本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)冷卻技術(shù)的領(lǐng)域，更具體的說是一種離散氣膜冷卻孔結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

燃?xì)廨啓C(jī)廣泛應(yīng)用于航空、軍事、交通、電力等領(lǐng)域，追求更高的效率是燃?xì)廨啓C(jī)研制的重要目標(biāo)，提高透平進(jìn)口溫度是提高燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)效率的最有效方法。當(dāng)前地面重型燃機(jī)和大推力航空發(fā)動(dòng)機(jī)的透平進(jìn)口溫度已遠(yuǎn)超透平葉片合金材料的耐溫極限，必須采用透平冷卻技術(shù)來保障透平葉片長時(shí)間可靠運(yùn)行。離散孔氣膜冷卻是當(dāng)前燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片普遍采用的高效冷卻技術(shù)，其基本原理是從壓氣機(jī)引入冷卻空氣至透平葉片內(nèi)腔，冷卻空氣通過密布于葉片上的冷卻孔流出并覆蓋于葉片表面，從而達(dá)到隔絕高溫主流與金屬葉片表面的目的，降低葉片表面溫度。

離散孔氣膜冷卻最常用的孔型是圓柱孔，圓柱孔具有結(jié)構(gòu)簡單、不影響葉片強(qiáng)度、加工容易等優(yōu)點(diǎn)，因此在燃?xì)馔钙饺~片上應(yīng)用廣泛。但隨著透平進(jìn)口溫度的逐步提高，圓柱孔氣膜冷卻的弱點(diǎn)開始顯現(xiàn)，比如：冷卻效果較低、氣膜覆蓋面積小、高吹風(fēng)比下易吹離壁面、摻混損失較大等，目前除葉片前緣或動(dòng)葉葉頂外，先進(jìn)燃?xì)馔钙饺~片(吸力面、壓力面、端壁)已很少采用圓柱孔氣膜冷卻。多年以來，國內(nèi)外研究者一直在發(fā)展高效的氣膜冷卻孔型。尤其是近十幾年，國內(nèi)外研究者陸續(xù)提出了很多新穎的氣膜冷卻結(jié)構(gòu)或孔型，以提高氣膜冷卻效果。比如，擴(kuò)張孔、雙噴射孔、姐妹孔、溝槽孔、收縮槽孔等。上述孔型均比圓柱孔大幅提高了氣膜冷卻效果，氣膜冷卻性能得到了大幅提升。其中擴(kuò)張出口孔是最成功的一類孔型，當(dāng)前很多先進(jìn)燃機(jī)透平上都在使用這類孔型，只是具體孔型的出口擴(kuò)張結(jié)構(gòu)有所差異。

總體上看，目前國內(nèi)外所提出的各種氣膜冷卻結(jié)構(gòu)幾乎均以圓柱孔為基礎(chǔ)，或者說是基于圓形橫截面來構(gòu)建，即孔型的冷氣進(jìn)口端基本都是圓柱孔，改進(jìn)部分主要是針對氣膜孔的出口端進(jìn)行。因此，目前絕大部分孔型均可歸為圓形截面孔范疇。

