元；该气膜冷却单元包括一个气膜孔和一个涡发生器，其中：涡发生器位于气膜孔的上游，其底部中心线与气膜孔出口端的中心线位于同一条直线以抑制冷却气体在高吹风比下的分离，并提升冷却气体在展向上的覆盖。本发明能够生成与气膜冷却气体射流产生的肾形涡对旋向相反的反肾形涡对结构，改善流场涡系结构，降低肾形涡对的尺寸与强度，提升气膜冷却效果，同时该涡系携带冷却气体沿展向流动，使得气膜在展向上分布更加均匀，提升气膜在展向上的冷却效果；涡发生器的低高度，对流动的干扰集中在部件壁面区域，同时生成的反肾形涡对抑制了冷却射流对主流的干扰，因此流动损失较小；涡发生器由热障涂层生成，结构简单易加工。

Description

带有表面微型涡发生器的气膜冷却结构
技术领域
本发明涉及的是一种冷却领域的技术，具体是一种带有表面微型涡发生器的气膜冷却结构，主要用于航空发动机主燃烧室火焰筒、加力燃烧室隔热屏、涡轮叶片的热防护。
背景技术
为了提升航空发动机推重比，涡轮进口温度不断提高。经过半个世纪的发展，涡轮进口温度从上世纪50年代的920℃上升到2000年的1800℃，而且还保持着继续增加的趋势。目前涡轮进口温度远远超过了热端部件材料的熔点，材料耐高温能力的发展并没有与涡轮进口温度的提高保持同步。因此必须发展高效的冷却技术对热端部件进行有效的热防护，确保热端部件的安全和可靠运行。然而，航空发动机的主动冷却主要依靠取自压气机的高压空气，冷却气体的流量已经高达压气机进口流量的20％～30％，这严重影响了发动机的性能。因此发展更高效的冷却技术，对航空发动机性能提升具有重要意义。
气膜冷却是航空发动机燃烧室、涡轮叶片等热端部件中广泛使用的一种冷却方式。其原理是通过壁面的离散孔或者缝槽引入相对低温的冷却气体注入主流，在主流的作用下冷却气体贴附于壁面形成气膜，从而避免了高温主流与壁面的直接接触，降低主流与壁面的对流换热。同时，冷却气体还可以带走辐射带来的热量，直接冷却壁面。然而，对于目前工业界普遍采用的圆形气膜冷却孔，由于肾形涡对的影响，其冷却效率在展向上分布极不均匀，且在高吹风比下冷却气体会迅速离开壁面，从而导致冷却孔下游气膜冷却效率降低。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种带有表面微型涡发生器的气膜冷却结构，相较于传统气膜孔，增加了气膜在展向上的冷却均匀性，缓解气膜在高吹风比下的冷却效果恶化，提高气膜冷却效率，满足航空发动机的热端部件冷却需求。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种带有表面微型涡发生器的气膜冷却结构，包括：设置在待冷却部件表面上的气膜冷却单元；该气膜冷却单元包括一个气膜孔和一个涡发生器，其中：涡发生器位于气膜孔的上游，其底部中心线与气膜孔出口端的中心线位于同一条直线以抑制冷却气体在高吹风比下的分离，并提升冷却气体在展向上的覆盖，提升气膜冷却的整体冷却效果，从而在有限的冷却气体流量情况下满足航空发动机日益增长的冷却需求。
所述的涡发生器为几何外形简单且易于加工的三角形斜锲微结构或V字形斜锲结构，该涡发生器优选利用表面热障涂层制备得到。
所述的气膜孔为圆形孔，其长度为直径的5～7倍，其流向倾角为20～50°。
所述的流向倾角为主气膜孔轴线与待冷却壁面的流向夹角。
所述的三角形斜锲涡发生器的高度为气膜孔直径的1/4～1/2，其流向长度为气膜孔直径的1/2～2倍，其尾端宽度为气膜孔直径的1～1.5倍，其尾端与气膜孔出口端中心点的距离为气膜孔直径的1.5～2倍。
所述的V字形斜锲涡发生器的高度为气膜孔直径的1/4～1/2，其流向长度为气膜孔直径的1/2～2倍，其尾端宽度为气膜孔直径的1～1.5倍，其尾端与气膜孔出口端中心点的距离为气膜孔直径的1.5～2倍，其底部在中心线上的长度为流向长度的1/10～3/10。
技术效果
本发明整体解决了现有圆形孔气膜冷却中由肾形涡对造成的冷却效率在展向上分布不均匀，以及在高吹风比下由冷却气体与壁面分离导致的气膜冷却效果恶化的技术问题。
与现有技术相比，本发明通过在普通圆柱孔上游安置一个微小的涡流发生器，生成有利于提升气膜性能的涡流结构，抑制了冷却气体脱离壁面，同时该涡流结构可以改善冷却气体在展向上的覆盖情况，进而提升气膜冷却整体性能。通过平板气膜冷却实验证明，在密度比为1.0的条件下，在吹风比0.4-0.8范围内，本发明的气膜冷却孔的区域平均气膜冷却效率能比传统的气膜孔提高83.8-142.2％。
附图说明
图1为应用于平板冷却的示意图；
图2为本实施例的三维示意图；
图中：a为三角形斜锲结构的涡发生器；b为V字形斜锲结构的涡发生器；
图3为本实施例的俯视图和截面图；
图中：a为图2a的俯视图；b为图3a的A-A截面图；c为图2b的俯视图；d为图3c的A-A截面图；
图4为在吹风比为0.4的情况下，本实施例与现有技术的冷却效率对比图；
