本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)領(lǐng)域，是一種離散氣膜冷卻孔結(jié)構(gòu)，可以大幅提高燃?xì)鉁u輪葉片的氣膜冷卻效果和橫向氣膜覆蓋面積，同時(shí)摻混損失亦不大，適用于燃?xì)鉁u輪葉片通道中需要冷卻的表面。

背景技術(shù)：

燃?xì)廨啓C(jī)廣泛應(yīng)用于航空、軍事、交通、電力等領(lǐng)域，為了提高整機(jī)熱效率，燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪進(jìn)口溫度越來(lái)越高，目前已遠(yuǎn)超渦輪葉片合金材料的耐溫極限。離散孔氣膜冷卻是當(dāng)前最普遍采用的高效冷卻技術(shù)，廣泛應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片葉身以及緣板冷卻。其基本原理是從壓氣機(jī)引入冷卻空氣至渦輪葉片，冷卻空氣通過(guò)密布于葉片上的離散冷卻孔流出并覆蓋于葉片表面，從而達(dá)到隔絕熱主流與金屬葉片表面的目的，降低葉片表面溫度，保證渦輪葉片長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。

離散孔氣膜冷卻最常用的冷卻孔是圓柱孔，圓柱孔具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不影響葉片強(qiáng)度、加工容易等優(yōu)點(diǎn)，因此在燃?xì)鉁u輪葉片上應(yīng)用廣泛。但隨著渦輪進(jìn)口溫度的逐步提高，圓柱孔冷卻效果偏低、氣膜覆蓋面積小、高吹風(fēng)比下氣膜易脫離壁面、摻混損失較大等缺點(diǎn)越來(lái)越明顯，除葉片前緣區(qū)外，目前先進(jìn)燃?xì)鉁u輪葉片上(吸力面、壓力面、端壁)已很少采用圓柱孔氣膜冷卻。

近年來(lái)，為了改善圓柱孔冷卻效果不足的缺陷，國(guó)內(nèi)外研究者陸續(xù)提出了多種新穎的冷卻孔，以提高冷卻效果。比如，擴(kuò)張孔、雙噴射孔、姐妹孔、溝槽孔、收縮槽孔等。上述冷卻孔結(jié)構(gòu)均比圓柱孔大幅提高了冷卻效率，其中擴(kuò)張孔是最成功的冷卻孔結(jié)構(gòu)，已應(yīng)用于多種實(shí)際航空發(fā)動(dòng)機(jī)及地面重型燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片?？傮w上看，目前所提出的各種改進(jìn)型冷卻孔幾乎均以圓柱孔為基礎(chǔ)，即冷卻孔的冷氣進(jìn)門(mén)端基本都是圓柱孔，或均以圓形橫截面為基礎(chǔ)，改進(jìn)部分主要是針對(duì)冷卻孔的出口端進(jìn)行。因此，目前絕大部分冷卻孔均可認(rèn)為是基于圓柱孔或圓形截面孔的改進(jìn)。

實(shí)際上，氣膜冷卻概念最早提出是使用的原始結(jié)構(gòu)為槽形結(jié)構(gòu)，或稱(chēng)為二維連續(xù)槽，為了便于實(shí)際應(yīng)用且不影響葉片強(qiáng)度，連續(xù)槽結(jié)構(gòu)逐漸演化為離散分布的孔，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且易于加工，圓柱型孔成為普遍使用的冷卻孔，這也是當(dāng)前絕大多數(shù)改進(jìn)型高效氣膜冷卻孔的進(jìn)氣側(cè)仍采用圓柱孔的原因。然而，從冷卻效果米看，連續(xù)槽結(jié)構(gòu)的氣膜冷卻效果要明顯優(yōu)于離散化的以圓柱孔為基礎(chǔ)的各種冷卻孔，只是由于連續(xù)槽在制造、結(jié)構(gòu)、布置等方面的一些問(wèn)題，限制了其在渦輪冷卻葉片上的使用，但槽型結(jié)構(gòu)這一基本結(jié)構(gòu)是可以借鑒用來(lái)發(fā)展更加高效的冷卻孔結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

有鑒于此，本發(fā)明公開(kāi)一種離散氣膜冷卻孔結(jié)構(gòu)，用以大幅度提高離散冷卻孔的氣膜冷卻效果，增大氣膜覆蓋面積，獲得有利的下游渦結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)高吹風(fēng)比下的氣膜貼附性。