實(shí)際上，目前公認(rèn)的冷卻效果最好的氣膜冷卻結(jié)構(gòu)是通過與內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)相結(jié)合而形成的槽形氣膜冷卻結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)類似于葉片尾緣的冷氣出流縫，槽形氣膜冷卻結(jié)構(gòu)可以在葉片表面形成一個(gè)類似于連續(xù)槽的結(jié)構(gòu)，具有非常高的氣膜冷卻效果。不過，該冷卻結(jié)構(gòu)根本上改變了葉片的整體構(gòu)造，對已有的氣膜冷卻設(shè)計(jì)和葉片加工方法形成了一定挑戰(zhàn)，目前尚未有實(shí)際應(yīng)用的先例。但是，槽形氣膜冷卻結(jié)構(gòu)對離散孔氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的發(fā)展有一定啟發(fā)，即擴(kuò)大橫截面寬度對提高氣膜冷卻效果的作用非常大，將傳統(tǒng)的圓形橫截面轉(zhuǎn)變?yōu)楸馄交臋M截面將有助于提升氣膜冷卻性能，目前已有矩形橫截面的氣膜孔結(jié)構(gòu)。然而，矩形橫截面氣膜孔存在側(cè)壁效應(yīng)，即側(cè)壁導(dǎo)致氣膜覆蓋的不均勻。要想進(jìn)一步改善扁平橫截面氣膜孔的氣膜覆蓋均勻度，必須從橫截面形狀著手，通過橫截面形狀優(yōu)化達(dá)到控制氣膜冷卻流動(dòng)的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

有鑒于此，本發(fā)明公開一種離散氣膜冷卻孔結(jié)構(gòu)，用以提高離散氣膜孔的冷卻效果、獲得更加均勻的氣膜覆蓋、減少氣膜冷卻的摻混損失。

(二)技術(shù)方案

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種離散孔氣膜冷卻孔結(jié)構(gòu)，包括離散分布的多個(gè)冷卻孔，用于冷卻的氣體從所述冷卻孔流出形成氣膜，所述冷卻孔的橫截面為梭形。

作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述冷卻孔沿其軸方向包括平直段和擴(kuò)張段，所述平直段位于冷氣側(cè)，所述擴(kuò)張段位于高溫燃?xì)鈧?cè)；

作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述平直段的橫截面呈梭形，由四段圓弧組成，四段圓弧相切，上下游壁外凸；所述擴(kuò)張段是以平直段的橫截面為基礎(chǔ)的橫向擴(kuò)張形成；

作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述平直段的橫截面的寬度與高度的比值在3和5之間；

作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述平直段的橫截面的高度與圓柱孔直徑的比值在0.4和0.6之間，所述圓柱孔的橫截面面積與該冷卻孔的橫截面面積相等；

作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述平直段的橫截面的上游壁的外凸高度與圓柱孔直徑的比值在0.05和0.2之間，所述圓柱孔的橫截面面積與該冷卻孔的橫截面面積相等；

作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述平直段的橫截面的外凸高度與圓柱孔直徑的比值在0.0和0.15之間，所述圓柱孔的橫截面面積與該冷卻孔的橫截面面積相等；

作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述平直段的長度與所述冷卻孔總長度的比值在0.25和0.5之間；

作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述擴(kuò)張段兩側(cè)橫向擴(kuò)張形成擴(kuò)張角，所述擴(kuò)張角在8度和14度之間；

作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述冷卻孔的噴射角范圍在30度和70度之間；

作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述多個(gè)離散氣膜孔之間的橫向孔間距為S，所述橫向孔間距S與圓柱孔直徑的比值不小于5，所述圓柱孔的橫截面面積與該冷卻孔的橫截面面積相等。

(三)有益效果

本發(fā)明所述的冷卻孔，將傳統(tǒng)氣膜孔的圓形橫截面進(jìn)行了扁平化處理，使得橫截面整體呈梭形，從而獲得更加均勻的氣膜流動(dòng)及覆蓋，整體氣膜冷卻效果高；氣膜覆蓋面積大；下游產(chǎn)生可控的反腎形渦對，橫向氣膜覆蓋均勻；冷氣出口速度高，氣動(dòng)摻混損失小，易于加工，現(xiàn)有的氣膜孔加工技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

圖1a為本發(fā)明的冷卻孔的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1b為本發(fā)明的平直段的橫截面的示意圖；

圖1c為本發(fā)明的冷卻孔的三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2a為現(xiàn)有的扇形孔的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2b為現(xiàn)有的扇形孔的平直段橫截面示意圖；

圖2c為現(xiàn)有的扇形孔的三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的冷卻孔的平直段橫截面寬高比變化；

