CN109763868B - 一种新型分叉气膜孔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型分叉气膜孔，包括主气膜孔与分气膜孔，所述分气膜孔包括在主气膜孔两侧对称设置的左分气膜孔与右分气膜孔，所述左分气膜孔与右分气膜孔的入口端均与所述主气膜孔连通，所述左分气膜孔与右分气膜孔的前段均与主气膜孔存在展向夹角，且后段均与主气膜孔平行。本发明的新型分叉气膜孔相对于传统气膜孔结构能够较大幅度的提升气膜冷却性能，满足航空发动机的热端部件的冷却要求。

Description

一种新型分叉气膜孔

技术领域

本发明涉及航空发动机的热端部件技术领域，尤其涉及一种应用于航空发动机的热端部件的新型分叉气膜孔结构。

背景技术

为了提升航空发动机的推重比与热效率，涡轮段进口的温度越来越高，已经超过金属材料可承受的温度。为了降低热端部件的热载荷并保证其正常工作，对部件的冷却就变得尤为重要。目前常见的高温部件冷却方式有气膜冷却、对流冷却、发散冷却和复合冷却等。气膜冷却技术为主要冷却方式之一，在有效降低涡轮叶片表面温度和热应力方面发挥着重要作用，对其进行持续而深入的研究是提高航空发动机性能的重要途径。

气膜冷却是通过在高温部件的表面、围带、端壁等处开设离散孔来实现的。冷却工质通过离散孔射出，在表面上形成一层气膜，对高温部件起到两方面的热防护作用：一是将高温燃气与壁面隔开，避免高温气体对壁面进行对流换热——隔热作用；二是将高温燃气的辐射热量直接带走——冷却作用。

在以往的研究工作中，关于孔形的研究主要集中在异形孔和出口附近设置扰流结构的气膜孔。研究结果表明，这些方法相比于圆柱孔能够提高冷却性能。这是由于这些改进措施可以降低肾形涡强度，削弱冷气与主流掺混。但是这些结构较为复杂，对主流气动性能有一定的影响并增加气动损失，甚至降低发动机效率；而且部分异形孔机械加工难度大，可实现性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型分叉气膜孔，该新型分叉气膜孔结构相对于传统气膜孔结构(圆柱孔与分叉孔)能够较大幅度的提升气膜冷却性能，满足航空发动机的热端部件的冷却要求。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种新型分叉气膜孔，包括主气膜孔与分气膜孔，所述分气膜孔包括在主气膜孔两侧对称设置的左分气膜孔与右分气膜孔，所述左分气膜孔与右分气膜孔的入口端均与所述主气膜孔连通，所述左分气膜孔与右分气膜孔的前段均与主气膜孔存在展向夹角，且后段均与主气膜孔平行。

进一步的，所述主气膜孔和分气膜孔均为圆柱孔。

进一步的，所述左分气膜孔与右分气膜孔均从主气膜孔分出，且左分气膜孔出口端和右分气膜孔出口端均与所述主气膜孔出口端平行。

进一步的，所述左分气膜孔出口端、右分气膜孔出口端的中心线均与所述主气膜孔出口端的中心线位于同一直线上。

进一步的，所述的主气膜孔与分气膜孔组成一个气膜孔单元。

进一步的，冷却气体从主气膜孔的入口端流入气膜孔单元，并经过左分气膜孔与右分气膜孔分流，最终经过主气膜孔出口端与左分气膜孔出口端及右分气膜孔出口端射出，在外壁面上形成气膜冷却，对叶片进行冷却。

进一步的，所述主气膜孔的直径为D，流向倾角为α，长度L为5D～7D，其中流向倾角为主气膜孔与平板表面的夹角，α＝25°～50°；所述左分气膜孔分为前段与后段，左分气膜孔的直径D₁＝0.4D～0.6D，前段与主气膜孔的展向夹角β＝15°～45°，后段与主气膜孔平行，左分气膜孔出口端与主气膜孔出口端的展向距离P1＝1.0D～1.5D，所述右分气膜孔的特征尺寸与左侧分气膜孔相同。

