CN114961895B - 一种采用双螺旋冷却结构的涡轮外环 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空发动机和燃气轮机涡轮冷却技术领域，涉及一种采用双螺旋冷却结构的涡轮外环。涡轮外环常规冷却结构采用的是内部各单元相互连通的结构，空腔内的冷气会相互交汇、冲击和掺混，并且还有可能出现串流和回流的现象；而在本发明中，首先双螺旋冷气通道的结构对冷却气流起到导向的作用，并按照螺旋式的唯一路径流动；其次位于双螺旋冷气通道中间的隔肋将来流分为两部分，可抑制原有单通道内大漩涡的产生，再加上各单元相互隔绝无冷气间的碰撞摩擦，因此大大减少了流动损失。本发明隔肋，六边形扰流柱以及单元体外廓形状均近似为六边形，不会产生流动突扩和节流现象，故相对涡轮外环常规冷却结构阻力更小。

Description

一种采用双螺旋冷却结构的涡轮外环

技术领域

本发明属于航空发动机和燃气轮机涡轮冷却技术领域，涉及一种采用双螺旋冷却结构的涡轮外环。

背景技术

涡轮外环作为航空发动机的关键部件之一，是位于涡轮动叶径向对应机匣内部的环形组合构件，通过与叶片半接触来控制叶尖间隙的燃气泄露量，以提高涡轮能量转换效率，同时还起到隔绝高温燃气的作用，避免机匣受到烧蚀破坏。

航空发动机为追求更大推力，主要方法是提高涡轮前燃气温度，但目前该温度已经远超过材料承受极限，制约了发动机性能的提高。为了解决该问题，并保证涡轮外环能够在高温环境下安全、可靠地工作，除了进一步改善材料的耐热性以外，还必须辅以高效冷却技术来降低涡轮外环的壁面温度。

涡轮外环常规冷却结构如图1所示，包括涡轮外环块、进气孔、进气板、扰流柱、出气板、气膜孔。在工作时，冷气由进气板上的进气孔进入到涡轮外环块内部，并对出气板形成冲击冷却，进而在扰流柱的表面产生对流换热，再经出气板上的气膜孔流出外环块，并在其表面形成一层气膜以减轻燃气对外环的冲刷。由于进气孔与中间腔体间的冷气通流面积骤增，中间腔体与气膜孔间的冷气通流面积骤减，导致冷气在进出涡轮外环常规冷却结构时要经历两次近似节流的流动，且相邻多股冷气之间存在相互掺混，冷气与扰流柱撞击后会发生回流和串流等，这些问题都增大了流动损失。不仅是流动和冷却问题，外环块频繁与叶片发生摩擦，如果仅以扰流柱作为内部空腔的点支撑结构强化，易产生疲劳裂纹等强度问题。为进一步改善涡轮外环的流动、传热和强度，本发明提出了一种双螺旋冷却结构加以解决。

发明内容

针对现有涡轮外环常规冷却结构存在的不足，发明了一种将内部冷却结构设计为双螺旋腔式的涡轮外环。

本发明的技术方案如下：

一种采用双螺旋冷却结构的涡轮外环，包括：涡轮外环块、进气孔、进气板、出气板、气膜孔、单元间隔墙、隔肋、双螺旋冷气通道、六边形扰流柱和角点融合扰流柱。

如图3所示，中部由点划线所围成的六边形区域为一个单元体，即双螺旋式冷却结构，并且多个单元体阵列排布紧密贴合，由此可以在单位面积内布置下较多的冷却结构，充分利用空间并形成丰富的换热面积。相较于如图1所示的涡轮外环常规冷却结构，这种单元之间相对独立、冷气流动路径唯一的设计，既保证了气流均匀又可以避免各路冷气间的相互影响。

本发明的结构设计如图2、图3和图4所示。所述涡轮外环块的单元体内部设有进气孔，气膜孔，近似为六边形的双螺旋冷气通道，并且在两个冷气通道之间设有不闭合的环状隔肋，在双螺旋腔的中心设有六边形扰流柱。此外，还包括相邻单元体之间形成的单元间隔墙和角点融合扰流柱。

