CN118148718A - 仿生气膜冷却结构和涡轮叶片以及冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿生气膜冷却结构，包括具有气膜孔的发动机冷却壁面，在所述气膜孔冷却气流出口侧的冷却壁面上设有用于使冷却气流贴附在冷却壁面的仿生槽；所述的仿生槽是在所述流向上的气膜孔下游，沿着所述中轴线，并在所述展向延伸的槽，同时，所述仿生槽在流向上依次均匀排布，在所述中轴线的左、右两侧相互对应并在中轴线处连通设置；贴近冷却壁面表面的气流在通过仿生槽时会在槽中产生垂直指向冷却壁面表面的下洗流，下洗流将穿透高温燃气主流的冷却气流重新带至冷却壁面表面，提高气膜冷却效果，同时将该仿生气膜冷却结构用在涡轮叶片上；本发明适用于所有离散孔形式的气膜冷却，且无需改变原有涡轮叶片上气膜孔的位置分布。

Description

仿生气膜冷却结构和涡轮叶片以及冷却方法

技术领域

本发明涉及气膜冷却技术，尤其涉及发动机热端部件气膜冷却结构、涡轮叶片及气膜冷却方法。

背景技术

为提高航空燃气涡轮发动机的性能，涡轮前温度不断提高。当前部分民用大涵道比涡扇发动机涡轮前温度已经超过2000K，远超涡轮材料的耐温极限。在此种情况下，对涡轮高温部件进行高效冷却尤为重要。而近些年来，航空发动机性能的提升一部分归功于冷却技术的进步。气膜冷却是涡轮热端部件应用最为广泛的外部冷却方式之一，其原理是使冷却气流经过气膜孔等冷却结构喷射而出，形成覆盖热端部件表面的冷却气膜，使其免受高温燃气的直接冲击。

目前，在气膜冷却中应用最多的是离散圆柱形气膜孔，但其射流展向覆盖能力差，容易穿透主流，并且由于气膜孔喷射的低温冷却射流在与高温主燃气流掺混的过程中，由于射流与主流的温度和速度之间的差异会在气膜孔出口下游壁面附近形成反转肾形涡对，迫使低温冷却射流脱离壁面，高温主燃气流重新贴附壁面，导致气膜覆盖面积减少，气膜冷却效果降低。为克服以上缺点，提出复合角气膜孔、异形孔、凹槽气膜孔等各种气膜孔结构，均是通过优化气膜孔结构，可以在一定程度上提高气膜冷却效果，其中凹槽气膜孔即是在气膜孔出口位置开出一条沿展向分布的凹槽，将一排气膜孔出口联通起来，但其也只能对冷却气射流靠近壁面的一小部分起作用，且气膜孔出口下游由于射流作用会产生回流泡，进一步限制了凹槽孔作用的发挥，因而现有气膜孔结构提升冷却气覆盖面积的作用有限。

Liu等-2020-Investigation of Riblet Geometry and Start Locatio的论文中，提供了人字形仿生微槽结构，但是仅将其用于压气机叶片吸力面，从而延缓叶片吸力面的分离位置，减小吸力面分离区大小，进而可以降低压气机叶片损失。论文中研究了不同雷诺数以及不同微槽几何特征对其降低压气机叶片损失能力的影响。

同时的，已有一些学者提供了人字形仿生微槽结构，将其应用于表面减阻、提高风机叶片效率、抑制压气机叶片表面分离等。尽管这些研究已经提供了微槽结构，但不涉及该结构运用到气膜冷却领域的说法与适应冷却的结构。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足提供一种能够提高气膜孔冷气射流沿展向扩散的能力，且能够使冷却气更好的附着壁面，从而实现并提高气膜冷却效果的仿生气膜冷却结构和涡轮叶片以及冷却方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种仿生气膜冷却结构，其特征在于，包括具有气膜孔的发动机冷却壁面，在所述气膜孔出口侧的冷却壁面上设有用于提高气膜冷却效果的仿生槽；

在所述的冷却壁面上，以高温燃气主流方向为流向，以所述气膜孔中轴线左、右两侧的垂直向为展向，所述的中轴线是气膜孔在所述流向上的中轴线，所述的仿生槽即是在所述流向上的气膜孔下游，沿着所述中轴线，并在所述展向延伸的槽，同时，所述仿生槽在流向上依次均匀排布，在所述中轴线的左、右两侧相互对应并在中轴线处连通设置；

所述流向上排布的仿生槽的槽与槽之间为在冷却壁面上直接加工槽体时形成的连接脊；或在所述流向上依次均匀连续设有的肋，肋与肋之间形成的槽即为仿生槽。

进一步的，所述仿生槽以所述中轴线为中线的展向角度α为20—120°，使得仿生槽以人字形槽结构在流向上依次均匀排布，且仿生槽的展向延伸长度在所述流向排布上逐渐减小，最终在所述展向上形成以中轴线为底边的梯形或三角形的连续槽。

