一种气膜冷却孔型结构制造技术

本发明专利技术涉及一种气膜冷却孔型结构，包括气膜孔和壁面，气膜孔的出口位于壁面的上游区域，其特征在于所述气膜孔包括圆柱段和扩张段，圆柱段的一端为冷气进气口，圆柱段的另一端连接扩张段的一端，扩张段的另一端为气膜孔的出口，所述扩张段由中间孔和两个扩张孔组成，中间孔与每个扩张孔之间相互联通，在壁面的俯视图中，两个扩张孔以中间孔为轴对称布置，每个扩张孔与中间孔的中心轴线之间的夹角β为10‑40°。

Gas film cooling groove structure

The invention relates to a film cooling hole structure, including the film hole Hebi, film hole outlet wall surface of the upstream region, which is characterized in that the gas film hole includes a cylindrical section and expansion section, the air inlet end of the cylindrical section, the other end is connected at one end of the cylindrical section of the expansion section, the other one end of the dilated segment for the film hole outlet, the expansion section consists of the central hole and two hole expansion, interconnected between middle hole and each expansion hole wall in the top view, the two expansion hole to hole axis symmetrically between the central axis of each expansion angle beta and the middle hole the hole is 10 ~ 40.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃气轮机涡轮叶片气膜冷却
，具体涉及一种气膜冷却孔型结构。
技术介绍
随着科技发展水平的不断提高，燃气透平进口温度也不断上升，燃气透平叶片想要在如此恶劣的环境下工作，得益于气膜冷却技术的广泛应用。气膜冷却的基本原理是：通过气膜孔流出的冷却气流覆盖于叶片表面，将叶片表面和高温主流气体隔绝开，从而达到冷却壁面的作用。圆柱形冷却孔具有结构简单、加工容易等优点，广泛应用于气膜冷却当中。但圆柱孔的出口面积小，冷气出口速度大，高吹风比时容易吹离壁面。如专利号为ZL201010106756.6的中国专利中公开了一种提高壁面展向冷却效率的结构，其不足之处在于该专利中气膜孔如果为圆孔，当使用高吹风比时，冷却气流容易冲入主流当中，使冷却效率降低。近年来主流温度逐渐增加，圆柱孔的冷却效率低，覆盖面小的缺点日益明显。因此，近年来国内外通过增大气膜孔出口面积，用来提高下游壁面冷却效率。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种气膜冷却孔型结构。该结构以圆柱形气膜孔为基础(冷气入口段是圆柱形)，沿冷气流方向分为圆柱段和扩张段，扩张段由中间孔和两侧扩张孔组合而成，将冷却气体分流，增大冷气在壁面横向的覆盖面积，明显改善下游壁面横向的冷却效率；并且由于分流减小了冷气垂直壁面的流速，在高吹风比下也不易冲入主流，能良好地贴近壁面，同时提高展向冷却效率。本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种气膜冷却孔型结构，包括气膜孔和壁面，气膜孔的出口位于壁面的上游区域，其特征在于所述气膜孔包括圆柱段和扩张段，圆柱段的一端为冷气进气口，圆柱段的另一端连接扩张段的一端，扩张段的另一端为气膜孔的出口，所述扩张段由中间孔和两个扩张孔组成，中间孔与每个扩张孔之间相互联通，在壁面的俯视图中，两个扩张孔以中间孔为轴对称布置，每个扩张孔与中间孔的中心轴线之间的夹角β为10-40°。与现有技术(圆柱形气膜孔)相比，本专利技术对圆柱形孔进行扩张，通过不同形状间孔的自由组合，使得气膜孔出口面积大大增加，降低了冷气出口垂直壁面的速度，冷气可以很好的被主流压在壁面上，不设置凹槽或凸起仍然能够使冷气贴近壁面，显著提高冷却效率。冷气流经扩张孔时，冷却气体向壁面横向扩散，显著增大了对下游壁面的横向冷却效率。同时，出口面积增大，气流沿垂直壁面方向的出口速度降低，在高吹风比(吹风比大于0.8时)下冷却气不会吹离壁面，因此本专利技术在高吹风比条件下也同样适用。本专利技术稳定性好，结构简单，实施方便，价格低廉。实验表明，在吹风比为0.5的条件下，与现有圆柱形气膜孔结构相比，在无开槽和凸起结构影响下，本专利技术气膜冷却效率在横向有明显的提高，而在展向的冷却效率降低并不明显。在5倍孔径处，本专利技术的平均冷却效率比现有结构提高了164.3％；在10倍孔径处，本专利技术的平均冷却效率比现有结构提高了103.7％。而在吹风比为1的条件下，本专利技术展向冷却效率比现有结构提高了77.8％。