本发明中所述单元体的冷气流通路径由进气孔，双螺旋冷气通道，气膜孔依次相连组成。具体过程是冷气从垂直于进气板的进气孔中流入单元体，然后在双螺旋冷气通道入口处，经中间隔肋的分流作用将来流平均分配，分别进入两个冷气通道，在双螺旋冷气通道内绕扰流结构旋转流动一周后在气膜孔内汇聚至一股，然后排出涡轮外环块，并在涡轮外环表面形成气膜覆盖以隔绝燃气的冲刷。

如图4所示，所述进气孔的截面形状是渐变的。其入口、中间和出口三个位置的截面分别如图中的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ所示，形状分别为椭圆、近似椭圆和矩形，通过各截面的光滑转接，使得进气孔截面形状由入口的椭圆形逐渐转变为矩形。其中，Ⅰ截面椭圆形的尺寸参数由进气孔入口截面椭圆长轴b₁和进气孔入口截面椭圆短轴a₁确定；Ⅲ截面矩形的尺寸参数由进气孔出口截面矩形长度b₂和进气孔出口截面矩形宽度a₂确定。为保证流动具有较小的阻力，在孔型设计上采用了截面形状长度相等和截面面积相等两个原则。所述长度相等，即进气孔从Ⅰ截面变化到Ⅲ截面的过程中，截面形状长度保持不变，进气孔入口截面椭圆长轴b₁到进气孔出口截面矩形长度b₂始终相等，即b₁＝b₂；所述面积相等，即进气孔从Ⅰ截面变化到Ⅲ截面的过程中，截面面积均相等，即πa₁b₁＝a₂b₂；Ⅱ截面形状介于椭圆和矩形之间，但仍符合上述两个原则。

如图4所示，进气孔通过圆弧转接段与双螺旋冷气通道相连，其中圆弧转接段的转角为90°，圆弧转接段中心线半径r₁的取值范围为0.4～0.6mm。

冷却气体从圆弧转接段流出后，经隔肋分流后分成两股进入双螺旋冷气通道，如图3所示。在每个单元体中，所述双螺旋冷气通道的两个双螺旋冷气通道宽度D₃是相同的；另外，单元间隔墙边长L₁与六边形扰流柱边长L₃之和等于隔肋边长L₂的两倍，即L₁+L₃＝2L₂；单元间隔墙厚度D₁与隔肋宽度D₂相等，即D₁＝D₂，将单元体内的结构要素这样设计可以保证冷气通流面积处处相等，相邻通道之间的壁厚均匀，更便于生产制造和减少流动阻力。

进一步的，如图3所示，两股冷气在双螺旋冷气通道内绕扰流结构一周后，在气膜孔内重新汇合为一股并沿着出射角α继续流动，其中，双螺旋冷气通道中心线与气膜孔中心线的夹角为出射角α。

如图4所示，所述气膜孔的截面形状同样是渐变的。气膜孔的入口、中间、出口和出口延伸段四个位置的截面分别如图中的Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ所示，形状分别为矩形、近似椭圆和两个相同的椭圆，其中Ⅵ截面沿出射角α方向一直延伸至Ⅶ截面，故两截面形状相等。通过各截面的光滑转接，使得气膜孔截面形状由入口的矩形逐渐转变为椭圆形。其中，Ⅳ截面矩形的尺寸参数由气膜孔入口截面矩形长度b₃和气膜孔入口截面矩形宽度a₃确定；Ⅵ和Ⅶ截面椭圆的尺寸参数均由气膜孔出口截面椭圆长轴b₄和气膜孔出口截面椭圆短轴a₄确定。为保证流动具有较小的阻力，在孔型设计上采用了截面形状长度相等和截面面积相等两个原则。所述长度相等，即气膜孔从Ⅳ截面变化到Ⅶ截面的过程中，截面形状长度保持不变，气膜孔入口截面矩形长度b₃与气膜孔出口截面椭圆长轴b₄始终相等，且b₃＝b₄；所述面积相等，即气膜孔从Ⅳ截面变化到Ⅶ截面的过程中，截面面积均相等，且πa₃b₃＝a₄b₄；Ⅴ截面形状介于椭圆和矩形之间，但仍符合上述两个原则。