进一步的，所述气膜孔单元按一定方式排列，其展向间距P＝3D～5D。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

1)分气膜孔的应用可以增加孔出口面积，改善流场涡系结构，降低主孔肾形涡的尺寸与强度，增大气膜覆盖面积，最终提升冷却效率；

2)分气膜孔与主气膜孔的冷却气体相互干渉，降低主肾形涡对高温主流的卷吸程度，由于分气膜孔的出口端与主气膜孔的出口端平行，气体相互干涉作用相对于传统分叉孔增强，因此冷却效率更高；

3)由于分气膜孔与主气膜孔出口端平行，冷气对主流的冲击较小，流动损失降低，孔下游流向冷却距离增加；

4)主气膜孔和分气膜孔的横截面均为圆柱孔，组成结构简单，便于加工。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为本发明结构的三维示意图；

图2为本发明结构的俯视图；

图3为本发明结构的剖视图；

图4为本发明结构应用于平板冷却实验的示意图；

图5为本发明气膜孔与传统分叉孔、圆柱孔展向平均冷效对比；

图6为本发明的气膜孔与传统分叉孔、圆柱孔的下游流向流动结构；

图7为使用数值模拟研究了相同吹风比下(M＝2.0)，三种气膜孔(圆柱孔、传统分叉孔与本发明的新型分叉孔)下游不同位置的温度与矢量云图。

图中：1、主气膜孔；2、左分气膜孔；3、右分气膜孔；4、主气膜孔入口； 5、主气膜孔出口端；6、左分气膜孔出口端；7、右分气膜孔出口端；8、叶片内壁面；9、叶片外壁面；10、高温主流；11、冷却气体；12、气膜孔单元；13、高速相机；14、气膜孔板；15、实验平板；16、热色液晶。

具体实施方式

如图1所示，本发明由一个主气膜孔1和两个以主气膜孔轴线对称分布的左分气膜孔2和右分气膜孔3组成，主气膜孔1与分气膜孔的横截面均为圆形，主气膜孔的直径大于分气膜孔的直径。其中左分气膜孔2和右分气膜孔3均与主气膜孔连通，左分气膜孔2和右分气膜孔3均分为两段，前段与主气膜孔1 存在展向夹角，后段与主气膜孔1平行。左分气膜孔2和右分气膜孔3的结构是区别于其他气膜孔的主要特征，也是该新型分叉气膜孔相对于其他气膜孔能够提升冷却性能的原因。整个气膜孔组合以多个单元体12按照周期性与对称性拓展而成。

如图2和图3所示，主气膜孔1直径为D，分气膜孔2,3的直径D₁为 0.4D～0.6D。分气膜孔前段与主气膜孔1的展向夹角β为15°～45°；后段与主气膜孔平行。左分气膜孔出口端6和右分气膜孔出口端7与主气膜孔出口端5 的展向距离P₁为1.0D～1.5D。主气膜孔的出口端5与左分气膜孔出口端6和右分气膜孔出口端7的中心线处于相同直线上。主气膜孔1长度L为5D～7D，主气膜孔的进口段主气膜孔入口端到分气膜孔分叉端的距离L₁为0.3L～0.5L。气膜孔流向倾角α主气膜孔与平板表面的夹角为25°～50°。

图4为本发明的分叉气膜孔进行的平板冷却实验，此时流向倾角为45°，主流温度为50℃，冷却气体为30℃，共有三个气膜孔单元12。实验中使用热色液晶16显示实验平板15表面温度，使用高速相机13拍照并计算得到绝热冷效。冷却气体11经过气膜孔板14射出，在实验平板15形成气膜覆盖，同时与高温主流10在下游相互掺混最终耗散。

如图5所示，通过平板实验对比了在相同吹风比下(M＝1.0)，圆柱孔、传统分叉孔与本发明的新型分叉孔的展向平均冷效。可以看出在相同吹风比下，新型分叉孔的平均冷效在气膜孔下游基本高于传统分叉孔与圆柱孔。