图中：a为传统的圆形孔冷却结构示意图；b为本是实施例的气膜冷却结构示意图；
图5本实施例的气膜冷却结构与现有技术展向平均冷却效率对比图；
图6为在吹风比为0.8的情况下，冷却孔下游位置本实施例与现有技术的速度矢量云图对比；
图中：a为传统的圆形孔冷却结构示意图；b为本实施例的气膜冷却结构示意图；
图中：涡发生器1、气膜孔2、激发光源3、CCD相机4、滤光片5。
具体实施方式
如图1所示，本实施例的主流和冷却流均为300K，其中主流为空气，而冷却流为氮气，利用压敏漆技术通过传热传质比拟进行气膜冷却效率的测量，本实施例包括：涂有压敏漆的平板、激发光源3、CCD相机4、五个气膜孔2、涡发生器1，其中：五个气膜孔2设置于平板上，涡发生器1设置于气膜孔2的上游，激发光源3照射平板，CCD相机4检测平板表面荧光强度分布。
所述的激发光源3激发的荧光强度与氧气浓度相关，从而可以确定主流在壁面的浓度分布，进而利用传热传质比拟获得壁面的气膜冷却效率分布，本实施例采用390nm的UVLED光源。
所述的CCD相机4的滤光片5为中心波长为650nm的窄带滤光片。
如图2所示，所述的涡发生器2为三角形斜锲或V字形斜锲，其底部中心线与气膜孔1的出口端中心线在同一直线，本实施例采用的是倾斜角为30°的三角形斜锲涡发生器1。
如图3所示，所述的气膜孔1的横截面为圆形，其直径为D。
所述的三角形斜锲涡发生器1的高度h为0.2～0.5D，其流向长度L1为0.5～2D，其尾端宽度W为1～1.5D，其尾端与气膜孔2的出口端中心点的距离L2为1.5～2D。
所述的V字形斜锲涡发生器1的高度h为0.25～0.5D，其流向长度L1为0.5～2D，其尾端宽度W为1～1.5D，其尾端与气膜孔2的出口端中心点的距离L2为1.5～2D，其底部在中心线上的长度L3为0.1～0.3L1。
当冷却气体经过孔板进入主流，在主流的作用下形成一层气膜覆盖于平板表面，之后随着主流与冷却流的掺混冷却效果逐渐降低。本实施例通过CCD相机4检测的氧浓度分布推算气膜冷却效率。
如图4和图5所示，在吹风比为0.4的情况下，相对于传统的圆形孔气膜冷却，本实施例的带有涡发生器1的气膜冷却结构的冷却效率有了显著提升，且在展向上的分布更加均匀。
如图6所示，在吹风比为0.8的情况下，传统气膜孔与本实施例的带有涡发生器1的气膜孔2在下游同一位置的速度矢量分布，得出本实施例在涡发生器1的作用下，主流中形成了反肾形涡对，抑制了传统的圆形气膜孔射流形成的肾形涡对，降低了肾形涡对的强度和影响范围。同时，冷却气体在反肾形涡对的作用下，向气膜孔2两侧铺展，使得展向上的气膜冷却效率分布更加均匀。
经过具体实际实验，在300K温度的具体环境设置下，通过基于传热传质比拟的压敏漆实验对比密度比为1，吹风比0.4及0.8的普通圆形气膜孔及本发明的冷却孔结构发现区域平均气膜冷却提升达到了83.8-142.2％。。
综上，本发明通过普通倾斜圆柱气膜孔上游附近的三角形斜锲或V字形斜锲的微型涡流发生器结构产生了有利于气膜冷却贴附壁面及在展向铺展的反肾形涡对结构。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种带有表面微型涡发生器的气膜冷却结构，其特征在于，包括：设置在待冷却部件表面上的气膜冷却单元；该气膜冷却单元包括一个气膜孔和一个涡发生器，其中：涡发生器位于气膜孔的上游，其底部中心线与气膜孔出口端的中心线位于同一条直线以抑制冷却气体在高吹风比下的分离，并提升冷却气体在展向上的覆盖。
2.根据权利要求1所述的带有表面微型涡发生器的气膜冷却结构，其特征是，所述的涡发生器为三角形斜锲微结构或V字形斜锲结构。
3.根据权利要求1或2所述的带有表面微型涡发生器的气膜冷却结构，其特征是，所述的涡发生器为表面热障涂层制备得到。
4.根据权利要求1所述的带有表面微型涡发生器的气膜冷却结构，其特征是，所述的气膜孔为圆形孔，其长度为直径的5～7倍，其流向倾角为20～50°。
5.根据权利要求4所述的带有表面微型涡发生器的气膜冷却结构，其特征是，所述的流向倾角为主气膜孔与待冷却部件表面切线的夹角。
6.根据权利要求2所述的带有表面微型涡发生器的气膜冷却结构，其特征是，所述的三角形斜锲涡发生器的高度为气膜孔直径的1/5～1/2，其流向长度为气膜孔直径的1/2～2倍，其尾端宽度为气膜孔直径的1～1.5倍，其尾端与气膜孔出口端中心点的距离为气膜孔直径的1.5～2倍。
7.根据权利要求2所述的带有表面微型涡发生器的气膜冷却结构，其特征是，所述的V字形斜锲涡发生器的高度为气膜孔直径的1/4～1/2，其流向长度为气膜孔直径的1/2～2倍，其尾端宽度为气膜孔直径的1～1.5倍，其尾端与气膜孔出口端中心点的距离为气膜孔直径的1.5～2倍，其底部在中心线上的长度为流向长度的1/10～3/10。
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