[發明專利]一種有漩渦發生器的航空發動機渦輪氣膜冷卻孔

有效

• 申請號: 202110298612.3
• 申請日: 2021-03-19
• 公開（公告）號: CN113006879B
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 曹志遠;郭偉;陳佳窈;俞樾
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 慕安榮

一種有漩渦發生器的航空發動機渦輪氣膜冷卻孔，在各氣膜冷卻孔內固定有圓弧板狀的旋渦發生器，并使該旋渦發生器的前緣朝向該氣膜冷卻孔的氣流進口，使該旋渦發生器的尾緣朝向該氣膜冷卻孔的氣流出口。本發明通過在氣膜冷卻孔內壁增加旋渦發生器以有效減小冷氣出口動量，改善了氣動性能，增大冷氣的擴散能力，提高了18％的冷氣膜覆蓋率，使噴射冷氣不易于脫離附著面，強化冷氣的附著性，將氣膜冷卻效率提高了20％，減少了氣膜冷卻摻混損失，最終為提高航空發動機的性能提供技術支持。

技術領域

本發明涉及渦輪技術領域，具體是一種用于渦輪葉片和端壁區的有漩渦發生器的航空發動機渦輪氣膜冷卻孔。

背景技術

航空發動機推力的提高在很大程度上取決于渦輪前總溫的提高，對渦輪前總溫的提高成為了改善發動機性能和提高其經濟性的重要途徑，但受到渦輪葉片材料耐熱性能的限制，有效的冷卻技術逐步受到重視。氣膜冷卻技術作為一種廣泛采用的冷卻技術，具有明顯的優勢和良好的應用前景。其基本原理是將冷卻空氣在壁面附近通過氣膜冷卻孔流出，在主流的壓力和摩擦下覆蓋在壁面附近，形成冷氣膜，達到隔絕熱主流，降低渦輪葉片溫度的目的。

最初關于氣膜冷卻技術的研究是Wieghardt在《Hot-Air?Discharge?for?De-icing》中關于在機翼防凍方面設計的二維槽縫熱氣噴射。隨著航空發動機的出現，人們發現可以通過對高溫部件噴射冷氣起到降溫冷卻的目的。起初主要用于燃燒室中。到十九世紀七十年代，氣膜冷卻技術才逐漸用于渦輪葉片冷卻。

氣膜冷卻效果主要受以下兩方面因素影響：①氣膜冷卻孔的幾何參數；②氣膜冷卻孔的氣動參數。目前最基本的孔型是圓柱孔，由于圓柱孔具有加工簡單、結構強度高的特點，而應用最為普遍。但由于圓柱孔型的氣膜冷卻效果不佳，近年來國內外陸續發展了許多不同孔型，以期提高冷卻效率。比如擴張型孔、縫型孔、雙噴射孔等。在現代高性能航空發動機渦輪葉片設計中，渦輪端壁的冷卻問題日益受到重視。端壁附近存在的三維流動如通道渦和馬蹄渦等二次流現象，使得對端壁的氣膜冷卻難以實施，因此端壁氣膜冷卻技術的發展顯得尤為重要。Friedrichs、Hodsonhp、Daws等人在1996年第118卷第4期的Journal?ofTurbomachinery中的《Distribution?of?film-cooling?effectiveness?on?a?turbineendwall?measured?using?the?ammonia?and?Diazo?technique》中使用氨-重氮技術研究了大尺度、低速透平直葉柵冷卻效率分布，發現冷卻效率沿孔下游方向增加。西北工業大學的劉高文、劉松齡、朱惠人等人在2001年第3期《航空動力學報》中的“渦輪葉柵前緣上游端壁氣膜冷卻的傳熱實驗研究”一文中對前緣上游端壁有單排和雙排孔冷卻的大尺寸低速渦輪導向葉柵進行了啟動和傳熱實驗研究，發現端壁氣膜冷卻在很大程度上受二次流影響，冷卻效果主要由吹風比決定。

在公開號為CN103244196的發明創造中公開了一種離散氣膜冷卻孔型，在圓柱孔出氣邊下游至擴張結構出氣邊之間內部有一擴張型凸臺，提高橫向平均氣膜冷卻效率。

在公開號為CN111042872A的發明創造中公開了一種橫向擴張子午收縮槽形氣膜孔，通過將將槽形截面與子午收縮結構結合，提高孔內流動速度，提高遠下游冷卻效果。

在上述現有的孔型結構設計方法中，對氣膜冷卻效率有了不同程度的提高，但大部分孔型的平均氣膜覆蓋率并沒有得到很大的提高，氣膜冷卻效果提升較為有限。

發明內容

為克服現有技術中存在的平均氣膜覆蓋率較低，氣膜冷卻效果提升較為有限的不足，本發明提出了一種有漩渦發生器的航空發動機渦輪氣膜冷卻孔。

本發明中，葉片氣膜冷卻孔在各渦輪葉片上有多個，分別排布在各渦輪葉片與渦輪端壁上。位于渦輪葉片上的葉片氣膜冷卻孔沿所在渦輪葉片的展向排布，位于渦輪端壁上的葉片氣膜冷卻孔沿所述渦輪端壁的圓周排布。所述氣膜冷卻孔為擴張型氣膜冷卻孔和圓柱型氣膜冷卻孔。