如图6所示，通过平板实验对比圆柱孔、传统分叉孔与本发明的新型分叉孔在不同吹风比下区域平均冷效。可以看出，在各个吹风比下，新型分叉孔的区域平均冷效相对于另外两种气膜孔有了显著的提升。

如图7所示，使用数值模拟研究了相同吹风比下(M＝2.0)，三种气膜孔(圆柱孔、传统分叉孔与本发明的新型分叉孔)下游不同位置的温度与矢量云图。可以看出，相同吹风比下，在传统分叉孔与本发明分叉孔中，冷却气体从两侧小孔射出，形成较小的涡，与主孔形成的肾形涡相互干涉，此时主肾形涡卷吸的气体不再是高温主流气体，而是两侧气膜孔的冷气。此外，由于分气膜孔的存在，这两种气膜孔的出口面积大于圆柱孔，因此其冷气在气膜孔出口的速度降低，因此其主肾形涡的尺度降低。从而两种分叉孔的冷却效率相对于圆柱孔有明显提升。对比传统分叉孔与本发明的新型分叉孔可以看出，本发明的新型分叉孔中分气膜孔冷气更加明显的与主气膜孔的冷气进行掺混。这是由于新型分叉孔的分气膜孔的出口端与主气膜孔的出口端平行；而传统分叉孔的分气膜孔与主气膜孔存在展向倾角，分气膜孔中的冷气存在展向速度。因此与主气膜孔冷气的相互干涉作用明显强于传统分叉孔。

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的前提下，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 (8)

1.一种新型分叉气膜孔，其特征在于，包括主气膜孔(1)与分气膜孔，所述分气膜孔包括在主气膜孔两侧对称设置的左分气膜孔(2)与右分气膜孔(3)，所述左分气膜孔(2)与右分气膜孔(3)均从主气膜孔分出，且所述左分气膜孔(2)与右分气膜孔(3)的入口端均与所述主气膜孔(1)连通，所述左分气膜孔(2)与右分气膜孔(3)的前段均与主气膜孔(1)存在展向夹角，且后段均与主气膜孔(1)平行。

2.根据权利要求1所述的新型分叉气膜孔，其特征在于，所述主气膜孔(1)和分气膜孔均为圆柱孔。

3.根据权利要求1所述的新型分叉气膜孔，其特征在于，左分气膜孔出口端(6)和右分气膜孔出口端(7)均与主气膜孔出口端(5)平行。

4.根据权利要求3所述的新型分叉气膜孔，其特征在于，所述左分气膜孔出口端(6)、右分气膜孔出口端(7)的中心线均与所述主气膜孔出口端(5)的中心线位于同一直线上。

5.根据权利要求2所述的新型分叉气膜孔，其特征在于，所述的主气膜孔(1)与分气膜孔组成一个气膜孔单元(12)。

6.根据权利要求1所述的新型分叉气膜孔，其特征在于，冷却气体(11)从主气膜孔(5)的入口端流入气膜孔单元(12)，并经过左分气膜孔(2)与右分气膜孔(3)分流，最终经过主气膜孔出口端(5)与左分气膜孔出口端(6)及右分气膜孔出口端(7)射出。

7.根据权利要求5所述的新型分叉气膜孔，其特征在于，所述主气膜孔(1)的直径为D，流向倾角为α，长度L为5D～7D，其中流向倾角为主气膜孔(1)与平板表面的夹角，α＝25°～50°；所述左分气膜孔(2)分为前段与后段，左分气膜孔(2)的直径D1＝0.4D～0.6D，前段与主气膜孔(1)的展向夹角β＝15°～45°，后段与主气膜孔(1)平行，左分气膜孔出口端(6)与主气膜孔出口端(5)的展向距离P1＝1.0D～1.5D，所述右分气膜孔(3)的特征尺寸与左侧分气膜孔(2)相同。

8.根据权利要求5或7所述的新型分叉气膜孔，其特征在于，所述气膜孔单元(12)按一定方式排列，其展向间距P＝3D～5D。

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