一种依据气膜孔出口速度分布而设计的开槽结构制造技术

本发明专利技术的目的在于提供一种依据气膜孔出口速度分布而设计的开槽结构，包括进口段、开槽凹坑段，所述进口段为圆柱孔，所述开槽凹坑段包括相互连接的圆柱型气膜孔出口段和背风面凹坑段，圆柱型气膜孔出口段与进口段相连并相通，所述的背风面凹坑段为梯形体，梯形体下平面开设凹坑，凹坑的截面包括一个半圆以及分别与半圆相切的两个尾缘棱台，凹坑上以及凹坑两侧的背风面凹坑段上各开设一个出气口。本发明专利技术依据冷气喷射速度分布增加了背风面气膜孔的出口面积，降低了该区域冷气出口动量，增加了冷气覆盖效果；下游的棱台使得部分冷气向横向两侧扩张，对于冷气的利用更加充分。

A slotted structure designed according to the velocity distribution at the exit of the gas film hole

The purpose of the invention is to provide a basis for the film hole exit velocity distribution and the design of the slotted structure, including the import section, slotted pits, the inlet section is a cylindrical hole, the slotted section pit comprises mutually connected cylindrical film hole outlet section and leeward pits, cylindrical film hole the exit section is connected and communicated with the inlet section, the leeward side pits the trapezoid body, trapezoid body under plane open pit, the pit section includes a semicircle and two trailing edge bevel and tangent semicircles, pits and pit pits on both sides of the leeward section are respectively equipped with an air outlet. The invention is based on the air jet velocity distribution increases the leeward film hole outlet area, reduce the area of air conditioning export momentum, increase the air cover effect; the downstream part of the cold air makes the frustum expansion to the lateral sides of the cold air, to more fully utilize.