进一步的，如图4所示，在所述单元体中，进气孔位于涡轮外环块远离燃气的一侧，气膜孔位于涡轮外环块与燃气接触的一侧，两种孔因为位于双螺旋冷气通道的两端而相邻，但两个孔在空间上存在进气孔与气膜孔距离δ，以保证二者之间的最小壁厚在制造工艺所及和安全范围内。

如图3所示，六边形的单元体经过阵列排布后，每三个相邻单元体的隔墙之间就会形成一个交汇点，在这些交汇点上设计有直径为角点融合扰流柱直径φd₁的角点融合扰流柱。这样气流在每个角点处都可发生两次转折，增强了单元体内冷气与壁面间的冲击冷却，同时带有圆柱节点的网状支撑结构提高了涡轮外环的强度和稳定性。

另外，如图4所示，本发明所述涡轮外环块的进气板厚度h₁与出气板厚度h₂是相等的，而且都等于三分之一的外环块厚度H，即h₁＝h₂＝H/3。

本发明在上述结构基础上，又提出两种衍生变化，其区别在于进气孔与双螺旋冷气通道的连接方式，具体如下：

(1)如图5a所示，进气孔与内腔流道折线式转接冷却结构。在该结构中，进气孔的进气孔中心线是垂直于进气板的，而后进气孔通过折线转接段与双螺旋冷气通道相连，其中进气孔折线转折倾角β的含义为折线转接段的中心线与进气孔中心线的夹角，取值120°～130°。

(2)如图5b所示，进气孔与内腔流道直角式转接冷却结构。在该结构中，进气孔的进气孔中心线是垂直于进气板的，而后进气孔经过一次直角转折与双螺旋冷气通道相连。

本发明的有益成果：

1、减小冷气流动阻力和损失

如图7所示，涡轮外环常规冷却结构采用的是内部各单元相互连通的结构，空腔内的冷气会相互交汇、冲击和掺混，并且还有可能出现串流和回流的现象；而在本发明中，首先双螺旋冷气通道的结构对冷却气流起到导向的作用，并按照螺旋式的唯一路径流动；其次位于双螺旋冷气通道中间的隔肋将来流分为两部分，可抑制原有单通道内大漩涡的产生，再加上各单元相互隔绝无冷气间的碰撞摩擦，因此大大减少了流动损失。

在冷气流动过程中，流道截面积的大幅度扩张和收缩都会引起能量的损失。在涡轮外环常规冷却结构中，由于进气孔与中间腔体间的冷气通流面积骤增，中间腔体与气膜孔间的冷气通流面积骤减，导致冷气在进出涡轮外环块时要经历两次近似节流的流动，如图7所示；然而在本发明中，隔肋，六边形扰流柱以及单元体外廓形状均近似为六边形，也就是从进气孔至双螺旋冷气通道再到气膜孔的截面积沿程大致相同，不会产生流动突扩和节流现象，如图8所示，故相对涡轮外环常规冷却结构阻力更小。

如图4所示，由于进气孔的进气孔中心线是垂直于进气板的，故可保证来流垂直进入单元体，避免气流因为转折而产生流动损失。而后气流进入到单元体内部，在转接段的转折过程中，用圆弧作为中间过渡，既起到导向作用，又可保证冷气通道的截面均匀变化，相比于涡轮外环常规冷却结构中来流从进气板到中间腔体相当于是冲击后再扩散开的过程，可相对减少流动损失。

根据流动数值仿真结果，双螺旋冷却结构相对于常规冷却结构的总压损失下降了约60％左右，减阻效果显著。

2、增加换热面积，提高冷却效果

与涡轮外环常规冷却结构相比，双螺旋冷气通道可以使冷气在单元体内的流动路径加长，而且还增加了冷气与涡轮外环内部的接触面积，较常规冷却结构多出约4.7％，不仅增大了对流换热面积，空间利用也更充分，强化了换热效果。

相邻单元间的7、单元间隔墙在交汇处形成的角点融合扰流柱将原先的钝角转折设计成向前凸出的圆弧面，如图3所示，如此可使气流在每一个角点处的转折方向都增加一次，增强了冷气与壁面间的冲击冷却。

