一种利用旋流的组合孔气膜冷却结构制造技术

本发明专利技术一种利用旋流的组合孔气膜冷却结构，属于燃气轮机高温涡轮叶片冷却技术领域；在叶片表面设置N排组合孔，N≥1；所述组合孔由沿叶片展向或流向相邻的两个圆柱形孔组成，每个圆柱形孔的直径为D，长度为L，倾斜角为α，圆柱形孔内壁面开有螺距为TP的微螺纹。本发明专利技术基于圆柱形气膜孔提出，具有良好的力学性能和气动性能，且相对复杂的异形孔降低了加工难度；通过内置微螺纹增加了气膜孔内的有效换热面积，并通过引入旋流增大了对气膜孔内流体的扰动作用，增强了气膜孔内的对流换热性能。增强了气膜孔内的对流换热性能。增强了气膜孔内的对流换热性能。

【技术实现步骤摘要】
一种利用旋流的组合孔气膜冷却结构


[0001]本专利技术属于燃气轮机高温涡轮叶片冷却
，具体涉及一种利用旋流的组合孔气膜冷却结构。

技术介绍

[0002]燃气轮机是一种热动力装置，其具有体积小、功率高、经济性好等优点，被广泛应用于航空推进、舰船动力、陆用发电、工业驱动及分布式供能等领域，在国民经济和国防安全方面起着至关重要的作用。
[0003]提高涡轮前进口燃气温度是提升燃气轮机热效率和输出功率的最直接方法。目前，地面重型燃机和大推力航空发动机的透平进口温度已远超叶片合金材料的耐温极限。现代先进航空发动机的涡轮前进口燃气温度已高达2000K，远远超过了制造涡轮叶片高温材料的熔点。高温会降低航空发动机的使用寿命、稳定性和安全性，因此，发展高效的涡轮叶片冷却技术对提升燃气轮机性能极为重要。
[0004]常见的叶片冷却方式有气膜冷却、对流冷却、发散冷却及其复合冷却等。其中气膜冷却技术为主要的外部冷却方式，其工作原理为叶片内部冷却通道中的冷气通过离散气膜孔流出而在主流作用下覆盖在叶片表面，形成一层贴附壁面的冷气膜，使叶片表面和高温主流相隔绝，从而达到降低叶片表面温度的目的。气膜冷却在有效降低涡轮叶片表面温度和热应力方面发挥着重要作用，对其进行持续而深入的研究是提高航空发动机性能的重要途径。
[0005]经过对现有技术文献的检索发现，国内外技术人员为提升气膜冷却效率提出了大量的结构或孔型，其主要包括异形孔、在孔出口附近添加槽结构或突片、在孔上游或下游添加涡发生器。例如，中国专利申请号201911423834.2，专利公开日期2020年4月21日，专利名称：一种横向扩张子午收缩槽形气膜孔，该专利公开了一种展向扩张流向收缩的异形孔，以削弱气膜与主流的掺混作用并扩展气膜覆盖面积。再如，中国专利申请号202011174310.7，专利公开日期2020年12月22日，专利名称：一种用于改善气膜冷却效果的涡流发生器，该专利公开了一种用于改善气膜冷却效果的涡流发生器，通过在气膜孔出口上游布置楔形的涡发生器以削弱气膜与主流的掺混作用。然而，这些方法因其结构复杂，增加了加工难度，且削弱了叶片的力学和气动性能。因此，目前气膜冷却中最常用的孔型仍然是圆柱孔，其具有结构简单、叶片强度高、热应力小、加工方便等优点，然而圆柱孔在高吹风比条件下会出现严重的气膜吹离现象，使气膜冷却效率急剧下降。

