【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃气涡轮发动机冷却壁面结构及冷却方法。
技术介绍
1、航空发动机的热问题是影响其性能和寿命的关键问题。随着航空发动机性能的不断提升，最新一代航空发动机涡轮进口温度已高达1800-2200k，远高于涡轮材料的耐温极限。据统计，40％以上的发动机故障是由航空发动机涡轮叶片的热烧蚀造成的。因此，涡轮叶片的冷却是提高航空发动机性能及其使用寿命的关键问题之一。加力燃烧室是军用飞机中的重要部件，在开启加力状态下，加力燃烧室可以明显提升航空发动机的瞬时推力，提高飞机的机动性能。但加力燃烧室中的主流燃气温度也已高达2200k，远高于加力燃烧室筒体材料的耐温极限。因此，加力燃烧室的筒体壁面也需要冷却。综上，航空发动机中存在很多需要冷却的壁面，包括叶片壁面、加力燃烧室隔热屏壁面等。
2、气膜冷却是用于航空发动机热端部件冷却的最主要而有效的方法之一。但目前在复杂来流条件下，气膜冷却结构的冷却效果和气膜冷却结构的适应性面临着极大的挑战。例如，紧凑型燃烧室的出口气流存在明显的旋流，这对叶片前缘的气膜冷却特性有着非常大的影响；在变循环发动机中，可调涡轮导叶承受着来流流量的变化，可调导叶的安装角可以随流量的变化而调整，则此时叶片表面气膜冷却结构的适用性得到了挑战。
3、近年来，有关燃烧室出口流场对涡轮叶片气动和传热性能的影响得到了广泛的研究。前人的研究结果表明，旋流导致涡轮级间效率降低高达3.1％，导叶和转子叶片由旋流引起的热负荷分别增加了200％和40％。而隔热屏作为加力燃烧室和尾喷管筒体的热防护结构被广泛应用。加力燃
4、此前公开的几种加力燃烧室隔热屏，包括一种多孔波纹板加力燃烧室隔热屏(us005465572a)，其波纹状结构的伸缩性可以有效防止振动核筒体热变形造成的影响，其波纹板上离散的气膜孔冷却射流也可以对隔热屏的高温燃气侧进行气膜冷却。然而，正是由于波纹状结构，冷却气膜射流难以覆盖整个表面，使其局部壁温过高，无法形成有效的气膜覆盖和换热；另外一种为带扰流柱的发散冷却隔热屏结构(us20140096527a1)，通过发散的冷却形式在壁面形成气膜覆盖，阻隔高温燃气的直接接触。同时，隔热屏冷气侧壁面上的扰流柱结构可以对冷气进行扰动混合，强化对流换热，使冷气带走更多的热量而降低壁温。然而，上述情况下的冷却并未考虑复杂主流来流的影响，包括来流角度变化、旋流等因素。在复杂来流条件下，单纯圆形气膜孔与槽缝型气膜孔的气膜出流特性和覆盖特性会受到旋流和变攻角来流的影响，会被卷吸、吹飞甚至是倒灌，极大的影响了气膜的出流量和壁面的覆盖效果，导致气膜冷却效率明显降低。因此，传统气膜孔的适应性得到了极大的挑战。也就是说，现有技术方案的气膜冷却结构适应范围小，
5、无法满足在复杂条件，尤其是旋流条件和变攻角条件下叶片前缘、火焰筒隔热屏、加力燃烧室隔热屏等典型冷却壁面高效的冷却效果需求，同时冷气用量也较大。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于避免现有技术的不足提供一种采用具有多个轴向延伸孔的气膜孔，在复杂流动条件下，提高了冷却结构的适应性，最大限度的提高了气膜展向覆盖面积，气膜贴壁性能更好的发动机冷却壁面的气膜孔结构及气膜形成方法。
2、为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种发动机冷却壁面的气膜孔结构，包括冷却壁面，在冷却壁面上矩阵排列有用于通过二次流形成气膜从而实现冷却壁面隔热和冷却的气膜孔；
3、所述的气膜孔是由至少两个扇环孔和用于连接两两扇环孔的扇环隔断组成的不连续环形孔；
4、所述气膜孔围成的环形内环直径为d，外环直径为d，外环与内环之间的距离即为扇环孔的宽度b，则有：b<0.5d；
5、所述气膜孔在冷却壁面上的矩阵排列具体为：
6、将冷却壁面分隔为多个面积单元，所述的气膜孔设置在所述面积单元内，所述面积单元在冷却壁面流向上的边长即为横向单位长度sx，垂直与流向的边长为纵向单位长度sy，则有在所述面积单元内的气膜孔的开孔率为：
7、气膜孔面积/sx×sy＝0.9～4％；
8、所述气膜孔分别在冷却壁面的流向和纵向延展面上连续或交错延展排布。
9、进一步的，所述的气膜孔包括2～6个扇环孔。
10、进一步的，所述的气膜孔的多个扇环孔面积均等或不同，但所述多个扇环孔的总面积与直径d’为0.3～10mm的圆孔面积相同。
11、进一步的，所述气膜孔围成的环形中心点与所述面积单元中点重合，即气膜孔设置在所述面积单元的中心位置。
12、进一步的，在所述冷却壁面上的两两流向设置的气膜孔的孔距为p1，两两纵向设置的气膜孔的孔距为p2，与所述扇环孔等面积的圆孔直径为d’，则有：
13、p1＝1～13d’；p2＝1～6d’。
14、进一步的，所述的气膜孔为所述冷却壁面的法向通孔或后向扩张孔：
