本发明专利技术公开了一种适用于发动机热端部件冷却的带侧肋的圆柱气膜孔结构，发动机热端部件可以为发动机涡轮导叶、动叶、燃烧室等，用以实现不同需求的高效冷却，本发明专利技术针对现有圆柱气膜孔易在待冷却壁面上形成肾形涡而抬升冷气、恶化冷却效果的技术问题，通过直接在圆柱气膜孔内部两侧设置沿中心线延伸的细长条状侧肋结构，通过侧肋重构孔内射流流动结构，并诱导两侧的气流加速形成加速流，从而抑制肾形涡在待冷却壁面上的形成，达到增强气膜附壁的目的，具有结构简单和适用性宽的优点。具有结构简单和适用性宽的优点。具有结构简单和适用性宽的优点。
【技术实现步骤摘要】
适用于发动机热端部件冷却的带侧肋的圆柱气膜孔结构
[0001]本专利技术属于航空发动机涡轮叶片冷却
，涉及一种气膜冷却孔结构，具体涉及一种适用于发动机热端部件冷却的带侧肋的圆柱气膜孔结构，有利于在待冷却壁面上快速形成反肾形涡，抑制肾形涡的形成，增强气膜的附壁能力，同时气动损失无明显增加。
技术介绍
[0002]先进的民用大涵道比航空发动机涡轮进口温度已经超过2000K，远高于涡轮叶片材料所能承受的最高温度(通常情况下，涡轮叶片所能承受的最高温度在1500K至1700K之间。不同材料的最高承受温度也不尽相同，例如铸造镍基合金所能承受的最高温度一般为1300K至1500K，而变形镍基合金则可达到1600K至1700K)。涡轮叶片的冷却是一项非常关键的技术，能够保证涡轮在高温和高压的环境下运行稳定和寿命长久。气膜冷却是涡轮叶片冷却中的一种常用方法，利用气膜冷却技术能够保护涡轮叶片在高温下正常工作，避免涡轮叶片因为高温发生蠕变或损伤。气膜冷却效率不仅受吹风比、密度比、主流雷诺数等流动参数的影响，还与气膜孔的几何形状参数关系密切，不同形状的气膜孔对气膜冷却效率也有影响，例如一般来说，圆形孔的气膜冷却效率比方形孔要高，这是因为圆形孔具有更好的气体喷射特性，形成的冷却气体流场更加均匀。此外，不同气膜孔的孔径大小、孔的布局方式、孔的倾角、孔的深度等几何形状等对气膜冷却效率都有一定影响。总之，气膜孔的几何形状是涡轮叶片气膜冷却中非常重要的一个设计参数，需要在设计和运行过程中综合考虑。
[0003]目前，在气膜孔几何形状的研究方面，研究人员对复合角气膜孔、异形孔等进行了大量研究。结果表明，与传统的圆柱形气膜孔相比，改善气膜孔形状可以有效的提升气膜冷却效果。这主要是因为：圆柱形气膜孔射流与主流掺混过程中，由于射流与主流的温度和速度差异会形成肾形涡，迫使低温冷却射流脱离壁面，高温主燃气流重新贴附壁面，导致气膜覆盖面积减少，气膜冷却效果降低。改善气膜孔形状，在一定程度上增大出口面积，降低射流出口速度，削弱肾形涡的影响，从而达到提高气膜冷却效果的目的。然而，异型孔等气膜孔结构比较复杂，加工难度大，加工成本高。同时，对涡轮叶片表面的主流气动性能有一定影响，并增加气动损失。
技术实现思路
[0004](一)专利技术目的
[0005]针对现有技术的上述缺陷和不足，本专利技术目的在于提出一种适用于发动机热端部件冷却的带侧肋的圆柱气膜孔结构，所述发动机热端部件可以为发动机涡轮导叶、动叶、燃烧室等，实现不同需求的高效冷却，该结构针对现有圆柱气膜孔易在待冷却壁面上形成肾形涡而抬升冷气、恶化冷却效果的技术问题，通过直接在圆柱气膜孔内部两侧设置肋结构，通过侧肋重构孔内射流流动结构，并诱导两侧的气流加速形成加速流，从而抑制肾形涡在待冷却壁面上的形成，达到增强气膜附壁的目的，具有结构简单和适用性宽的优点。
[0006](二)技术方案
[0007]本专利技术为实现其专利技术目的、解决其技术问题，所采用的技术方案为：
[0008]一种适用于发动机热端部件冷却的带侧肋的圆柱气膜孔结构，所述气膜孔以阵列方式布置在发动机热端部件的待冷却壁面基体上，所述待冷却壁面基体包括相对设置的一外侧壁面和一内侧壁面，所述内侧壁面限定的空间内为高温区，所述外侧壁面外为低温区，各所述气膜孔由所述外侧壁面延伸至所述内侧壁面，用以向所述内侧壁面限定的高温区内喷射低温冷却射流，并形成覆盖所述内侧壁面的冷却气膜，其特征在于，
[0009]每一所述气膜孔的主体部分为一圆柱通孔，所述圆柱通孔的内壁上至少对称设有两沿孔的径向向外突出的细长条状侧肋，且两所述细长条状侧肋在其长度上的延伸方向与所述圆柱通孔的中心线方向保持一致，并且每一所述细长条状侧肋在其长度方向上的两端分别延伸至所述待冷却壁面基体的外侧壁面和内侧壁面，并在其两端与所述待冷却壁面基体的内外侧两个壁面保持平齐；
[0010]每一所述气膜孔及其内壁上设置的两所述细长条状侧肋均以倾斜状态设置在所述待冷却壁面基体上，且所述气膜孔的中心线与所述待冷却壁面基体的壁面切线方向之间的夹角为锐角；