本发明中从燃气侧的高温热壁向外环内部冷壁的导热更好。涡轮外环常规冷却结构主要采用依靠扰流柱结构将燃气加热的热流导向冷壁，其导热的能力与扰流柱的总截面积成正比。而在双螺旋冷却结构中，除了每个单元体内部的隔肋和六边形扰流柱可以进行导热以外，还增加了单元体之间形成的单元间隔墙和角点融合扰流柱结构用于热量的传导，柱和肋的总截面积更大，相比常规冷却结构导热面积多出约74.8％，通过减小热源与冷源之间的热阻，达到强化冷却的目的。

另外在本发明中气膜孔的出口截面形状被设计成椭圆形可以使射流的动量降低，射流中心线更贴近壁面，掺入主流的冷气减少，提高气膜的覆盖面积，故起到更好的隔热冷却效果。

3、提高涡轮外环的结构强度

涡轮外环常规冷却结构主要是采用在实心壁厚中开设空腔，再用扰流柱连接内外两层壁，但这种近似点支撑的形式破坏了外环的强度和刚性，对结构强化的作用是有限的；然而本发明在保留扰流柱结构的基础上增设了其他形式的支撑结构，包括由单元体阵列形成的单元间隔墙，位于单元体内双螺旋冷气通道间的隔肋以及隔墙网络在交汇处形成的角点融合扰流柱。如图6所示，本发明将中间腔体设计为网状支撑结构，采用近似工字型截面形状，相比于涡轮外环常规冷却结构，这种连续的中间夹层应力分布更为均匀，抵抗挠曲变形能力增加了20％左右，从而提高了整个外环结构的稳定性与抗荷载能力。

附图说明

图1涡轮外环常规冷却结构及冷气流通路径示意图；

图2双螺旋腔式涡轮外环示意图；

图3双螺旋腔式涡轮外环局部放大图；

图4进气孔与流道圆弧式转接的双螺旋腔冷却结构局部剖面图；

图5(a)进气孔与流道折线式转接的双螺旋腔冷却结构局部剖面图；

图5(b)进气孔与流道直角式转接的双螺旋腔冷却结构局部剖面图；

图6进气孔与流道圆弧式转接的双螺旋腔式涡轮外环解剖图；

图7涡轮外环常规冷却结构内部气体流动三维数值仿真结果图；

图8进气孔与流道圆弧式转接的双螺旋腔冷却结构单元体内部气体流动三维数值仿真结果图。

图中，1、涡轮外环块；2、进气孔；3、进气板；4、扰流柱；5、出气板；6、气膜孔；7、单元间隔墙；8、单元间隔墙厚度D₁；9、单元间隔墙边长L₁；10、隔肋；11、隔肋宽度D₂；12、隔肋边长L₂；13、双螺旋冷气通道；14、双螺旋冷气通道宽度D₃；15、双螺旋冷气通道中心线；16、六边形扰流柱；17、六边形扰流柱边长L₃；18、角点融合扰流柱；19、角点融合扰流柱直径φd₁；20、气膜孔中心线；21、出射角α；22、进气孔中心线；23、圆弧转接段；24、圆弧转接段中心线半径r₁；25、进气孔与气膜孔距离δ；26、进气孔入口截面椭圆长轴b₁；27、进气孔入口截面椭圆短轴a₁；28、进气孔出口截面矩形长度b₂；29、进气孔出口截面矩形宽度a₂；30、进气板厚度h₁；31、外环块厚度H；32、出气板厚度h₂；33、气膜孔入口截面矩形长度b₃；34、气膜孔入口截面矩形宽度a₃；35、气膜孔出口截面椭圆长轴b₄；36、气膜孔出口截面椭圆短轴a₄；37、折线转接段；38、进气孔折线转折倾角β。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

结合上述发明内容参照图2、图3和图4所示，一种采用进气孔与内腔流道圆弧式转接的双螺旋腔式涡轮外环，结构上主要包括：涡轮外环块1；进气孔2；进气板3；出气板5；气膜孔6；单元间隔墙7；隔肋10；双螺旋冷气通道13；六边形扰流柱16；角点融合扰流柱18和圆弧转接段23。