【技术实现步骤摘要】
一种依据气膜孔出口速度分布而设计的开槽结构
本专利技术涉及的是一种燃气涡轮发动机的冷却装置，具体地说是燃气涡轮叶片、端壁和燃烧室等高温部件的冷却装置。
技术介绍
现代燃气涡轮发动机的工作温度已经远远超过金属材料的可承受温度。气膜冷却作为一种高效的先进冷却方式，被广泛应用于燃气轮机和航空发动机的高温部件冷却。在燃气涡轮发动机中，气膜冷却是将从压气机相应级中抽出的压缩的冷却气体从一个或者多个离散孔中喷射，在壁面形成一层气体薄膜以保护壁面不被高温气体烧蚀，而气膜冷却效率的高低直接影响到所需压缩空气量的多少，进而影响到燃气涡轮机整机的运行效率和性能。气膜冷却是由对流主导的两股不同温度流体相互掺混及与冷却壁面的对流换热问题，而提高气膜冷却效率的关键是限制冷气从气膜孔喷射出后被高温气体吹离，同时扩大冷却气体在壁面的覆盖面积，特别是扩大冷气的横向覆盖范围；因此，冷气喷射后与高温主流所形成的流场结构尤为重要。近年来，为了提高气膜冷却效率，国内外研究者在孔型和组合孔两个方向陆续提出了多种新颖的冷却方式。比如，扩张孔、元宝孔、姊妹孔、双射流孔、沟槽孔、圆锥孔等。然而这些孔存在着加工制造工艺、结构强度和实际工况匹配等方面的困难，上述孔型在工程中并没有得到广泛的应用。气膜冷却最常用的冷却孔是圆柱孔，圆柱孔具有结构简单、不影响叶片强度、加工容易等优点，因此在工程中得到了广泛的应用，但随着涡轮进口温度的提高，圆柱孔气膜冷却效率偏低、冷气覆盖面积小、不适于高吹风比等劣势越来越明显。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供提高燃气涡轮发动机的气膜冷却效率、增大气膜覆盖面积一种依据气膜孔出口速度分布而设计的开槽结构。本专利技术的目的是这样实现的：本专利技术一种依据气膜孔出口速度分布而设计的开槽结构，其特征是：包括进口段、开槽凹坑段，所述进口段为圆柱孔，所述开槽凹坑段包括相互连接的圆柱型气膜孔出口段和背风面凹坑段，圆柱型气膜孔出口段与进口段相连并相通，所述的背风面凹坑段为梯形体，梯形体下平面开设凹坑，凹坑的截面包括一个半圆以及分别与半圆相切的两个尾缘棱台，凹坑上以及凹坑两侧的背风面凹坑段上各开设一个出气口，来自于进口段的气体进入圆柱型气膜孔出口段后，通过三个出气口向外喷射。本专利技术还可以包括：1、开槽凹坑段的首部与其尾缘的距离为L1，进口段的圆柱孔直径为D，L1在0.4-0.5倍D之间。2、背风面凹坑段的梯形体截面的下边长为W2，进口段的圆柱孔直径为D，W2在1.2-1.5倍D之间。3、开槽凹坑段的首部与其尾缘的距离为L1，尾缘棱台长度为L2，凹坑截面半圆的半径为R，进口段的圆柱孔直径为D，凹坑高度为H，L2在0.5-0.8倍L1之间，R在0.1-0.4倍L1之间，H在0.5-1.0被D之间。4、进口段圆柱孔的射流角为20°-60°。本专利技术的优势在于：1、本专利技术的气膜冷却孔保留了传统圆柱截面气膜冷却孔加工成本低的优点；相较于传统的圆孔和成型孔，增加了背风面气膜冷却孔的出口面积，降低了下游高速区的冷气出口动量，增强了气膜覆盖效果，加工难度相对减少；相对于其它孔槽，本专利技术根据冷却喷射速度分布而设计，热端部件结构强度得到了一定的增强。2、利用背风面的开槽凹坑，气膜孔出口各个区域冷气得到了充分的利用，冷却气体具有更好的覆盖效果。附图说明图1为本专利技术的三维示意图；图2为开槽凹坑段俯视图；图3为本专利技术的主视图；图4为未开槽的冷气射流出口平面上速度等值线；图5为本专利技术应用于平板气膜冷却的示意图。具体实施方式下面结合附图举例对本专利技术做更详细地描述：结合图1-5，本专利技术为一种依据气膜孔出口速度分布而设计的开槽结构，该种气膜冷却孔包括进口段1和开槽凹坑段2，进口段1为圆柱型气膜孔，开槽凹坑段2由迎风面保留的圆柱型气膜孔出口段5和背风面下游依据冷气喷射速度而设计的凹坑6连接而成。所述的开槽凹坑段2是保留了进口段1上游迎风面的出口段5，并在圆柱形气膜孔出口尾缘为起点往上开一个新型凹槽。图2为本专利技术的一种依据气膜孔出口速度分布而设计的开槽结构的通流部分的俯视图。下游背风面凹坑段的控制参数包括：1、孔槽距离出口尾缘的距离L1是在0.4～0.5倍圆柱气膜孔直径D之间；2、等腰梯形下边长W2是在1.2～1.5倍圆柱气膜孔直径D之间，相应的偏转角度值β由L1和W2共同决定；3、尾缘附近棱台长度L2是在0.5～0.8倍L1之间，半径R在0.1～0.4倍L1之间；4、孔槽高度H在0.5～1.0倍气膜孔直径D之间。该气膜冷却孔与冷却壁面的夹角α即射流角在20°～60°之间，孔间距P/D在3～5之间。图5是本专利技术在平板气膜冷却上的应用实例。冷却气体4以图中所给的进气方向进气会在圆柱型气膜孔内产生“喷射现象”，并在与主流3相互作用后形成了图4所给的速度等值线。本专利技术依据这种流动结构而设计的开槽凹坑结构，气膜孔上游迎风面喷射速度低，射流穿透主流边界层的能力弱，冷气在与主流相互作用后直接在靠近中心线区域形成气膜覆盖。同时，本专利技术的新型孔槽在背风面(冷气喷射速度高)通过增大孔出口面积，减小了冷气喷射速度，并在下游棱台影响下该区域冷气向横向两侧扩张，增加了气膜冷却的覆盖范围，对冷气的利用更加充分，气膜分布覆盖范围更大且分布均匀。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种依据气膜孔出口速度分布而设计的开槽结构，其特征是：包括进口段、开槽凹坑段，所述进口段为圆柱孔，所述开槽凹坑段包括相互连接的圆柱型气膜孔出口段和背风面凹坑段，圆柱型气膜孔出口段与进口段相连并相通，所述的背风面凹坑段为梯形体，梯形体下平面开设凹坑，凹坑的截面包括一个半圆以及分别与半圆相切的两个尾缘棱台，凹坑上以及凹坑两侧的背风面凹坑段上各开设一个出气口，来自于进口段的气体进入圆柱型气膜孔出口段后，通过三个出气口向外喷射。

【技术特征摘要】
1.一种依据气膜孔出口速度分布而设计的开槽结构，其特征是：包括进口段、开槽凹坑段，所述进口段为圆柱孔，所述开槽凹坑段包括相互连接的圆柱型气膜孔出口段和背风面凹坑段，圆柱型气膜孔出口段与进口段相连并相通，所述的背风面凹坑段为梯形体，梯形体下平面开设凹坑，凹坑的截面包括一个半圆以及分别与半圆相切的两个尾缘棱台，凹坑上以及凹坑两侧的背风面凹坑段上各开设一个出气口，来自于进口段的气体进入圆柱型气膜孔出口段后，通过三个出气口向外喷射。2.根据权利要求1所述的一种依据气膜孔出口速度分布而设计的开槽结构，其特征是：开槽凹坑段的首部与其尾缘的距离为L1，进口段的圆柱孔直径为D，L1在0.4-0.5倍D之间。3.根据权利要求1或2所述的一种依据气膜孔出口速度分布而设计的开槽结构，其特征是：背风面凹坑段的梯形体截面的下边长为W2，进口段的圆柱孔直径为D，W2在1.2-1.5倍D之间。4.根据权利要求1或2所述的一种依据气膜孔出口速度分布而设计的开槽结构，其特征是：开槽凹坑段的首部与其尾缘的距离为L1，尾缘棱台长度为L2，凹...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜玉廷，郑群，岳国强，贾兴运，田志涛，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23