[0011]并且其中，所述细长条状侧肋的肋高h为所述圆柱通孔直径D的1/5～1/10，所述细长条状侧肋的肋宽b与其肋高h相当。
[0012]本专利技术优选的实例中，所述圆柱通孔直径D在2～10mm之间，所述细长条状侧肋的肋高h在0.1D～0.2D之间，肋宽b在0.15D～0.3D之间。
[0013]本专利技术优选的实例中，所述气膜孔的中心线与所述待冷却壁面基体的壁面切线方向之间的夹角为20～60
°
。
[0014]本专利技术优选的实例中，阵列布置的多排气膜孔中，相邻两所述气膜孔之间的孔间距P在3～20mm之间。
[0015]本专利技术的适用于发动机热端部件冷却的带侧肋的圆柱气膜孔结构，其工作原理为：
[0016]在气膜冷却技术中，低温冷却射流从气膜冷却孔中喷出，形成覆盖高温表面的冷却气膜，当低温冷却射流流动过表面时，吸热的同时将热量带走，从而起到冷却壁面的作用。然而，在使用圆柱形气膜冷却孔时，圆柱形气膜孔射流在与主流掺混过程中，由于射流与主流的温度和速度差异会形成一个向下延伸的肾形涡，该肾形涡极易使气膜脱离壁面，迫使低温冷却射流脱离壁面，使得高温主燃气流重新贴附壁面，导致气膜覆盖壁面的面积减少，气膜冷却效果降低。
[0017]本专利技术通过在圆柱气膜孔的内壁上设置向外凸起的两对称布置的细长条状侧肋后，气流在经过细长条状侧肋时会诱导产生加速流，这个加速流会改变流体可以重构圆柱形气膜孔内的射流结构，削弱出口肾形涡的形成，这是因为加速流会在肋条的上游产生较强的剪切力，使得气流在肋条附近产生强烈的湍流，而湍流可以消耗能量和动量，从而削弱肾形涡的形成。具体来说，当气体通过圆形气膜孔时，由于孔口处的气体速度较慢，会在孔口处形成较大的肾形涡。这个涡旋会向孔内延伸，直到它遇到肋条。当气体流经肋条时，由于肋条的存在，会在肋条的上游形成较强的剪切力，使得气流在肋条附近产生强烈的湍流。湍流可以消耗动能和动量，从而削弱涡旋的形成。因此，通过在圆形气膜孔的内壁上设置肋
条，可以诱导产生加速流，从而削弱出口肾形涡的形成，提高气膜冷却的效率。
[0018]需要补充的是，肋条的几何形状和数量对气膜冷却技术的效率有重要的影响。试验表明，肋条越高越窄，其所产生的剪切力和湍流强度就越大，从而对涡旋的抑制效果就越好。通过调整肋条的肋高h和肋宽b可以调整加速流的强度，从而控制气膜覆盖能力和冷却效果。此外，肋条的数量也需要适当，过多的肋条会增加气流阻力和压力损失，降低气膜的冷却效率。
[0019]本专利技术优选的实例中，通过调整所述细长条状侧肋的肋高h和肋宽b以调整加速流的强度，从而控制气膜覆盖能力和冷却效果。
[0020]本专利技术的另一个专利技术目的在于提供一种发动机热端部件冷却结构，包括发动机热端部件，其特征在于，所述发动机热端部件的待冷却壁面基体上设有阵列布置的气膜冷却孔，所述气膜冷却孔采用本专利技术上述的带侧本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种适用于发动机热端部件冷却的带侧肋的圆柱气膜孔结构，所述气膜孔以阵列方式布置在发动机热端部件的待冷却壁面基体上，所述待冷却壁面基体包括相对设置的一外侧壁面和一内侧壁面，所述内侧壁面限定的空间内为高温区，所述外侧壁面外为低温区，各所述气膜孔由所述外侧壁面延伸至所述内侧壁面，用以向所述内侧壁面限定的高温区内喷射低温冷却射流，并形成覆盖所述内侧壁面的冷却气膜，其特征在于，每一所述气膜孔的主体部分为一圆柱通孔，所述圆柱通孔的内壁上至少对称设有两沿孔的径向向外突出的细长条状侧肋，且两所述细长条状侧肋在其长度上的延伸方向与所述圆柱通孔的中心线方向保持一致，并且每一所述细长条状侧肋在其长度方向上的两端分别延伸至所述待冷却壁面基体的外侧壁面和内侧壁面，并在其两端与所述待冷却壁面基体的内外侧两个壁面保持平齐；每一所述气膜孔及其内壁上设置的两所述细长条状侧肋均以倾斜状态设置在所述待冷却壁面基体上，且所述气膜孔的中心线与所述待冷却壁面基体的壁面切线方向之间的夹角为锐角；并且其中，所述细长条状侧肋的肋高h为所述圆柱通孔直径D的1/5～1/10，所述细长条状侧肋的肋宽b与其肋高h相当。2.根据权利要求1所述的适用于发动机热端部件冷却的带侧肋的圆...
【专利技术属性】
技术研发人员：李国庆，张深，李昂，李辉，刘浩，张燕峰，卢新根，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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