[发明专利]一种带有支孔的波纹状气膜孔

说明书

一种带支孔的波纹形状气膜孔。其分为双波纹孔和单波纹孔；双波纹孔包括包括主孔和两个支孔；每个支孔由支孔前半段和支孔后半段构成；单波纹孔包括主孔和两个支孔后半段。本发明提供的带支孔的波纹形状气膜孔相比于圆柱孔能大大提升气膜冷却性能，相比国际先进的猫耳孔在低吹风比下实现冷却效果更好更稳定，高吹风比下较大提升冷却效果，使得气膜覆盖更加均衡和有效的同时，极大地简化了孔型结构复杂度，降低了加工难度以及增加了加工的容错度，为我国先进冷却技术的落地贡献力量。

技术领域

本发明属于燃气涡轮动力装置中热端部件的气膜冷却技术领域，特别是涉及一种带有支孔的波纹状气膜孔。

背景技术

涡轮级入口温度的不断提高可以增大航空发动机的推重比和热效率。随着航空发动机对推重比等要求的不断提升，导致发动机涡轮前温度进一步的提升。目前，推重比为10的发动机涡轮前燃气温度约1940K，未来民航客机可能达到推重比15，涡轮前燃气温度为2150K左右，第五代战机发动机的推重比将高达15～20，涡轮前燃气温度为2100K～2300K。涡轮前燃气温度的不断提高，已经超过了材料能承受的极限，为使涡轮热端部件能够长期有效地工作，必须使用上先进的气膜冷却技术。

气膜冷却是典型的外部冷却技术，冷却工质一般引自压气机，经高温部件上的离散孔喷射出来，并覆盖在高温部件表面，由此将高温燃气与壁面隔开，减少换热，同时也对高温部件进行冷却，保证材料工作的温度为稳定可接受的状态。气膜冷却的效果受多种因素的影响，其中一个主要因素的就是气膜孔本身的结构特性，不同的气膜孔形状会极大地影响气膜的附壁性和冷却效果。中国专利文献(CN201711202938.1)中公开了一种单分支孔的孔结构；中国专利文献(CN201910190482.4)中公开了一种双分支孔优化的孔结构；中国专利文献(CN201710454453.5)中公开了一种三分支孔的孔结构；分支孔能增加气流出口总面积，减少射流动量，降低冷却气流与主流的掺混，因此可提高附壁性；随着分支孔的出现，良好的支孔结构能够优化气膜冷却的涡旋结构，使得冷却效果变得更好。由于分支孔在高温部件表面需要在较近的区域内加工出多个支孔，这对经受着高温高压的热端部件的结构强度提出了很高要求。近年来，支孔多采用和主孔整出的形式，这解决了结构上的压力，也同时保证了良好的冷却效果，缺点是结构会变得复杂。目前国际上先进的孔结构中猫耳孔的冷却效果尤为出色，猫耳孔结构(日本专利)在出口端借鉴了双射流孔结构，支孔采取了复合角，主孔使用圆柱孔并通过扩张段连接两部分，我国激光先进打孔方面的专家认为猫耳孔支孔的复合角度和出口特殊的横向导流结构，使得出口处形成微涡，下游冷气能够很好地紧贴壁面，吹风越强，贴附性越好，这是工程上所需要的。我国近几年也研究了多种带支孔的异形孔，包括元宝孔、心形孔等，和国外相比，国内的研究主要是仿真为主，很少进行复杂异形孔的试验验证，原因是设计出来的形状无法被合格地加工出来。专家同时指出，难以加工的深层原因之一是需要对高温合金复合结构实现三维加工，其中复杂的带支孔的异形孔对这方面的加工提出了极高的要求，尤其是需要实现复杂叶片的空间在线定位与校正等。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种带支孔的波纹状气膜孔。

为了达到上述目的，本发明提供的带支孔的波纹状气膜孔为双波纹孔包括主孔和两个支孔；每个支孔由支孔前半段和支孔后半段构成；两个支孔后半段设置在主孔的前部左右两侧，并且具有展向扩展和后倾；两个支孔后半段与主孔的后部相互连通。

所述的主孔和支孔均为圆柱孔，主孔的孔径为D，支孔的孔径范围为0.8D～D，主孔的中轴线长度定义为孔长，孔长L＝2D～6D，支孔中轴线交点位于主孔的中轴线上L′/L＝0.4～0.6的分段点处，其中L′为两个支孔交点与主孔的出口中心间距离。

所述的主孔倾斜设置，主孔的中轴线与主气流流动方向间的倾角α为20°～50°；两个支孔的中轴线共面，支孔的中轴线相对于主孔的中轴线在主气流流动方向上的角度为支孔的后倾角γ，角度为-5°～10°；所述的支孔和主孔在展向的夹角β为扩展角，取值为14°～30°。