将所述进气孔2设计成截面形状由椭圆过渡到矩形的变截面孔。通过截面形状长度相等和截面面积相等两个原则，一是进气孔从入口到出口沿程的截面形状长度保持不变，即进气孔入口截面椭圆长轴b₁ 26与进气孔出口截面矩形长度b₂ 28始终相等，b₁＝b₂＝4.5mm；二是进气孔从入口到出口沿程的截面面积均相等，即πa₁b₁＝a₂b₂＝3.93mm²，其中进气孔2截面形状的宽度从进气孔入口截面椭圆短轴a₁ 27不断减小至29、进气孔出口截面矩形宽度a₂，a₁＝1.1mm，a₂＝0.8mm。

进气孔2通过半径为圆弧转接段中心线半径r₁24的圆弧转接段23与双螺旋冷气通道13相连，其中r₁取值为0.5mm。

冷却气体从圆弧转接段23流出后，经隔肋10分流后分成两股进入双螺旋冷气通道13。为便于生产制造并减小流阻，在每个单元体中，所述双螺旋冷气通道13的每个双螺旋冷气通道宽度D₃14都是相同的，且均为1.8mm；另外单元间隔墙边长L₁9为10mm，隔肋边长L₂ 12为7.25mm，六边形扰流柱边长L₃ 17为4.5mm，且L₁+L₃＝2L₂；单元间隔墙厚度D₁ 8与隔肋宽度D₂ 11也设计成相等的，皆取1.2mm。

两股冷气在双螺旋冷气通道13内绕扰流结构一周后，在气膜孔6内重新汇合为一股并沿着出射角α21为35°方向继续流动。本发明所述气膜孔6的截面形状采用与进气孔2相反的渐变过程，故而气膜孔6的截面形状是由矩形过渡到椭圆的。通过截面形状长度相等和截面面积相等两个原则，一是气膜孔从入口到出口沿程的截面形状长度保持不变，即气膜孔入口截面矩形长度b₃33与气膜孔出口截面椭圆长轴b₄ 35始终相等，b₃＝b₄＝4.5mm，二是气膜孔从入口到出口沿程的截面面积均相等，即πa₃b₃＝a₄b₄＝3.93mm²，其中气膜孔截面形状的宽度从气膜孔入口截面矩形宽度a₃34不断增加至气膜孔出口截面椭圆短轴a₄36，a₃＝0.8mm，a₄＝1.1mm。

在所述单元体中，进气孔2位于涡轮外环块1远离燃气的一侧，气膜孔6位于涡轮外环块1与燃气接触的一侧，两种孔因为位于双螺旋冷气通道13的两端而相邻，且两个孔在空间上的距离为1.6mm。

六边形的单元体经过阵列排布后，每三个相邻单元体的隔墙之间就会形成一个交汇点，在这些交汇点上设计有直径为角点融合扰流柱直径φd₁19的角点融合扰流柱18，其中φd₁取值为2.6mm。

另外，本发明所述涡轮外环块1的进气板厚度h₁30与出气板厚度h₂ 32是相等的，而且都等于三分之一的外环块厚度H31，即h₁＝h₂＝H/3＝0.8mm。

实施例2

结合上述发明内容参照图2、图3、图4和图5a所示，一种采用进气孔与内腔流道折线式转接的双螺旋腔式涡轮外环。结构上主要包括：涡轮外环块1；进气孔2；进气板3；出气板5；气膜孔6；单元间隔墙7；隔肋10；双螺旋冷气通道13；六边形扰流柱16、角点融合扰流柱18和折线转接段37。

将所述进气孔2设计成截面形状由椭圆过渡到矩形的变截面孔。通过截面形状长度相等和截面面积相等两个原则，一是进气孔从入口到出口沿程的截面形状长度保持不变，即进气孔入口截面椭圆长轴b₁ 26与进气孔出口截面矩形长度b₂ 28始终相等，b₁＝b₂＝4mm；二是进气孔从入口到出口沿程的截面面积均相等，即πa₁b₁＝a₂b₂＝3.93mm²，其中进气孔2截面形状的宽度从进气孔入口截面椭圆短轴a₁ 27不断减小至29、进气孔出口截面矩形宽度a₂，a₁＝1mm，a₂＝0.7mm。