圖4為本發(fā)明的冷氣孔的寬高比及上下游壁外凸高度變化；

圖5a為本發(fā)明的冷卻孔在W＝1.7D時(shí)與現(xiàn)有的扇形孔的空間平均冷卻效果對比；

圖5b為本發(fā)明的冷卻孔在W＝2.0D時(shí)與現(xiàn)有的扇形孔的空間平均冷卻效果對比；

圖5c為本發(fā)明的冷卻孔在W＝2.3D時(shí)與現(xiàn)有的扇形孔的空間平均冷卻效果對比；

圖6為本發(fā)明的冷卻孔的橫向布置示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

圖1a為本發(fā)明的冷卻孔的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明提供的用于燃?xì)鉁u輪葉片葉身或葉片通道上下端壁的氣膜冷卻的冷卻孔，沿冷氣流向分為平直段和擴(kuò)張段兩部分，平直段位于冷氣進(jìn)口側(cè)，擴(kuò)張段位于冷氣出口側(cè)，孔平直段長度用Lt表示，孔的總長度用L表示，平直段的長度與該冷卻孔總長度之比Lt/L在1/4和1/2之間。圖1b為本發(fā)明的平直段的橫截面示意圖。平直段橫截面整體呈扁平的梭形，橫截面寬度用W表示，橫截面高度用H表示。梭形橫截面由4段圓弧組成，上下游壁呈外凸，上下游壁的圓弧與兩側(cè)壁的圓弧相切。兩端的側(cè)壁圓弧半徑用R1表示，上游壁的半徑用R2表示，下游壁的半徑用R3表示。擴(kuò)張段兩側(cè)壁由平直段兩側(cè)圓弧向橫向擴(kuò)張而形成，橫向擴(kuò)張角用γ表示。為了構(gòu)建梭形結(jié)構(gòu)，需要一個(gè)輔助的矩形作為基礎(chǔ)，如圖1b中虛線所示，輔助矩形的寬度為W，而高度用h表示。構(gòu)造時(shí)，在兩側(cè)先構(gòu)造出兩個(gè)圓，半徑R1＝0.5h。為了構(gòu)造上下游壁的外凸結(jié)構(gòu)，以矩形上下壁為基準(zhǔn)，上游壁中心點(diǎn)向外拉伸λ2構(gòu)建與兩側(cè)壁相切的圓，下游壁中心點(diǎn)向外拉伸λ1構(gòu)建與兩側(cè)壁相切的圓，因此整個(gè)梭形的高度為H＝h+λ1+λ2。圖1c為本發(fā)明的冷卻孔的三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2a為現(xiàn)有的扇形孔的結(jié)構(gòu)示意圖。這是目前應(yīng)用最廣泛的冷卻孔，比簡單圓柱孔的冷卻效果大幅提高。該孔屬于擴(kuò)張出口型孔，即冷卻孔的前半段為圓柱孔，冷卻孔的后半段為擴(kuò)張結(jié)構(gòu)。孔的平直段長度用Lt表示，孔的總長度用L表示，橫向擴(kuò)張角用γ表示。顯然，所展示的扇形孔是在普通圓柱孔的基礎(chǔ)上對出口進(jìn)行了擴(kuò)張?zhí)幚恚垣@得更好的氣膜冷卻效果。圖2b為現(xiàn)有的扇形孔的平直段橫截面示意圖。圖2c為現(xiàn)有的扇形孔的三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的冷卻孔的平直段橫截面寬高比變化。三個(gè)橫截面寬度大小分別為W＝1.7D、2.0D和2.3D。如果沒有上下游壁的外凸，在長寬比較小的情況下，則冷氣易集中到孔兩側(cè)，而在長寬比較大的情況下，冷氣則易集中到孔中心線附近。換言之，小長寬比下，橫向擴(kuò)張過強(qiáng)，而大長寬比下，橫向擴(kuò)張不足。氣膜孔上下游壁的外凸結(jié)構(gòu)，主要目的是調(diào)節(jié)冷氣的橫向擴(kuò)張度，以獲得更加均勻的氣膜覆蓋，從而提高整體冷卻效果。

