[發明專利]一種氣冷渦輪的分支氣膜孔結構

有效

• 申請號: 201711202938.1
• 申請日: 2017-11-27
• 公開（公告）號: CN107701240B
• 公開（公告）日: 2019-02-15
• 發明（設計）人: 唐菲;趙慶軍;隋秀明;趙巍;雒偉偉
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種氣冷渦輪的分支氣膜孔結構，適用于燃氣渦輪發動機熱端部件冷卻的氣膜冷卻，包括設置在被冷卻壁面上的若干個分支氣膜孔單元，所述分支氣膜孔單元由一個主孔通路和一個從主孔中部斜側向伸出的分支孔通路構成。主孔通路和分支孔通路與主流流向呈相反的展向夾角，兩支冷氣射流在主流卷吸和相互干涉作用下會形成反腎形渦對，該渦系結構有利于擴大冷氣的橫向覆蓋面積，并可有效的防止熱氣從冷氣膜兩側卷入下方，提高冷氣膜的附著能力，提高氣膜冷卻的效果。本發明具有比圓柱形孔更高的氣膜冷卻效率，在高吹風比條件下優勢更加明顯。本發明的主要結構均為圓柱形，加工工藝簡單，具備較高的工程實用價值。

技術領域

本發明屬于燃燒室、渦輪等高溫部件的冷卻領域，涉及一種氣膜孔結構，尤其涉及一種氣冷渦輪的分支氣膜孔結構，主要應用于燃氣輪機的燃燒室、渦輪等高溫部件的冷卻。

背景技術

現代燃氣渦輪發動機工作溫度不斷提高，對其熱端部件的材料耐熱性提出了極高的要求，然而僅靠提高材料耐熱性已經不能滿足需求，，目前還普遍在燃燒室、渦輪、機匣等高溫部件設置氣膜冷卻結構，氣膜冷卻從壓氣機端抽取高壓冷氣，通過內部流道輸送至熱端部件內(如燃燒室、渦輪葉片、機匣等)，并由熱端部件表面的氣膜孔噴出，冷氣在高溫主流作用下形成冷氣膜貼附在熱端部件的壁面附近，可以隔絕主流熱氣并帶走部分輻射熱量，從而降低熱端部件壁面的溫度，避免高溫氣流對熱端部件壁面的破壞。

傳統的氣膜冷卻多采用簡單的圓柱形氣膜孔，圓柱形氣膜孔加工簡單，成本低，但是圓柱形氣膜孔形成的冷氣射流在主流熱氣的作用下會形成腎形渦對。如圖1所示，1為圓柱形氣膜孔冷氣射流的渦核，圖中注明了渦的旋轉方向，2為主流熱氣，腎形渦對會將主流熱氣從冷氣膜的兩側卷入下方(箭頭方向3)，從而導致冷氣膜與被冷卻壁面的分離，使得下游壁面失去冷氣的保護，對冷卻效果是非常不利的。

要解決上述問題，一種方法是改變氣膜孔的形狀，采用如扇形孔，箭形孔，擴張孔等非等截面的成型孔，從而減小冷氣出口流速，可以有效削弱腎形渦對的強度甚至改變渦系的形態，提高冷氣膜的附著能力，從而獲得比圓柱形氣膜孔更好的冷卻效果。但是非等截面的成型孔幾何結構復雜，加工工藝復雜，耗費工時與加工成本遠高于圓柱形氣膜孔。

另一種方法是以圓柱形氣膜孔為基礎，采用多個孔的組合布置，利用多股冷氣流的相互干涉，削弱有害的腎形渦對結構，達到提升氣膜冷卻效果的目的，這種方法成本較低，具有較高的工程應用價值，但是其冷氣膜向展向擴散的能力、冷氣膜的整體覆蓋率仍有待提升。例如中國專利申請CN201710454453.5公開了一種樹杈型氣膜孔結構，在主氣膜孔上游和左右兩側各增加一個分氣膜孔，采用的仍是簡單圓柱孔，加工難度與傳統的圓柱形氣膜孔無異，氣膜冷卻效果得到提升。然而，該樹杈型氣膜孔結構的不足之處在于，冷氣氣膜橫向擴散能力不足，導致冷氣覆蓋面積較小，冷氣利用率有待進一步提升，此外，樹杈型氣膜孔結構在進行布置時受限于其樹杈型特殊結構，只能按照非交錯的方式進行布置。

發明內容

針對現有技術的上述缺點和不足，本發明提出了一種氣冷渦輪的分支氣膜孔結構，是一種一個冷氣入口、兩個冷氣出口的圓柱孔組合布置方式的氣膜孔結構，利用主孔與分支孔流出的冷氣在主流卷吸和相互干涉作用下，形成由內向下再向外側旋轉的反腎型渦對，可以有效防止主流熱氣從冷氣膜兩側侵入冷氣膜下方，防止冷氣膜的吹離，此外，主孔與分支孔與主流方向呈一定夾角，這使得冷氣膜具有較強的向展向擴散的能力，可以增加冷氣膜的覆蓋面積，顯著提升整體氣膜覆蓋率，同時，主孔與分支孔均采用圓柱形孔，加工難度和成本與傳統的圓柱形氣膜孔相當，經濟性與工程實用性強。

本發明為解決其技術問題所采用的技術方案為：

一種氣冷渦輪的分支氣膜孔結構，包括設置在被冷卻壁面上的若干個分支氣膜孔單元，其特征在于，所述分支氣膜孔單元包括一主孔通路和一分支孔通路，所述主孔通路和分支孔通路的布置整體呈y形，其中，