进气孔2通过角度为进气孔折线转折倾角β38的折线转接段37与双螺旋冷气通道13相连，其中β取值为120°。

冷却气体从折线转接段37流出后，经隔肋10分流后分成两股进入双螺旋冷气通道13。为便于生产制造并减小流阻，在每个单元体中，所述双螺旋冷气通道13的两个双螺旋冷气通道宽度D₃14是相同的，且均为1.7mm；另外单元间隔墙边长L₁9为9mm，隔肋边长L₂ 12为6.25mm，六边形扰流柱边长L₃ 17为3.5mm，且L₁+L₃＝2L₂；单元间隔墙厚度D₁ 8与隔肋宽度D₂11也设计成相等的，皆取1.1mm。

两股冷气在双螺旋冷气通道13内绕扰流结构一周后，在气膜孔6内重新汇合为一股并沿着出射角α21为35°方向继续流动。本发明所述气膜孔6的截面形状采用与进气孔2相反的渐变过程，故而气膜孔6的截面形状是由矩形过渡到椭圆的。通过截面形状长度相等和截面面积相等两个原则，一是气膜孔从入口到出口沿程的截面形状长度保持不变，即气膜孔入口截面矩形长度b₃33与气膜孔出口截面椭圆长轴b₄ 35始终相等，b₃＝b₄＝4mm，二是气膜孔从入口到出口沿程的截面面积均相等，即πa₃b₃＝a₄b₄＝3.93mm²，其中气膜孔截面形状的宽度从气膜孔入口截面矩形宽度a₃34不断增加至气膜孔出口截面椭圆短轴a₄36，a₃＝0.7mm，a₄＝1mm。

在所述单元体中，进气孔2位于涡轮外环块1远离燃气的一侧，气膜孔6位于涡轮外环块1与燃气接触的一侧，两种孔因为位于双螺旋冷气通道13的两端而相邻，且两个孔在空间上的距离为1.5mm。

六边形的单元体经过阵列排布后，每三个相邻单元体的隔墙之间就会形成一个交汇点，在这些交汇点上设计有直径为角点融合扰流柱直径φd₁19的角点融合扰流柱18，其中φd₁取值为2.5mm。

另外，本发明所述涡轮外环块1的进气板厚度h₁30与出气板厚度h₂ 32是相等的，而且都等于三分之一的外环块厚度H31，即h₁＝h₂＝H/3＝0.7mm。

实施例3

结合上述发明内容参照图2、图3、图4和图5b所示，一种采用进气孔与内腔流道直角式转接的双螺旋腔式涡轮外环。结构上主要包括：涡轮外环块1、进气孔2、进气板3、出气板5、气膜孔6、单元间隔墙7、隔肋10、双螺旋冷气通道13、六边形扰流柱16和角点融合扰流柱18。

将所述进气孔2设计成截面形状由椭圆过渡到矩形的变截面孔。通过截面形状长度相等和截面面积相等两个原则，一是进气孔从入口到出口沿程的截面形状长度保持不变，即进气孔入口截面椭圆长轴b₁ 26与进气孔出口截面矩形长度b₂ 28始终相等，b₁＝b₂＝5mm；二是进气孔从入口到出口沿程的截面面积均相等，即πa₁b₁＝a₂b₂＝3.93mm²，其中进气孔2截面形状的宽度从进气孔入口截面椭圆短轴a₁ 27不断减小至29、进气孔出口截面矩形宽度a₂，a₁＝1.2mm，a₂＝0.9mm。

进气孔2经过一次直角转折与双螺旋冷气通道13相连，而后冷气经隔肋10分流后分成两股进入双螺旋冷气通道13。为便于生产制造并减小流阻，在每个单元体中，所述双螺旋冷气通道13的两个双螺旋冷气通道宽度D₃14是相同的，且均为1.9mm；另外单元间隔墙边长L₁9可取11mm，隔肋边长L₂ 12可取8.25mm，六边形扰流柱边长L₃ 17可取5.5mm，且L₁+L₃＝2L₂；单元间隔墙厚度D₁ 8与隔肋宽度D₂ 11也设计成相等的，皆取1.3mm。