进一步的，所述气膜孔的出口直径为D，则有：

所述仿生槽沿所述流向总长L为(4—20)D，沿展向总宽W为(2—8)D；仿生槽的截面深度h为(0.05—0.2)D，截面宽度w为(0.05—0.25)D；仿生槽的间距d为(0.2—1)w。

进一步的，所述仿生槽沿流向数量随气膜孔吹风比增大而增加，且仿生槽长度也随所述气膜孔吹风比增大而增长。

进一步的，所述仿生槽截面形状为矩形或倒三角形或半椭圆形或倒梯形或平行四边形。

进一步的，所述气膜孔是与冷却壁面具有夹角β为20—90度的倾斜孔，且气膜孔为圆柱型气膜孔或异型气膜孔。

进一步的，位于所述流向前端的仿生槽通过开口与气膜孔出口下游连通。

进一步的，在所述流向上，所述仿生槽位于气膜孔下游，所述流向前端的仿生槽不与气膜孔相连通，且位于所述流向前端的仿生槽与气膜孔出口中心点的距离为(0.5-1)D。

本发明还涉及一种具有以上所述仿生气膜冷却结构的涡轮叶片，所述的仿生气膜冷却结构设置在具有气膜孔的涡轮叶片上，所述仿生槽位于涡轮叶片表面的每个气膜孔的沿流向的出口下游，不影响原有涡轮叶片气膜孔的分布位置。

本发明还涉及一种所述仿生气膜冷却结构的冷却方法，包括如下步骤：

从所述气膜孔中喷射的低温冷却射流，贴近冷却壁面表面的气流在仿生槽的扰动下，形成微小涡流，并在多条仿生槽形成微小涡流的累积效应下，靠近冷却壁面的气流中会产生指向冷却壁面表面的下洗流，下洗流将穿透高温燃气主流的冷却气流重新带至冷却壁面表面；

所述低温冷却射流在与高温燃气主流掺混的过程中，由于低温冷却射流与主流的温度和速度之间的差异，会在气膜孔出口下游壁面附近形成反转肾形涡对，所述下洗流方向与反转肾形涡对相反，进而削弱反转肾形涡对，降低冷却射流与主流的掺混强度，有效提高了冷却气流贴附壁面的能力；

同时，在仿生槽的槽中产生的微小涡流还会促使冷却壁面附近的冷却气以及被下洗流吸附至壁面的冷却气流在展向方向扩散，提高冷却气流的覆盖面积，进一步的提高了气膜冷却效果。

本发明提出的气膜冷却结构不改变原有涡轮叶片气膜孔的位置分布，而是在原有气膜孔后加上本发明提出仿生槽结构。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出的人字形仿生微槽会在其中轴面两侧、靠近壁面的流体中产生指向壁面的下洗流，该下洗流可促使气膜孔排出的、未贴附至壁面的冷却气流吸附至涡轮叶片表面，并且可以削弱冷气射流引起的反转肾形涡对，提高气膜冷却效果。

2、本发明提出的人字形仿生微槽内也会产生微小的涡流，促使冷气沿展向和流向均匀铺开，提高冷却气膜的覆盖面积。

3、与传统离散孔气膜冷却结构相比，本发明借助气膜孔出口的人字形仿生微槽可明显提高冷气膜的覆盖面积以及冷却气流贴附壁面的能力，进而在使用相同的冷却气的前提下明显提高气膜冷却效果。

4、本发明提出的人字形仿生微槽结构可与所有几何形状的气膜孔(包括传统圆柱形孔和异形孔)结合使用，适用于所有离散孔形式的气膜冷却，且无需改变原有涡轮叶片上气膜孔的位置分布，在工程应用中具备很好的灵活性。

人字形仿生微槽能够实现以上效果，主要得益于其能够在贴壁附面层中产生二次涡流，促进边界层附近气流的混合；此外微槽也会在其中轴面两侧、靠近壁面的流体中产生指向壁面的下洗流，均是发明人针对需要解决叶片等冷却壁面冷却问题而提出的。