圖4為本發(fā)明的冷氣孔的寬高比及上下游壁外凸高度變化。三個(gè)橫截面寬度大小分別為W＝1.7D、2.0D和2.3D。在小長寬比時(shí)，通過增加上游壁的外凸λ2，可以增加氣膜孔中心線處的冷氣量，氣膜覆蓋將將更加均勻。在大長寬比時(shí)，通過增加下游壁的外凸λ1，從而將集中在孔中心線的冷氣分流到孔兩側(cè)，結(jié)果也是氣膜分布更加均勻。一般來說，在長寬比較小時(shí)，如W＝1.7D，下游壁可以不外凸，而僅上游壁外凸，即λ1＝0，而λ2＞0。在長寬比較大時(shí)，如W＝2.0D和2.3D，則λ1和λ2均應(yīng)大于0，且根據(jù)具體情況λ1和λ2可以取不同值。

圖5a-5c給出了實(shí)驗(yàn)獲得的本發(fā)明的冷卻孔與現(xiàn)有的扇形孔的空間平均冷卻效果對比，圖5a為W＝1.7D的情況，圖5b為W＝2.0D的情況，圖5c為W＝2.3D的情況。實(shí)驗(yàn)是在低速風(fēng)洞上進(jìn)行，模型為平板，采用壓力敏感漆測量方法獲得絕熱氣膜冷卻效果。實(shí)驗(yàn)的主流速度為25m/s，密度比DR＝1.38，主流湍流度為3.5％，吹風(fēng)比范圍為M＝0.5-2.5，孔間距S/D＝6.0。圖5a-5c中，F(xiàn)an-Shaped Hole表示現(xiàn)有的扇形孔，其結(jié)構(gòu)如圖2a-2c所示。1.7D-0和1.7D-1分別表示圖4中最上面一排的前兩個(gè)孔型橫截面。2.0D-0、2.0D-1、2.0D-2分別表示圖4中中間一排的孔型橫截面。2.3D-0、2.3D-1、2.3D-2分別表示圖4中最下面一排的孔型橫截面。η_s表示面積平均的絕熱氣膜冷卻效果，面積平均區(qū)域是從孔出口開始的6D×30D區(qū)域。x/D表示下游距離與圓柱孔徑的比值。不難看出，在W＝1.7D時(shí)，本發(fā)明的冷卻孔在所有的吹風(fēng)比下，均比現(xiàn)有的扇形孔明顯提高了面積平均冷卻效果，絕對的提高幅度超過0.1。在W＝2.0D時(shí)，本發(fā)明的冷卻孔的面積平均冷卻效果仍遠(yuǎn)高于扇形孔，尤其是在低吹風(fēng)比范圍(M＝0.5-1.5)優(yōu)勢更大。在W＝2.3D時(shí)，本發(fā)明的冷卻孔的面積平均冷卻效果仍遠(yuǎn)高于扇形孔，但橫截面幾何參數(shù)的影響較大，尤其是高吹風(fēng)比條件下，上下游壁的外凸尺寸應(yīng)控制在較小的范圍內(nèi)。大長寬比時(shí)，λ1和λ2值不宜過大。

圖6為本發(fā)明的冷卻孔的橫向布置示意圖。在布置為一排時(shí)，孔間距用S表示，由于冷卻孔出口寬度較大，布置時(shí)要求S/D至少在5以上。

本發(fā)明冷卻孔的各個(gè)參數(shù)對冷卻效果有顯著影響，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，以下詳細(xì)說明本發(fā)明提供的冷卻孔各個(gè)參數(shù)的作用及取值范圍。

