[發(fā)明專利]一種帶傾角的新型氣膜孔

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410026121.3
• 申請(qǐng)日: 2014-01-20
• 公開（公告）號(hào): CN103806953A
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陶智;郭文;吳宏;李育隆;蘇云亮;呼艷麗;潘炳華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué);中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院
• 主分類號(hào): F01D5/18
• 分類號(hào): F01D5/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可滿足新一代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)與高溫部件冷卻性能的要求。

背景技術(shù)

近年來航空工業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，作為動(dòng)力源的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提高則是重中之重。分析航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)過程可以發(fā)現(xiàn)，提高渦輪前溫度是提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的主要技術(shù)措施。根據(jù)計(jì)算，渦輪前溫度每提高55℃，在發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸不變的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)推力約可提高10%。20世紀(jì)90年代推重比10一級(jí)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前溫度為1800～1950K，美國(guó)的E3發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前最高溫度已達(dá)2012K，美國(guó)國(guó)防部開展的“綜合性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)”計(jì)劃和英國(guó)開展的“先進(jìn)核心機(jī)軍用發(fā)動(dòng)機(jī)”計(jì)劃均把推重比20定為2020年的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)渦輪前溫度達(dá)到2273～2473K。面對(duì)如此高溫所帶來的一系列問題，必然需要考慮采取何種技術(shù)來保證渦輪葉片和渦輪盤在高溫環(huán)境下能夠安全可靠的工作。實(shí)踐表明，最主要的手段有兩種：一方面研制新型材料，依靠提高材料自身的耐溫性能來保證熱端部件在高溫下的強(qiáng)度指標(biāo)；另一方面采用先進(jìn)的冷卻技術(shù)對(duì)熱端部件進(jìn)行有效的冷卻，使熱端部件仍保持較低的工作溫度。

氣膜冷卻技術(shù)作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件的主要冷卻方式之一，在有效降低渦輪葉片表面溫度和熱應(yīng)力方面發(fā)揮著重要作用，對(duì)其進(jìn)行持續(xù)而深入的研究是提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要途徑。過去幾十年里，關(guān)于孔形的研究工作主要集中于異形孔和出口附近設(shè)置擾流結(jié)構(gòu)的氣膜孔，這些結(jié)構(gòu)在提高氣膜冷卻效果的同時(shí)，還帶來了不容忽視的流動(dòng)阻力，而且部分異形孔機(jī)械加工難度大，可實(shí)現(xiàn)性差。

本發(fā)明提出一種帶傾角的新型氣膜孔，通過對(duì)氣膜孔增加傾角，來獲得更好的冷卻效果。由于該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的帶角度的射流可以使得葉片表面冷氣覆蓋更合理，同時(shí)減少流動(dòng)阻力，在冷卻和流動(dòng)效率上同時(shí)取得了很好的效果。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的帶傾角的氣膜冷卻結(jié)構(gòu)。它包括：位于葉盆前部的前部氣膜孔（1）、位于葉盆中部的中部氣膜孔（2）、位于葉尖的尖部氣膜孔（3）。其特征在于：在葉盆前部布置的前部氣膜孔（1）直徑為1.0mm～1.5mm，每排氣膜孔的展向個(gè)數(shù)為10～20個(gè)，與S1面角度（α1）為-45°～45°，與葉面法線角度（β1）沿流向?yàn)?0°～50°，展向間距為5～10D；在葉盆中部布置的中部氣膜孔（2）直徑為1.0mm～2.0mm，每排氣膜孔的展向個(gè)數(shù)為20～30個(gè)，與S1面角度（α2）為-45°～45°，與葉面法線角度（β2）逆流向?yàn)?0°～50°，展向間距為1～2D；在葉盆尖部布置的尖部氣膜孔（3）直徑為1.0mm～1.5mm，每排氣膜孔的展向個(gè)數(shù)為10～20個(gè)，與S1面角度（α3）為0°～60°，與葉面法線角度（β3）沿流向?yàn)?°～60°。前部氣膜孔（1）到葉片前緣的距離（P1）為葉片寬度（W）的1/8～1/4，中部氣膜孔（2）到葉片前緣的距離（P2）為葉寬（W）的2/5～3/5，尖部氣膜孔（3）到葉尖的距離（P3）為弦長(zhǎng)（L）的1/15～1/20。

本發(fā)明的氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）布置合理，結(jié)構(gòu)可靠，在加工上簡(jiǎn)單易行；（2）形成帶角度的冷氣射流，使得對(duì)于葉片表面的冷氣覆蓋更均勻；（3）逆向冷氣射流和向葉尖的冷氣射流可以有效減少流動(dòng)損失。

附圖說明

圖1氣膜孔的布置示意圖

圖2前部氣膜孔的角度示意圖

圖3中部氣膜孔的角度示意圖

圖4尖部氣膜孔的角度示意圖

圖中：1.前部氣膜孔???2.中部氣膜孔???3.尖部氣膜孔???4.外部氣流

??????5.S1流面???????6.葉片表面法線

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

參見圖1至圖4所示，本發(fā)明是一種用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的帶傾角的氣膜冷卻結(jié)構(gòu)。其中帶傾角的氣膜孔結(jié)構(gòu)是區(qū)別于其它常規(guī)氣膜孔的主要特征。

參見圖2、3、4所示，冷卻氣體分別從帶傾角的前部氣膜孔（1）、中部氣膜孔（2）、尖部氣膜孔（3）噴出，形成切向射流，在外部氣流（4）的壓力和摩擦作用下像下游彎曲，粘貼在壁面附近，形成溫度較低的冷氣膜，將高溫的外部氣流（4）與葉片表面隔離，避免了高溫氣體對(duì)葉表的燒蝕從而保護(hù)射入?yún)^(qū)域和下游區(qū)域表面。本發(fā)明帶傾角的氣膜孔吹出的冷卻空氣與外部氣流（4）呈一定角度的射流，使得冷卻氣體覆蓋的更加均勻，從而使冷卻效率更高。

本發(fā)明經(jīng)過了三維數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，在特定的吹風(fēng)比下，其冷卻效率能比傳統(tǒng)氣膜孔的冷卻效率提高80%～150%，且冷氣覆蓋更寬更均勻。