[发明专利]一种提高冷却效率的新型气膜孔

说明书

技术领域

本发明涉及到涡轮动力装置中的气膜冷却技术领域，是一种能够提高燃气轮机涡轮叶片以及燃烧室壁面冷却效率的新型气膜孔，适用于新一代高性能航空发动机对高温部件冷却性能的要求。

背景技术

现代航空发动机的高速发展使透平进口燃气温度不断提高，从而加重叶片的热负荷，导致叶片材料性能下降，影响发动机的安全运行。据美国权威部门统计，航空发动机的故障有超过60%出现在高温部位，并有不断上升的趋势，我国一些发动机高温部件的寿命一般只有几百小时，而高温部件的材料费及加工费十分昂贵，由此带来的经济损失十分严重。因此，必须采用有效的冷却措施对透平叶片加以保护，使其免受高温腐蚀或损伤。

在众多的冷却技术中，气膜冷却在近代燃气轮喷气发动机、冲压发动机主燃烧室、导向叶片、工作叶片、叶栅侧壁和加力燃烧室中都得到了广泛的应用。火箭发动机的燃烧室和喷管以及超音速机翼均可以采用气膜冷却。它通过在高温部件表面开设槽缝或小孔，将冷却介质以横向射流的形式注入到主流中，在主流的压力和摩擦力的作用下，射流弯曲并覆盖于高温部件表面，形成温度较低的冷气膜，从而对高温部件起到隔热和冷却的作用。

气膜冷却效果主要受气膜孔的几何结构（包括气膜孔的喷射角度、孔径大小、孔长与孔径比、孔的间距、孔出口的形状等）、叶片的几何参数和气膜孔的气动参数等因素影响。许多研究表明，气膜射流出口处速度分布很不均匀，流场结构复杂，不同气膜孔形状对冷却气膜的附壁性、横向的覆盖宽度、纵向的覆盖长度及对孔口下游的冷却效果都有显著的影响。与圆柱孔相比，气膜孔出口扩张可以降低冷气在气膜孔的出口动量，减弱冷气和燃气的掺混程度，改善冷气在壁面的贴附性，具有更好的隔热冷却效果。尤其在高吹风比时扩张孔能够不同程度地抑制反向涡旋对的产生，对气膜冷却表面可以提供更好的热保护。扩张形气膜孔能够获得比常规圆柱孔较好的冷却效果，但是通过对孔内速度矢量图的分析发现，气膜孔内仍有明显的流动分离和不规则性，并且单纯的扩张形孔并没有将冷气充分地利用，而且可能会带来较大的气动损失。

在常规的离散孔气膜冷却中，孔与孔之间的区域是冷却的薄弱区域，研究发现在气膜孔出口处沿着与冷气流动垂直的方向开设一个有一定深度和宽度的横槽，可使气膜的横向分布更均匀，并显著改善槽下游被冷却壁面的冷却效果。与其它冷却结构相比，带横向槽的气膜冷却有结构简单，易于加工、耗气量少的特点。但是目前的研究多集中在圆柱形气膜孔出口处开横向槽，并未实现将扩张孔与开横向槽有效地组合。本发明经过精心的设计与研究，使得该新型气膜孔在不同吹风比下的冷却效率均高于单纯的扩张孔及开槽孔，并且易于加工，

是一种很有实用前景的气膜冷却孔型。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高冷却效率的新型气膜孔结构，该孔形对下游气膜孔中心线处冷却效率及两气膜孔之间横向冷却效率的改善比较显著，并使冷却气膜覆盖的不均匀性减小。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

本发明包括位于平板上的圆锥形气膜孔1，以及圆锥形气膜孔1上沿着与冷气流动垂直的方向开的矩形横槽2，其特征在于：新型气膜孔孔轴线与平面倾斜布置，将圆柱形孔加工成有一定孔口张角的圆锥形开口，在圆锥形开口上方开有一横向槽2。

新型气膜孔为开横槽内嵌圆锥孔，孔排由3个孔组成，孔长与孔径比L/D＝4～5，孔与孔之间的距离为3.0D～5.0D，气膜孔高度为2.5D～3.5D，吹风比M的范围为0.5～2.0，适用于任何顺压力梯度的表面。

气膜孔轴线与平面倾斜布置，孔轴线与流动方向的夹角α的范围为10°～40°。

圆锥形孔是在圆柱形孔的基础上加工而成的，气膜孔在冷气入口处的横截面为圆形，离气膜孔入口高度大约2/3处的上游是一个张角为10°～20°的圆锥形开口，下游为一高度为0.5D～1.0D的垂直固壁。

圆锥形气膜孔开口上方开有横向槽，横槽上、下游的垂直固壁与圆锥形气膜孔开口处距离为1.0D～1.5D，横向槽深度为0.5D～1.0D。