平直段長度Lt：這一參數(shù)影響冷氣在孔內(nèi)的擴(kuò)張流動(dòng)，Lt數(shù)值較小時(shí)擴(kuò)張流動(dòng)發(fā)生早，Lt數(shù)值較大時(shí)擴(kuò)張流動(dòng)發(fā)生晚。為了保持出口流動(dòng)均勻，Lt與孔的總長度L的比值Lt/L在1/4和1/2之間較合適，Lt/L＝1/3是推薦值。

孔噴射角α：冷卻孔在布置時(shí)均有一定的噴射角，而且孔布置在壓力面或吸力面噴射角的大小有差異，通常圓柱孔的噴射角在20和80度之間，本發(fā)明冷卻孔的噴射角在30和70度之間均適用。

橫向擴(kuò)張角γ：橫向擴(kuò)張角越大，則冷卻孔出口的寬度越大。但由于擴(kuò)張流動(dòng)的存在，過大的橫向擴(kuò)張角有可能導(dǎo)致孔內(nèi)流動(dòng)分離，因此最大擴(kuò)張角取值在γ＝14度為宜，為了獲得橫向擴(kuò)張效果，最小擴(kuò)張角取值在γ＝8度為宜。

孔間距S：由于本發(fā)明的冷卻孔截面積為梭形，而且長寬比較大，同時(shí)具有橫向擴(kuò)張角，因此冷卻孔出口橫向?qū)挾让黠@大于普通圓柱孔以及以普通圓柱孔為基礎(chǔ)的改進(jìn)型擴(kuò)張孔，因此使用時(shí)以圓柱孔徑作為參考，S/D應(yīng)不小于5。

梭形截面的寬高比(W/H)：為了與普通圓柱孔的橫截面積等價(jià)，或保持單個(gè)孔的質(zhì)量流量接近，本發(fā)明提供的冷卻孔的梭形截面積要求與圓柱孔的圓形截面積相等。根據(jù)圖5a-5c提供的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本發(fā)明的冷卻孔橫截面寬度W和高度H的比值W/H在3和5之間較合適。

基礎(chǔ)矩形高度h：基礎(chǔ)矩形是為了構(gòu)建梭形橫截面的兩側(cè)壁，其寬度等于梭形橫截面的寬度，其高度決定了側(cè)壁圓形的半徑。在保證平直段橫截面面積不變的條件下，h越小，則意味著橫截面兩側(cè)尺度越小，中間尺度越大。h越大，則梭形橫截面越趨向于矩形。

上下游壁外凸尺寸λ1和λ2：這兩個(gè)參數(shù)數(shù)值的大小對冷卻效果影響極大，也是本發(fā)明孔型的關(guān)鍵參數(shù)。由于要求本發(fā)明冷卻孔的梭形截面的橫截面面積與普通圓柱孔的圓形橫截面面積一致，因此λ1和λ2的值越大，則h值越小。對不同寬度的梭形橫截面，λ1和λ2的取值有差異。當(dāng)梭形寬度W較小時(shí)，如W＜1.7D時(shí)，冷氣易于集中到孔兩側(cè)，λ1可取0至0.05D之間的值，同時(shí)λ2取0.05D和0.2D之間的值，如此配置可以適當(dāng)增大孔中心線處的冷氣量，合適的λ2值可以獲得非常均勻的氣膜覆蓋。當(dāng)梭形寬度W較大時(shí)，如W＞1.7D，冷氣主要集中到孔中心線，λ1取0.05至0.15D之間的值，可以不同程度增大孔兩側(cè)的冷氣量，同時(shí)λ2可以取0.05D-0.15D之間的值。

橫截面圓弧半徑R1、R2和R3：這幾個(gè)參數(shù)與λ1和λ2的值有關(guān)，也和梭形寬度有關(guān)，是構(gòu)建梭形橫截面的參數(shù)。

以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。