(二)技術(shù)方案

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種離散氣膜冷卻孔結(jié)構(gòu)，用于燃?xì)鉁u輪葉片葉身或葉片上下緣板的氣膜冷卻，所述離散氣膜冷卻孔結(jié)構(gòu)包括離散分布的多個(gè)冷卻孔，用于冷卻氣體從所述冷卻孔流出形成氣膜，所述冷卻孔的橫截面為帶有側(cè)壁內(nèi)收結(jié)構(gòu)的扁矩形。

上述方案中，所述冷卻孔整體呈兩段式擴(kuò)張結(jié)構(gòu)，包括平直段和擴(kuò)張段，所述平直段的橫截面輪廓呈扁矩形，所述扁矩形兩側(cè)壁具有內(nèi)收結(jié)構(gòu)，所述擴(kuò)張段是通過(guò)所述扁矩形兩側(cè)壁橫向擴(kuò)張形成的；

上述方案中，所述平直段的橫截面的寬高比W/H在3和8之間；

上述方案中，所述平直段的橫截面的高度H為圓柱孔直徑D的0.3至0.6倍，所述圓柱孔的橫截面面積與所述冷卻孔的橫截面面積相等；

上述方案中，所述平直段的長(zhǎng)度與所述冷卻孔總長(zhǎng)度之比Lt/L在1/4和1/2之間；

上述方案中，所述平直段的橫截面的兩側(cè)壁具有內(nèi)收結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)收結(jié)構(gòu)是通過(guò)使冷卻孔下游壁向內(nèi)收縮形成的；

上述方案中，所述下游壁的內(nèi)收尺寸δ在圓柱孔直徑D的0.1至0.3倍，所述圓柱孔的橫截面面積與所述冷卻孔的橫截面面積相等；

上述方案中，所述擴(kuò)張段兩側(cè)具有橫向擴(kuò)張角γ，所述橫向擴(kuò)張角γ在10°和14°之間；

上述方案中，所述冷卻孔適用的噴射角α范圍在30°和70°之間；

上述方案中，所述多個(gè)冷卻孔之間的橫向孔間距為S，所述橫向孔間距S與圓柱孔徑D的比值S/D不小于5，所述圓柱孔的橫截面面積與所述冷卻孔的橫截面面積相等。

(三)有益效果

本發(fā)明提供的冷卻孔，是將普通擴(kuò)張孔的圓形橫截面轉(zhuǎn)變?yōu)閹в袀?cè)壁內(nèi)收結(jié)構(gòu)的扁矩形橫截面，有效的擴(kuò)大了孔的出口寬度，有利于獲得大寬度的氣膜覆蓋達(dá)到的冷卻效果極高。通過(guò)扁矩形橫截面兩側(cè)向下游壁的內(nèi)收結(jié)構(gòu)，能夠控制冷卻孔內(nèi)的擴(kuò)張流動(dòng)，在冷卻孔下游獲得有利的反腎型渦對(duì)，調(diào)節(jié)氣膜的橫向擴(kuò)張度，使氣膜分布更趨于均勻，且增強(qiáng)了在高吹風(fēng)比下的氣膜貼附能力。

附圖說(shuō)明

圖1a為現(xiàn)有的扇型擴(kuò)張孔結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1b為現(xiàn)有的簸箕形孔結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2a為本發(fā)明的冷卻孔結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2b為本發(fā)明的平直段的橫截面形狀示意圖；

圖2c為本發(fā)明的平直段的橫截面端壁內(nèi)收的多種方式示意圖；

圖2d為本發(fā)明的多個(gè)冷卻孔橫向布置三維示意圖；

圖2e為本發(fā)明的多個(gè)冷卻孔橫向間距示意圖；

圖3a為本發(fā)明的平直段的扁矩形橫截面變化示意圖；

圖3b為本發(fā)明的冷卻孔不同扁矩形寬高比下的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3c為本發(fā)明的冷卻孔半圓形側(cè)壁時(shí)空間平均冷效實(shí)驗(yàn)結(jié)果；

圖3d為本發(fā)明的冷卻孔直線形側(cè)壁時(shí)空間平均冷效實(shí)驗(yàn)結(jié)果；

圖4a為本發(fā)明的冷卻孔橫向擴(kuò)張角變化時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4b為本發(fā)明的冷卻孔半圓形側(cè)壁時(shí)橫向擴(kuò)張角對(duì)空間平均冷效影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；