附图说明图1本专利技术一种气膜冷却孔型结构的一种实施例的整体结构框架图；图2本专利技术一种气膜冷却孔型结构的一种实施例的主视结构示意图；图3本专利技术一种气膜冷却孔型结构的一种实施例的俯视结构示意图；图4本专利技术一种气膜冷却孔型结构的一种实施例的右视结构示意图；图5a吹风比为0.5的条件下，本专利技术实施例1的气膜孔下游壁面的冷却效率分布图；图5b吹风比为0.5的条件下，现有圆柱形气膜孔结构气膜孔下游壁面的冷却效率分布图；图5c吹风比为0.5的条件下，现有离散圆锥形气膜孔结构气膜孔下游壁面的冷却效率分布图；图6a吹风比为1时，本专利技术实施例1气膜孔下游横向下游壁面中心线(z/d＝0)处气膜冷却效率分布图；图6b吹风比为1时，现有圆柱形气膜孔结构气膜孔下游横向下游壁面中心线(z/d＝0)处气膜冷却效率分布图；图7a吹风比为0.5时，现有圆柱形气膜孔结构(或现有结构)与本专利技术实施例1的气膜孔下游壁面展向5倍孔径(x/d＝5)处气膜冷却效率分布的比较；图7b吹风比为0.5时，现有圆柱形气膜孔结构与本专利技术实施例1的气膜孔下游壁面展向10倍孔径(x/d＝10)处气膜冷却效率分布的比较；图8吹风比为1时，现有圆柱形气膜孔结构与本专利技术实施例1的气膜孔下游壁面中心线(z/d＝0)处气膜冷却效率分布的比较；图9本专利技术气膜冷却孔型结构的冷却原理示意图；图10本专利技术一种气膜冷却孔型结构一种实施例中扩张孔为四棱柱形孔的俯视结构示意图；图11本专利技术一种气膜冷却孔型结构一种实施例中间孔为圆锥形孔的俯视结构示意图；图中，1-气膜孔、2-壁面、11-圆柱段、12-扩张段、13-冷气进气口、14-气膜孔的出口、121-中间孔、122-扩张孔。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术做进一步说明，但并不以此限制对本专利技术权利要求的保护范围。本专利技术气膜冷却孔型结构(简称结构，参见图1-8)包括气膜孔1和壁面2，气膜孔的出口位于壁面的上游区域，所述气膜孔1包括圆柱段11和扩张段12，圆柱段的一端为冷气进气口13，圆柱段的另一端连接扩张段的一端，扩张段的另一端为气膜孔的出口14，所述扩张段12由中间孔121和两个扩张孔122组成，中间孔与每个扩张孔之间相互联通，在壁面的俯视图中，两个扩张孔以中间孔为轴对称布置，即气膜孔的出口沿壁面横向呈轴对称形状，每个扩张孔与中间孔的中心轴线之间的夹角β为10-40°。本专利技术进一步特征在于所述扩张孔122的形状为圆柱形孔、棱柱形孔、棱锥形孔或圆锥形孔等几何拓扑结构。本专利技术进一步特征在于所述中间孔121的形状可以为圆柱形孔、锥形孔、月牙形孔或Console孔等几何拓扑结构。本专利技术进一步特征在于圆柱段11与扩张段12的长度比值为0.75-1.25。本专利技术进一步特征在于扩张孔孔径与中间孔孔径比值为0.5-1.5。本专利技术进一步特征在于气膜孔中心线与壁面的夹角α为20-70°，这里的气膜孔中心线与壁面的夹角α又称为喷射角。本专利技术进一步特征在于该孔型结构在壁面上沿横向等距布置多个气膜孔。具体布置气膜孔的数量以实际需要经过计算得到。本专利技术进一步特征在于壁面横向宽度w与中间孔的孔径的比值为5-10。本专利技术一种气膜冷却孔型结构，其重点在于扩张孔与中间孔的中心轴线之间的夹角β、扩张孔与中间孔的孔型、气膜孔中心线与壁面的夹角(即喷射角α)、圆柱段11与扩张段12的比值、扩张孔孔径与中间孔孔径比值以及气膜孔出口横向排布数量，以上参数对下游冷却效果的影响起决定作用。在高吹风比环境下，可通过减小喷射角α，以减小出口冷却气体c在垂直壁面方向(壁面法线方向)上的分速度，使冷气贴壁流出，进而增大冷却效果。通过增大每个扩张孔与中间孔的中心轴线之间的夹角和改变扩张孔孔型，可以增加冷气的横向覆盖面积，进而增大下游壁面横向冷却效率。本专利技术气膜冷却孔型结构的冷却原理(参见图9)是：冷气进气口冷却气体b流经扩张段12，将冷却进行横向扩散，增大了横向冷却效率。同时主流气体a从上游吹过，冷却气体在气膜孔的出口处与主流气体a相遇，由于扩张段降低了气膜孔的出口处冷却气体c垂直壁面2的分速度，使得冷气更容易被主流气体a压于壁面2，因此也适用于高吹风比情况。本专利技术说明书及附图中出现的X代表平行壁面来流方向，Y代表壁面法线方向，Z代表垂直于来流方向和壁面法线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气膜冷却孔型结构，包括气膜孔和壁面，气膜孔的出口位于壁面的上游区域，其特征在于所述气膜孔包括圆柱段和扩张段，圆柱段的一端为冷气进气口，圆柱段的另一端连接扩张段的一端，扩张段的另一端为气膜孔的出口，所述扩张段由中间孔和两个扩张孔组成，中间孔与每个扩张孔之间相互联通，在壁面的俯视图中，两个扩张孔以中间孔为轴对称布置，每个扩张孔与中间孔的中心轴线之间的夹角β为10‑40°。

【技术特征摘要】
1.一种气膜冷却孔型结构，包括气膜孔和壁面，气膜孔的出口位于壁面的上游区域，其特征在于所述气膜孔包括圆柱段和扩张段，圆柱段的一端为冷气进气口，圆柱段的另一端连接扩张段的一端，扩张段的另一端为气膜孔的出口，所述扩张段由中间孔和两个扩张孔组成，中间孔与每个扩张孔之间相互联通，在壁面的俯视图中，两个扩张孔以中间孔为轴对称布置，每个扩张孔与中间孔的中心轴线之间的夹角β为10-40°。2.根据权利要求1所述的气膜冷却孔型结构，其特征在于所述扩张孔的形状为圆柱形孔、棱柱形孔、棱锥形孔或圆锥形孔。3.根据权利要求1所述的气膜冷却孔型结构，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：王进，田可，杨历，陈占秀，闵春华，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12