附图说明

图1为本发明仿生气膜冷却结构的总体分布示意图；

图2为本发明仿生气膜冷却结构单元结构的俯视图；

图3为本发明仿生气膜冷却结构单元结构沿中轴线的剖视图；

图4为本发明仿生气膜冷却结构中人字形微槽的截面示意图；

图5为本发明气膜冷却原理示意图；

图6为本发明仿生微结构提高气膜冷却效果的原理示意图。

图中：1为冷却壁面，2为气膜孔，3为仿生槽，31为开口，4为高温燃气主流，5为低温冷却射流，6为反转肾形涡对，7为下洗流，8为微小涡流；

A方向为流向，B方向为展向。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

为了实现上述目的，本发明提供以下具体实施方式：

实施例1：如图1-4所示，一种仿生气膜冷却结构，包括具有气膜孔2的发动机冷却壁面1，气膜孔2是与冷却壁面1具有夹角β为20—90度的倾斜孔，且气膜孔2为圆柱型气膜孔或异型气膜孔；在气膜孔2冷却气流出口侧的冷却壁面1上设有用于提高气膜冷却效果的仿生槽3；

如图1和图3所示，在冷却壁面1上，以高温燃气主流方向为流向，以气膜孔2中轴线左、右两侧的垂直向为展向，中轴线是气膜孔2在流向上的中轴线，仿生槽3即是在流向上的气膜孔2后方，沿着中轴线并在展向延伸的槽，同时，仿生槽3在流向上依次均匀排布，在中轴线的左、右两侧相互对应并在中轴线处连通设置；位于流向前端的仿生槽3通过开口31与气膜孔2出口下游连通。

流向上排布的仿生槽3槽与槽之间为在冷却壁面1上直接加工槽体时形成的连接脊；或在流向上依次均匀连续设有的肋，肋与肋之间形成的槽即为仿生槽3。

仿生槽3以中轴线为中线的展向角度α为20—120°，使得仿生槽3以人字形槽结构在流向上依次均匀排布，且仿生槽3的展向延伸长度在流向排布上逐渐减小，最终在展向上形成以中轴线为底边的梯形或三角形的连续槽，如图2所示，即是在展向上形成以中轴线为底边的梯形。

仿生槽3截面形状为矩形或倒三角形或半椭圆形或倒梯形或平行四边形。气膜孔2的出口直径为D，则有：仿生槽3沿流向总长L为4—20D，沿展向总宽W为2—8D；仿生槽3的截面深度h为0.05—0.2D，截面宽度w为0.05—0.25D；仿生槽3的间距d为0.2—1w，仿生槽3的间距d即为连接脊或肋的截面宽度。如图4所示，本实例中采用截面形状为矩形的仿生槽3为例，并标出了以上限定结构名称。

仿生槽3沿流向数量随气膜孔2吹风比增大而增加，且仿生槽3长度也随气膜孔2吹风比增大而增长。

本发明提供的仿生气膜冷却结构包括具有气膜孔2的冷却壁面1和仿生槽3。仿生槽3位于气膜孔出口下游，仿生槽3中轴面与气膜孔中轴面重合，仿生槽3前端部分的槽与气膜孔出口连接，并呈一定角度向气膜孔出口两侧延伸；沿着出流冷气流向均匀排列多排人字形仿生槽3。在仿生槽3的作用下，在仿生槽3中轴面两侧、靠近壁面的流体中会产生指向壁面的下洗流，可将气膜孔排出的冷气流吸附至壁面，提高气膜冷却效果。此外，每一条人字形仿生槽3内也会产生微小的涡流，可促使贴附在壁面的冷却气沿展向均匀铺开，提高冷气膜覆盖面积，进而在使用相同的冷却气的前提下明显提高气膜冷却效果。

实施例2，与实施例1相同，不同的是在流向上，仿生槽3位于气膜孔2之后，流向前端的仿生槽3不与气膜孔2相连通，且位于流向前端的仿生槽3与气膜孔2出口中心点的距离为(0.5-1)D。

实施例3：本发明的仿生气膜冷却结构是设置在具有气膜孔的涡轮叶片上，仿生槽3位于涡轮叶片表面的每个气膜孔2沿流向的出口下游，不影响原有涡轮叶片气膜孔的分布位置。

实施例4：如图5、6所示，本发明还提供一种仿生气膜冷却结构的冷却方法，包括如下步骤：

从所述气膜孔2中喷射的低温冷却射流5，贴近冷却壁面1表面的气流在仿生槽3的扰动下，形成微小涡流8，并在多条仿生槽3形成微小涡流8的累积效应下，靠近冷却壁面1的气流中会产生指向冷却壁面1表面的下洗流7，下洗流7将穿透高温燃气主流4的冷却气流重新带至冷却壁面1表面；

所述低温冷却射流5在与高温燃气主流掺混的过程中，由于低温冷却射流5与主流的温度和速度之间的差异，会在气膜孔2出口下游壁面附近形成反转肾形涡对，所述下洗流7方向与反转肾形涡对相反，进而削弱反转肾形涡对6，降低冷却射流与主流的掺混强度，有效提高了冷却气流贴附壁面的能力；

