[發(fā)明專利]一種蝠鲼型仿生凸臺和凹坑結(jié)構(gòu)的多級抽吸氣膜冷卻孔結(jié)構(gòu)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110241878.4
• 申請日: 2021-03-04
• 公開（公告）號: CN112901283B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 晏鑫;于金杏;何坤;李軍
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 閔岳峰

本發(fā)明公開了一種蝠鲼型仿生凸臺和凹坑結(jié)構(gòu)的多級抽吸氣膜冷卻孔結(jié)構(gòu)，包括：蝠鲼型仿生凸臺、凹坑結(jié)構(gòu)、主冷卻孔和多級抽吸通道。其中，蝠鲼型仿生凸臺的形狀與海洋生物蝠鲼相似；凹坑結(jié)構(gòu)位于蝠鲼型仿生凸臺的下游；主冷卻孔的出口位于凹坑結(jié)構(gòu)的底面，進口位于冷氣提供腔；多級抽吸通道的進口位于主冷卻孔的背風(fēng)側(cè)壁面上，出口位于冷氣吸入腔；冷氣提供腔的壓力高于冷氣吸入腔。本發(fā)明的氣膜冷卻孔結(jié)構(gòu)能夠同時增加冷卻氣膜的流向及橫向覆蓋范圍，在同樣的冷氣消耗量條件下，能夠?qū)Ω竺娣e的目標(biāo)壁面進行冷卻。本發(fā)明可以應(yīng)用于燃?xì)廨啓C和航空發(fā)動機高溫部件的氣膜冷卻中，提高機組運行的安全性與經(jīng)濟性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃?xì)廨啓C和航空發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種類似于蝠鲼體型的仿生凸臺和凹坑結(jié)構(gòu)的多級抽吸氣膜冷卻孔結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

燃?xì)廨啓C是一種重要的高科技動力裝備，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、發(fā)電等領(lǐng)域。為了提高燃?xì)廨啓C的輸出功率和循環(huán)效率，燃?xì)馔钙降倪M口溫度不斷提高，目前航空發(fā)動機的透平進口溫度已高達2000K，遠(yuǎn)高于高溫部件材料的許用溫度。因此，高效的冷卻技術(shù)對提高燃?xì)廨啓C及航空發(fā)動機高溫部件的運行安全性和經(jīng)濟性具有十分重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價值。高溫部件冷卻技術(shù)主要包括發(fā)散冷卻、沖擊冷卻和氣膜冷卻等。其中，氣膜冷卻是一種利用冷卻氣膜將熱端部件壁面與高溫主流隔離開的冷卻技術(shù)。冷卻氣流從壁面上的冷卻孔或冷卻槽縫中流出，在主流的帶動下鋪展在高溫壁面上形成冷卻氣膜。然而，由于主流與冷卻流間復(fù)雜的相互作用，冷卻氣膜會在冷卻孔下游逐漸抬升并脫離壁面，冷卻效果逐漸減弱。采用傳統(tǒng)圓形冷卻孔時，由于冷卻孔進口處的流束收縮效應(yīng)，冷卻孔背風(fēng)側(cè)沿程的邊界層會逐漸增厚，導(dǎo)致冷卻流的流速增大，冷卻氣膜的脫體趨勢增加，在壁面的流向和橫向(與流向垂直的方向)的覆蓋范圍十分有限。

為了增加冷卻氣膜的覆蓋范圍和冷卻效率，研究機構(gòu)和工業(yè)界提出了多種不同的冷卻孔結(jié)構(gòu)，如：以拋物線為母線的旋轉(zhuǎn)冷卻孔、圓錐冷卻孔、姊妹冷卻孔、帶進口圓角的冷卻孔等。以拋物線為母線的旋轉(zhuǎn)冷卻孔和圓錐冷卻孔可以增加冷卻孔出口的通流面積，減小冷卻流的流速。姊妹冷卻孔可以同時產(chǎn)生兩種不同流動方向的冷卻流。帶進口圓角的冷卻孔可以減小冷卻孔進口處的冷卻流流速。

與傳統(tǒng)圓形冷卻孔相比，這些冷卻孔結(jié)構(gòu)能在一定程度上增加冷卻氣膜的覆蓋范圍和冷卻效率。但是這些冷卻孔結(jié)構(gòu)對冷卻氣膜的橫向(與流向垂直的方向)擴展作用有限，無法有效控制主流與冷卻流間的相互作用，抑制冷卻流的抬升，也無法避免冷卻孔背風(fēng)側(cè)沿程的邊界層增厚。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種蝠鲼型仿生凸臺和凹坑結(jié)構(gòu)的多級抽吸氣膜冷卻孔結(jié)構(gòu)，其能夠有效增加冷卻氣膜橫向覆蓋范圍、抑制冷卻氣膜抬升、同時能夠破壞冷卻孔背風(fēng)側(cè)邊界層。

為達到上述目的，本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案：

一種蝠鲼型仿生凸臺和凹坑結(jié)構(gòu)的多級抽吸氣膜冷卻孔結(jié)構(gòu)，包括：蝠鲼型仿生凸臺、凹坑結(jié)構(gòu)、主冷卻孔和多級抽吸通道；

所述蝠鲼型仿生凸臺位于目標(biāo)壁面上；所述凹坑結(jié)構(gòu)的出口位于目標(biāo)壁面上，且蝠鲼型仿生凸臺位于凹坑結(jié)構(gòu)的上游；所述主冷卻孔的出口位于凹坑結(jié)構(gòu)的底面上，主冷卻孔的進口位于冷氣提供腔；所述多級抽吸通道的進口位于主冷卻孔的背風(fēng)側(cè)孔壁上，多級抽吸通道的出口位于冷氣吸入腔；冷氣吸入腔的壓力低于冷氣提供腔的壓力。

本發(fā)明進一步的改進在于，所述蝠鲼型仿生凸臺的形狀與海洋生物蝠鲼相似，其迎風(fēng)面與目標(biāo)壁面相切，背風(fēng)面向迎風(fēng)方向彎曲。

本發(fā)明進一步的改進在于，所述蝠鲼型仿生凸臺的寬度大于凹坑結(jié)構(gòu)的寬度，蝠鲼型仿生凸臺的軸線與凹坑結(jié)構(gòu)的軸線重合。

本發(fā)明進一步的改進在于，所述凹坑結(jié)構(gòu)的輪廓線為主冷卻孔出口型線的放大，且凹坑結(jié)構(gòu)輪廓線的背風(fēng)側(cè)和轉(zhuǎn)角處采用圓弧過渡。

本發(fā)明進一步的改進在于，所述主冷卻孔的軸線與目標(biāo)壁面間的角度為20°至35°。