圖4c為本發(fā)明的冷卻孔直線形側(cè)壁時(shí)橫向擴(kuò)張角對(duì)空間平均冷效影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；

圖5為本發(fā)明的冷卻孔對(duì)應(yīng)圖2c的側(cè)壁內(nèi)收方案時(shí)的下游x/D＝10處的冷卻效果分布數(shù)值計(jì)算結(jié)果；

圖6為本發(fā)明的冷卻孔在大矩形寬高比時(shí)側(cè)壁內(nèi)收方案示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

圖1a和圖1b分別展示了現(xiàn)有的扇形以及簸箕形擴(kuò)張孔的結(jié)構(gòu)，這是目前兩種應(yīng)用最廣泛的冷卻孔，比簡(jiǎn)單圓柱孔的冷卻效果都大幅提高。兩孔都屬于擴(kuò)張型孔，即冷卻孔的前半段為圓柱孔，冷卻孔的后半段為擴(kuò)張結(jié)構(gòu)，包括橫向擴(kuò)張和前擴(kuò)張?？椎钠街倍伍L(zhǎng)度用Lt表示，孔的總長(zhǎng)度用L表示，橫向擴(kuò)張角用γ表示，前擴(kuò)張角用ε表示。顯然，所展示的兩種現(xiàn)有的典型擴(kuò)張型孔都是在普通圓柱孔的基礎(chǔ)上對(duì)出口進(jìn)行了擴(kuò)張?zhí)幚?，以獲得更好的氣膜冷卻效果。

圖2a為本發(fā)明的冷卻孔結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明提供的用于燃?xì)鉁u輪葉片葉身或葉片通道上下端壁的氣膜冷卻的冷卻孔，沿冷氣流向分為平直段和擴(kuò)張段兩部分，平直段位于冷氣側(cè)，擴(kuò)張段位于燃?xì)鈧?cè)，平直段的長(zhǎng)度與該冷卻孔總長(zhǎng)度之比Lt/L在1/4至1/2之間。圖2b為本發(fā)明的平直段的橫截面形狀示意圖，平直段橫截面整體呈扁矩形，如圖中虛線所示，長(zhǎng)寬比W/H在3和8之間，擴(kuò)張段以矩形兩側(cè)壁為基礎(chǔ)向兩側(cè)橫向擴(kuò)張，橫向擴(kuò)張角在10°和14°之間。需要注意的是，矩形的兩側(cè)短邊具有內(nèi)收結(jié)構(gòu)，內(nèi)收尺寸δ在0.1D和0.3D之間。除了圖2b中所示的半圓形，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)壁的內(nèi)收還可通過(guò)弧線、導(dǎo)圓、斜線等方式實(shí)現(xiàn)，如圖2c所示。圖2c中包含了無(wú)內(nèi)收結(jié)構(gòu)(方案1)以及上游壁內(nèi)收結(jié)構(gòu)(方案5和6)的情況，主要作為對(duì)比使用。圖2d為本發(fā)明的多個(gè)冷卻孔橫向布置三維示意圖。圖2e為本發(fā)明的多個(gè)冷卻孔橫向間距示意圖，在布置為一排時(shí)，孔間距用S表示，由于孔出門(mén)寬度較大，布置時(shí)要求S/D至少在5以上。