同时，在仿生槽3的槽中产生的微小涡流8还会促使冷却壁面1附近的冷却气以及被下洗流7吸附至壁面的冷却气流在展向方向扩散，提高冷却气流5的覆盖面积，进一步的提高了气膜冷却效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仿生气膜冷却结构，其特征在于，包括具有气膜孔(2)的发动机冷却壁面(1)，在所述气膜孔(2)出口侧的冷却壁面(1)上设有用于提高气膜冷却效果的仿生槽(3)；

在所述的冷却壁面(1)上，以高温燃气主流方向为流向，以所述气膜孔(2)中轴线左、右两侧的垂直向为展向，所述的中轴线是气膜孔(2)在所述流向上的中轴线，所述的仿生槽(3)即是在所述流向上的气膜孔(2)下游，沿着所述中轴线，并在所述展向延伸的槽，同时，所述仿生槽(3)在流向上依次均匀排布，在所述中轴线的左、右两侧相互对应并在中轴线处连通设置；

所述流向上排布的仿生槽(3)的槽与槽之间为在冷却壁面(1)上直接加工槽体时形成的连接脊；或在所述流向上依次均匀连续设有的肋，肋与肋之间形成的槽即为仿生槽(3)。

2.如权利要求1所述的仿生气膜冷却结构，其特征在于，所述仿生槽(3)以所述中轴线为中线的展向角度α为20—120°，使得仿生槽(3)以人字形槽结构在流向上依次均匀排布，且仿生槽(3)的展向延伸长度在所述流向排布上逐渐减小，最终在所述展向上形成以中轴线为底边的梯形或三角形的连续槽。

3.如权利要求1所述的仿生气膜冷却结构，其特征在于，所述气膜孔(2)的出口直径为D，则有：

所述仿生槽(3)沿所述流向总长L为(4—20)D，沿展向总宽W为(2—8)D；仿生槽(3)的截面深度h为(0.05—0.2)D，截面宽度w为(0.05—0.25)D；仿生槽(3)的间距d为(0.2—1)w。

4.如权利要求3所述的仿生气膜冷却结构，其特征在于，所述仿生槽(3)沿流向数量随气膜孔(2)吹风比增大而增加，且仿生槽(3)长度也随所述气膜孔(2)吹风比增大而增长。

5.如权利要求1所述的仿生气膜冷却结构，其特征在于，所述仿生槽(3)截面形状为矩形或倒三角形或半椭圆形或倒梯形或平行四边形。

6.如权利要求1所述的仿生气膜冷却结构，其特征在于，所述气膜孔(2)是与冷却壁面(1)具有的夹角β为20—90度的倾斜孔，且气膜孔(2)为圆柱型气膜孔或异型气膜孔。

7.如权利要求1-6任一所述的仿生气膜冷却结构，其特征在于，位于所述流向前端的仿生槽(3)通过开口(31)与气膜孔(2)出口下游连通。

8.如权利要求1-6任一所述的仿生气膜冷却结构，其特征在于，在所述流向上，所述仿生槽(3)位于气膜孔(2)下游，所述流向前端的仿生槽(3)不与气膜孔(2)相连通，位于所述流向前端的仿生槽(3)与气膜孔(2)出口中心点的距离为(0.5-1)D。

9.一种具有如权利要求1-8所述仿生气膜冷却结构的涡轮叶片，其特征在于，所述的仿生气膜冷却结构设置在具有气膜孔的涡轮叶片上，所述仿生槽(3)位于涡轮叶片表面的每个气膜孔(2)的沿流向的出口下游，不影响原有涡轮叶片气膜孔的分布位置。

10.如权利要求所述仿生气膜冷却结构的冷却方法，其特征在于，包括如下步骤：

从所述气膜孔(2)中喷射的低温冷却射流(5)，贴近冷却壁面(1)表面的气流在仿生槽(3)的扰动下，形成微小涡流(8)，并在多条仿生槽(3)形成微小涡流(8)的累积效应下，靠近冷却壁面(1)的气流中会产生指向冷却壁面(1)表面的下洗流(7)，下洗流(7)将穿透高温燃气主流(4)的冷却气流重新带至冷却壁面(1)表面；

所述低温冷却射流(5)在与高温燃气主流掺混的过程中，由于低温冷却射流(5)与主流的温度和速度之间的差异，会在气膜孔(2)出口下游壁面附近形成反转肾形涡对，所述下洗流(7)方向与反转肾形涡对相反，进而削弱反转肾形涡对(6)，降低冷却射流与主流的掺混强度，有效提高了冷却气流贴附壁面的能力；

同时，在仿生槽(3)的槽中产生的微小涡流(8)还会促使冷却壁面(1)附近的冷却气以及被下洗流(7)吸附至壁面的冷却气流在展向方向扩散，提高冷却气流(5)的覆盖面积，进一步的提高了气膜冷却效果。