两股冷气在双螺旋冷气通道13内绕扰流结构一周后，在气膜孔6内重新汇合为一股并沿着出射角α21为40°方向继续流动。本发明所述气膜孔6的截面形状采用与进气孔2相反的渐变过程，故而气膜孔的截面形状是由矩形过渡到椭圆的。通过截面形状长度相等和截面面积相等两个原则，一是气膜孔从入口到出口沿程的截面形状长度保持不变，即气膜孔入口截面矩形长度b₃33与气膜孔出口截面椭圆长轴b₄ 35始终相等，b₃＝b₄＝5mm，二是气膜孔从入口到出口沿程的截面面积均相等，即πa₃b₃＝a₄b₄＝3.93mm²，其中气膜孔截面形状的宽度从气膜孔入口截面矩形宽度a₃34不断增加至气膜孔出口截面椭圆短轴a₄36，a₃＝0.9mm，a₄＝1.2mm。

在所述单元体中，进气孔2位于涡轮外环块1远离燃气的一侧，气膜孔6位于涡轮外环块1与燃气接触的一侧，两种孔因为位于双螺旋冷气通道13的两端而相邻，且两个孔在空间上的距离为进气孔与气膜孔距离δ25，其值为1.7mm。

六边形的单元体经过阵列排布后，每三个相邻单元体的隔墙之间就会形成一个交汇点，在这些交汇点上设计有直径为角点融合扰流柱直径φd₁19的角点融合扰流柱18，其中φd₁取值为2.7mm。

另外，本发明所述涡轮外环块1的进气板厚度h₁30与出气板厚度h₂ 32是相等的，而且都等于三分之一的外环块厚度H31，即h₁＝h₂＝H/3＝0.9mm。

Claims (7)

1.一种采用双螺旋冷却结构的涡轮外环，其特征在于，包括：涡轮外环块(1)、进气孔(2)、进气板(3)、出气板(5)、气膜孔(6)、单元间隔墙(7)、隔肋(10)、双螺旋冷气通道(13)、六边形扰流柱(16)和角点融合扰流柱(18)；

所述涡轮外环块(1)的单元体内部设有进气孔(2)和气膜孔(6)，近似为六边形的双螺旋冷气通道(13)，并且在两个冷气通道之间设有不闭合的环状隔肋(10)，在双螺旋腔的中心设有六边形扰流柱(16)，还包括相邻单元体之间形成的单元间隔墙(7)和角点融合扰流柱(18)；

所述进气孔(2)的截面形状是渐变的，其入口、中间和出口三个位置的截面分别为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ截面，形状分别为椭圆、近似椭圆和矩形，通过各截面的光滑转接，使得进气孔截面形状由入口的椭圆形逐渐转变为矩形；其中，Ⅰ截面椭圆形的尺寸参数由进气孔入口截面椭圆长轴b₁(26)和进气孔入口截面椭圆短轴a₁(27)确定；Ⅲ截面矩形的尺寸参数由进气孔出口截面矩形长度b₂(28)和进气孔出口截面矩形宽度a₂(29)确定；在孔型设计上采用了截面形状长度相等和截面面积相等两个原则；所述长度相等，即进气孔从Ⅰ截面变化到Ⅲ截面的过程中，截面形状长度保持不变，进气孔入口截面椭圆长轴b₁(26)到进气孔出口截面矩形长度b₂(28)始终相等，即b₁＝b₂；所述面积相等，即进气孔从Ⅰ截面变化到Ⅲ截面的过程中，截面面积均相等，即πa₁b₁/4＝a₂b₂；Ⅱ截面形状介于椭圆和矩形之间，但仍符合上述两个原则；

所述的进气孔(2)通过圆弧转接段(23)与双螺旋冷气通道(13)相连，其中圆弧转接段(23)的转角为90°，圆弧转接段中心线半径r₁(24)的取值范围为0.4～0.6mm；

在每个单元体中，所述双螺旋冷气通道(13)的两个双螺旋冷气通道宽度D₃(14)是相同的；单元间隔墙边长L₁(9)与六边形扰流柱边长L₃(17)之和等于隔肋边长L₂(12)的两倍，即L₁+L₃＝2L₂；单元间隔墙厚度D₁(8)与隔肋宽度D₂(11)相等，即D₁＝D₂；