通過(guò)圖2a、圖2b、以及圖2c展示的本發(fā)明的冷卻孔結(jié)構(gòu)可見(jiàn)，本發(fā)明孔型的橫截面由傳統(tǒng)擴(kuò)張孔的圓形轉(zhuǎn)為等橫截面積的扁矩形，同時(shí)保留了出門(mén)擴(kuò)張的結(jié)構(gòu)形式(本發(fā)明孔型只有橫向擴(kuò)張)，因此本發(fā)明提供的冷卻孔與現(xiàn)有冷卻孔的本質(zhì)區(qū)別是冷卻孔的橫截面由圓形轉(zhuǎn)為寬高比很大的扁矩形。重要的是，由于側(cè)壁內(nèi)收結(jié)構(gòu)的存在，使得孔內(nèi)的擴(kuò)張流動(dòng)得到合理控制，可以在孔下游產(chǎn)生有利的反腎型渦對(duì)，增強(qiáng)氣膜的貼附性能和氣膜覆蓋的均勻性。本發(fā)明提供的冷卻孔相對(duì)于基于圓柱孔的擴(kuò)張孔而言，優(yōu)勢(shì)在于：首先，橫截面橫向尺寸有效擴(kuò)大，配合橫向擴(kuò)張角，冷卻孔出口的橫向?qū)挾雀?，氣膜的橫向覆蓋面積更廣；其次，通過(guò)合理控制內(nèi)收尺寸，可以在孔下游獲得更均勻穩(wěn)定的氣膜覆蓋；最后，在只有橫向擴(kuò)張角的前提下，本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔出口面積小于基于圓柱孔的擴(kuò)張孔，因此本發(fā)明孔型的冷氣出口速度更高，有利于改善遠(yuǎn)下游的冷卻效果，并減少氣動(dòng)摻混損失。

本發(fā)明冷卻孔的每個(gè)參數(shù)對(duì)氣膜冷卻效果均有顯著影響，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，以下詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻結(jié)構(gòu)中每個(gè)參數(shù)的作用及取值范圍。每個(gè)參數(shù)定義可參見(jiàn)圖2a-2d。數(shù)值計(jì)算是針對(duì)孔徑為D＝10mm的情況進(jìn)行的，計(jì)算模型為平板，主流馬赫數(shù)Ma＝0.3，冷氣-主流密度比為DR＝1.75，吹風(fēng)比范圍M＝0.5-2.5，主流湍流度為T(mén)u＝5％，孔間距S/D＝6。實(shí)驗(yàn)是在平板模型進(jìn)行，采用PSP測(cè)量方法獲得氣膜冷卻效果，其中主流速度為Vm＝25m/s，孔徑D＝4mm，冷氣-主流密度比為DR＝1.38，吹風(fēng)比范圍M＝0.5-2.5，主流湍流度為T(mén)u＝3.5％，孔間距S/D＝6。

矩形截面的寬高比(W/H)：為了與普通圓柱孔的橫截面積等價(jià)，或保持單個(gè)孔的質(zhì)量流量接近，本發(fā)明提供的冷卻孔的扁矩形截面積要求與圓柱孔的圓形截面積相等或相似，同時(shí)為了使扁矩形截面積形狀更接近槽結(jié)構(gòu)，要求W/H至少是3，考慮到加工工藝問(wèn)題，以直徑為D的普通圓柱孔為基準(zhǔn)，假設(shè)實(shí)際渦輪葉片的冷卻孔徑為D＝1mm，如果矩形橫截面的兩側(cè)為半圓形，W/H＝3.5時(shí)，則對(duì)應(yīng)的橫截面高度為H＝0.49左右。如果采用圖2c中不同的扁矩形側(cè)壁形狀，則H值可能在一定范圍內(nèi)有小的變化。實(shí)際上，扁矩形截面寬高比W/H越大，則被冷卻平板的平均氣膜冷卻效果越高。圖3a給出了三種典型的矩形寬高比變化，對(duì)應(yīng)每種矩形寬高比，分別給出了兩種側(cè)壁形狀，即半圓形側(cè)壁和直線側(cè)壁。圖3b是不同矩形寬高比下的冷卻孔結(jié)構(gòu)示意圖，其中17D、20D、23D分別表示矩形橫截面寬度為圓柱孔徑的1.7倍、2.0倍和2.3倍，Cir和Str分別表示半圓形側(cè)壁和直線側(cè)壁，14deg表示橫向擴(kuò)張角是14度。圖3c和3d分別為實(shí)驗(yàn)獲得的下游30D×6D范圍內(nèi)的空間平均氣膜冷卻效果隨吹風(fēng)比的變化。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看到，矩形寬高比越大，則空間平均冷卻效果越高，即使是最小的矩形寬高比情況，空間平均冷卻效果也比扇形孔顯著提高。此外，半圓形側(cè)壁比直線型側(cè)壁更加適應(yīng)高吹風(fēng)比情況，這也是設(shè)置矩形截面?zhèn)缺趦?nèi)收結(jié)構(gòu)的原因所在。