技术实现思路

[0006]要解决的技术问题：
[0007]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种利用旋流的组合孔气膜冷却结构，通过在涡轮叶片上开设带有螺纹的圆柱孔，增加了气膜孔内的有效换热面积，并通过引入旋流增大了对气膜孔内流体的扰动作用，增强了气膜孔内的对流换热性能，提高了气膜
冷却效率。
[0008]本专利技术的技术方案是：一种利用旋流的组合孔气膜冷却结构，其特征在于：在叶片表面设置N排组合孔，N≥1；所述组合孔由沿叶片展向或流向相邻的两个圆柱形孔组成，每个圆柱形孔的直径为D，长度为L，倾斜角为α，圆柱形孔内壁面开有螺距为TP的微螺纹。
[0009]本专利技术的进一步技术方案是：所述微螺纹的螺齿深度小于0.3D，螺距TP小于L。
[0010]本专利技术的进一步技术方案是：所述圆柱形孔的倾斜角α满足20
°
<α<45
°
。
[0011]本专利技术的进一步技术方案是：所述圆柱形孔包括多条螺纹，螺纹数量n与螺距TP满足0.1<TP/n<0.25。
[0012]本专利技术的进一步技术方案是：所述组合孔为两个沿叶片展向相邻的圆柱形孔，两孔的中心距离为P，满足D<P<3D。
[0013]本专利技术的进一步技术方案是：所述组合孔为两个沿叶片展向相邻的圆柱形孔，两孔的中心距离为S，满足2D<S<4D。
[0014]本专利技术的进一步技术方案是：所述组合孔中的两个圆柱形孔的螺纹方向相反，螺纹数量、螺齿及螺距局相同。
[0015]本专利技术的进一步技术方案是：多个所述组合孔单元按周期性排列，相邻组合孔单元的展向间距和流向间距为3D
‑
6D。
[0016]本专利技术的进一步技术方案是：所述圆柱形孔入口位于叶片内冷通道，出口位于叶片外表面。
[0017]有益效果
[0018]本专利技术的有益效果在于：
[0019]1、本专利技术基于圆柱形气膜孔提出，具有良好的力学性能和气动性能，且相对复杂的异形孔降低了加工难度。
[0020]2、本专利技术通过内置微螺纹增加了气膜孔内的有效换热面积，并通过引入旋流增大了对气膜孔内流体的扰动作用，增强了气膜孔内的对流换热性能。
[0021]3、本专利技术通过旋流改变气膜孔外的流场结构，使传统圆柱孔产生的对旋涡对的尺度和强度不再对称，且位置发生偏移，通过相邻圆孔所具有的相反旋流方向，使各自产生的对旋涡对中旋转方向相反的涡系相互靠近并彼此削弱，形成有利于冷气膜贴附的涡结构，抑制了冷气膜的吹离，相对传统圆柱孔可大幅提高在高吹风比下的气膜冷却效率。具体提升效果如图5所示实施例1
‑
3与对应的光滑圆柱孔的平均气膜冷却效率对比图，及如图6所示实施例1
‑
3与对应的光滑圆柱孔在不同吹风比下气膜冷却效率云图。
[0022]4、本专利技术所设置的倾斜角范围20
°
<α<45
°
可在降低加工难度的同时使旋流产生的涡结构贴近壁面，降低冷气膜在高吹风比下抬离壁面的趋势；所设置的螺纹数量和螺距关系比能够保证气膜孔内产生的旋流强度在合适的范围内，形成有益于气膜冷却的涡结构。
附图说明
[0023]图1是本专利技术实施例1、2中单个气膜孔的结构示意图；
[0024]图2是本专利技术实施例1的俯视图；
[0025]图3是本专利技术实施例2的俯视图；
[0026]图4是本专利技术实施例3的正视图；
[0027]图5是通过数值模拟得到的本专利技术实施例1
‑
3与对应的光滑圆柱孔的平均气膜冷却效率对比图；
[0028]图6是通过数值模拟得到的本专利技术实施例1
‑
3与对应的光滑圆柱孔在不同吹风比下气膜冷却效率云图。
[0029]附图标记说明：1.气膜孔入口，2.气膜孔出口，3.气膜孔壁面，4.微螺纹，D.气膜孔直径，L.气膜孔长度，P.展向相邻两气膜孔中心距离，S.流向相邻两气膜孔中心距离，α.气膜孔倾斜角，TP.微螺纹螺距，R1.微螺纹旋转方向1，R2.微螺纹旋转方向2，x.流向，y.展向，z.纵向。
具体实施方式
[0030]下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。
[0031]在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用旋流的组合孔气膜冷却结构，其特征在于：在叶片表面设置N排组合孔，N≥1；所述组合孔由沿叶片展向或流向相邻的两个圆柱形孔组成，每个圆柱形孔的直径为D，长度为L，倾斜角为α，圆柱形孔内壁面开有螺距为TP的微螺纹。2.根据权利要求1所述利用旋流的组合孔气膜冷却结构，其特征在于：所述微螺纹的螺齿深度小于0.3D，螺距TP小于L。3.根据权利要求1所述利用旋流的组合孔气膜冷却结构，其特征在于：所述圆柱形孔的倾斜角α满足20
°
<α<45
°
。4.根据权利要求1所述利用旋流的组合孔气膜冷却结构，其特征在于：所述圆柱形孔包括多条螺纹，螺纹数量n与螺距TP满足0.1<TP/n<0.25。5.根据权利要求1所述利用旋流的组合孔气膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢公南，朱睿，张国花，李书磊，闫宏斌，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：