15、且为法向通孔时，气膜孔的截面相对应设置的一对内倾角α1＝α2＝90°；
16、为后向扩张孔时，所述气膜孔的截面相对应设置的一对内倾角角度之和为90度，且：45°≤α1≤90°，45°≤α2≤90°。
17、进一步的，所述的扇环隔断具有一对弧形连接边和一对平行或倾斜边；
18、当为所述的平行边时，两边之间的距离l为0.1～0.2mm；
19、当为所述的倾斜边时，倾斜边对应的中心角为θ，θ范围10～30度。
20、进一步的，所述的气膜孔是不连续椭圆环形孔；
21、所述气膜孔围成的椭圆形内环，椭圆形内环较长的弦长为a和较短的弦长为b，则有：b<2a。
22、进一步的，所述的冷却壁面为发动机叶片前缘或燃烧室隔热屏。
23、本专利技术还提供所述发动机冷却壁面的气膜孔结构的气膜形成方法：
24、二次流c1在气膜板的上表面进行流动，进而流入或是被抽吸进入气膜孔中，气流c2与气膜板壁面进行换热之后，形成气膜出流c3，一方面与主流c4进行掺混，降低壁面燃气的温度；另一方面，冷气在壁面形成覆盖阻隔燃气对壁面的冲刷的气膜，减小热量传递；在此过程中，由于气膜孔是由多个扇环孔组成，二次流c1可从更宽的范围进入到气膜孔中，气膜出流c3也可从多个方向拓展，既提高了气膜出流的覆盖效果，又对复杂来流包括旋流，产生较好的适应性，保证较好的气膜冷却效率。
25、本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的发动机冷却壁面的气膜孔结构及气膜形成方法有效提高了气膜冷却结构的适应性，不管用在叶片还是在燃烧室隔热壁上，均能够在复杂流动条件下保持较好的冷却效率和热防护效果，并且减少了冷气用量。
26、本专利技术提供的结构包括了一种具有轴向通孔的异形气膜孔，气膜孔的设置一方面适用于旋流条件下的气膜出流，形成有效气膜覆盖，避免了传统圆形气膜孔、槽缝型孔以及其它单个异形孔在旋流下气膜方向改变造成冷效本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种发动机冷却壁面的气膜孔结构，其特征在于，包括冷却壁面(1)，在冷却壁面(1)上矩阵排列有用于通过二次流形成气膜从而实现冷却壁面(1)隔热和冷却的气膜孔(2)；
2.如权利要求1所述的发动机冷却壁面的气膜孔结构，其特征在于，所述的气膜孔(2)包括2～6个扇环孔(21)。
3.如权利要求1所述的发动机冷却壁面的气膜孔结构，其特征在于，所述的气膜孔(2)的多个扇环孔(21)面积均等或不同，但所述多个扇环孔(21)的总面积与直径d’为0.3～10mm的圆孔面积相同。
4.如权利要求1所述的发动机冷却壁面的气膜孔结构，其特征在于，所述气膜孔(2)围成的环形中心点与所述面积单元中点重合，即气膜孔(2)设置在所述面积单元的中心位置。
5.如权利要求1所述的发动机冷却壁面的气膜孔结构，其特征在于，在所述冷却壁面(1)上的两两流向设置的气膜孔(2)的孔距为P1，两两纵向设置的气膜孔(2)的孔距为P2，与所述扇环孔(21)等面积的圆孔直径为d’，则有：
6.如权利要求1所述的发动机冷却壁面的气膜孔结构，其特征在于，所述的气膜孔(2)
7.如权利要求1所述的发动机冷却壁面的气膜孔结构，其特征在于，所述的扇环隔断(22)具有一对弧形连接边和一对平行或倾斜边；
8.如权利要求1所述的发动机冷却壁面的气膜孔结构，其特征在于，所述的气膜孔(2)是不连续椭圆环形孔；
9.如权利要求1-8任一所述的发动机冷却壁面的气膜孔结构，其特征在于，所述的冷却壁面(1)为发动机叶片前缘或燃烧室隔热屏。
10.如权利要求1至9所述发动机冷却壁面的气膜孔结构的气膜形成方法，其特征在于，
...【技术特征摘要】
1.一种发动机冷却壁面的气膜孔结构，其特征在于，包括冷却壁面(1)，在冷却壁面(1)上矩阵排列有用于通过二次流形成气膜从而实现冷却壁面(1)隔热和冷却的气膜孔(2)；
2.如权利要求1所述的发动机冷却壁面的气膜孔结构，其特征在于，所述的气膜孔(2)包括2～6个扇环孔(21)。
3.如权利要求1所述的发动机冷却壁面的气膜孔结构，其特征在于，所述的气膜孔(2)的多个扇环孔(21)面积均等或不同，但所述多个扇环孔(21)的总面积与直径d’为0.3～10mm的圆孔面积相同。
4.如权利要求1所述的发动机冷却壁面的气膜孔结构，其特征在于，所述气膜孔(2)围成的环形中心点与所述面积单元中点重合，即气膜孔(2)设置在所述面积单元的中心位置。
5.如权利要求1所述的发动机冷却壁面的气膜孔结构，其特征在于，在所述冷却壁面...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘存良，白晓辉，刘海涌，王子文，傅松，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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