所述气膜孔(6)的截面形状同样是渐变的，气膜孔(6)的入口、中间、出口和出口延伸段四个位置的截面分别为Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ截面，形状分别为矩形、近似椭圆和两个相同的椭圆，其中Ⅵ截面沿出射角α(21)方向一直延伸至Ⅶ截面，故两截面形状相等；通过各截面的光滑转接，使得气膜孔截面形状由入口的矩形逐渐转变为椭圆形；Ⅳ截面矩形的尺寸参数由气膜孔入口截面矩形长度b₃(33)和气膜孔入口截面矩形宽度a₃(34)确定；Ⅵ和Ⅶ截面椭圆的尺寸参数均由气膜孔出口截面椭圆长轴b₄(35)和气膜孔出口截面椭圆短轴a₄(36)确定；为保证流动具有较小的阻力，在孔型设计上采用了截面形状长度相等和截面面积相等两个原则；所述长度相等，即气膜孔从Ⅳ截面变化到Ⅶ截面的过程中，截面形状长度保持不变，气膜孔入口截面矩形长度b₃(33)与气膜孔出口截面椭圆长轴b₄(35)始终相等，且b₃＝b₄；所述面积相等，即气膜孔从Ⅳ截面变化到Ⅶ截面的过程中，截面面积均相等，且πa₄b₄/4＝a₃b₃；Ⅴ截面形状介于椭圆和矩形之间，但仍符合上述两个原则。

2.如权利要求1所述的一种采用双螺旋冷却结构的涡轮外环，其特征在于，所述的涡轮外环块(1)的进气板厚度h₁(30)与出气板厚度h₂(32)是相等的，而且都等于三分之一的外环块厚度H(31)，即h₁＝h₂＝H/3。

3.如权利要求1或2所述的一种采用双螺旋冷却结构的涡轮外环，其特征在于，所述的进气孔(2)位于涡轮外环块(1)远离燃气的一侧，气膜孔(6)位于涡轮外环块(1)与燃气接触的一侧，两种孔因为位于双螺旋冷气通道(13)的两端而相邻，但两个孔在空间上存在进气孔与气膜孔距离δ(25)。

4.如权利要求1或2所述的一种采用双螺旋冷却结构的涡轮外环，其特征在于，所述的进气孔(2)与双螺旋冷气通道(13)的连接方式如下：

进气孔与内腔流道折线式转接冷却结构；在该结构中，进气孔的进气孔中心线(22)是垂直于进气板(3)的，而后进气孔(2)通过折线转接段(37)与双螺旋冷气通道(13)相连，其中进气孔折线转折倾角β(38)的含义为折线转接段(37)的中心线与进气孔中心线(22)的夹角，取值120°～130°。

5.如权利要求3所述的一种采用双螺旋冷却结构的涡轮外环，其特征在于，所述的进气孔(2)与双螺旋冷气通道(13)的连接方式如下：

进气孔与内腔流道折线式转接冷却结构；在该结构中，进气孔的进气孔中心线(22)是垂直于进气板(3)的，而后进气孔(2)通过折线转接段(37)与双螺旋冷气通道(13)相连，其中进气孔折线转折倾角β(38)的含义为折线转接段(37)的中心线与进气孔中心线(22)的夹角，取值120°～130°。

6.如权利要求1或2所述的一种采用双螺旋冷却结构的涡轮外环，其特征在于，所述的进气孔(2)与双螺旋冷气通道(13)的连接方式如下：

进气孔与内腔流道直角式转接冷却结构；在该结构中，进气孔的进气孔中心线(22)是垂直于进气板(3)的，而后进气孔(2)经过一次直角转折与双螺旋冷气通道(13)相连。

7.如权利要求3所述的一种采用双螺旋冷却结构的涡轮外环，其特征在于，所述的进气孔(2)与双螺旋冷气通道(13)的连接方式如下：

进气孔与内腔流道直角式转接冷却结构；在该结构中，进气孔的进气孔中心线(22)是垂直于进气板(3)的，而后进气孔(2)经过一次直角转折与双螺旋冷气通道(13)相连。

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