橫向擴(kuò)張角γ：橫向擴(kuò)張角越大，則冷卻孔出口的寬度越大。但由于擴(kuò)張流動(dòng)的存在，過(guò)大的橫向擴(kuò)張角有可能導(dǎo)致孔內(nèi)流動(dòng)分離，因此最大擴(kuò)張角取值在γ＝14°為宜。如果要達(dá)到一定的冷卻孔出門(mén)寬度，可以采用較大的矩形寬高比W/H配合稍小的橫向擴(kuò)張角γ實(shí)現(xiàn)。圖4a顯示了兩種寬高比配合兩種擴(kuò)張角的情況，四種方案的冷卻孔出口寬度大致一致，圖中12deg和10deg分別表示橫向擴(kuò)張角為12度和10度，其它符號(hào)與圖3b中一致。圖4b和圖4c的空間平均冷卻效果顯示，在吹風(fēng)比M＜2.0時(shí)，稍微減小橫向擴(kuò)張角并未降低總體冷卻效果，但吹風(fēng)比M＞2.0時(shí)，大擴(kuò)張角對(duì)于增加總體冷卻效果是有利的。另外，半圓形側(cè)壁對(duì)高吹風(fēng)比條件有利。

平直段長(zhǎng)度Lt：這一參數(shù)影響冷氣在孔內(nèi)的擴(kuò)張流動(dòng)，Lt數(shù)值較小時(shí)擴(kuò)張流動(dòng)發(fā)生早，Lt數(shù)值較大時(shí)擴(kuò)張流動(dòng)發(fā)生晚。為了保持出門(mén)流動(dòng)均勻，Lt與孔的總長(zhǎng)度L的比值Lt/L在1/4-1/2之間較合適，Lt/L＝1/3是推薦值。

孔噴射角α：氣膜冷卻孔在布置時(shí)均有一定的噴射角，而且孔布置在壓力面或吸力面噴射角的大小有差異，通常圓柱孔的噴射角在20-80度之間，本發(fā)明冷卻孔的噴射角在30-70度之間均適用。

孔間距S：由于本發(fā)明的冷卻孔截面積為扁矩形，而且寬高比較大，同時(shí)具有橫向擴(kuò)張角，因此冷卻孔出口橫向?qū)挾让黠@大于普通圓柱孔以及以普通圓柱孔為基礎(chǔ)的改進(jìn)型擴(kuò)張孔，因此使用時(shí)以圓柱孔徑作為參考，S/D應(yīng)不小于5。

側(cè)壁內(nèi)收尺寸δ：這一參數(shù)對(duì)氣膜冷卻效果分布具有很強(qiáng)的影響。圖5顯示了圖2c中8種側(cè)壁形狀孔的橫向氣膜冷卻效果分布，該結(jié)果米自于數(shù)值計(jì)算。不難發(fā)現(xiàn)，側(cè)壁內(nèi)收尺寸大小以及側(cè)壁內(nèi)收是在上游壁還是下游壁都對(duì)氣膜冷卻效果分布具有顯著影響。側(cè)壁內(nèi)收如果發(fā)生在上游壁，則下游氣膜分布是單峰模式。側(cè)壁內(nèi)收發(fā)生在下游壁，則下游氣膜分布是雙峰或三峰形式，并與矩形截面長(zhǎng)寬比有關(guān)。顯然，雙峰或三峰形式的總體冷卻效果較高。因此，側(cè)壁內(nèi)收應(yīng)取在下游壁，如圖2c中的方案2，3，4，7，8。側(cè)壁內(nèi)收尺寸大，則傾向于雙峰模式，側(cè)壁內(nèi)收尺寸小，則傾向于三峰模式。對(duì)于長(zhǎng)寬比較小的矩形橫截面，側(cè)壁內(nèi)收尺寸應(yīng)取小值。對(duì)于長(zhǎng)寬比較大的矩形橫截面，側(cè)壁內(nèi)收尺寸應(yīng)取稍大的值。綜合來(lái)看，側(cè)壁內(nèi)收尺寸取0.1D-0.3D之間較合適。只要有側(cè)壁內(nèi)收存在，則氣膜孔下游會(huì)產(chǎn)生反腎型渦對(duì)，對(duì)氣膜的穩(wěn)定及均勻覆蓋有利。

圖6顯示了一種較大矩形寬高比的情況，此種情況下，較大的下游壁內(nèi)收尺寸比較易于在下游獲得均勻的氣膜覆蓋。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。