一種應用于氣膜冷卻技術的旋流冷氣腔結構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種應用于氣膜冷卻技術的旋流冷氣腔結構，包括冷氣導流段、漩渦發(fā)生段、圓柱氣膜孔，冷氣導流段和漩渦發(fā)生段相連，圓柱氣膜孔安裝在漩渦發(fā)生段上，冷氣導流段為長方體結構，漩渦發(fā)生體為一側具有倒圓角的長方體結構，圓柱氣膜孔為圓柱體結構；漩渦發(fā)生段的倒圓角半徑為R，圓柱氣膜孔的直徑為D，冷氣導流段和漩渦發(fā)生段的高度之和為L2，冷氣導流段截面的長為L4，冷氣導流段截面的寬為W2，圓柱氣膜孔與漩渦發(fā)生段相接觸處到漩渦發(fā)生段三個邊的垂直距離均為W1，W2/L4的值在1～4之間，L2的值在2～5倍D之間，R的值在0.5～1.0倍D之間，W1的值在0.1～0.5倍D之間。本發(fā)明既能保證冷卻效果又能克服加工制造和結構強度困難。
【專利說明】
一種應用于氣膜冷卻技術的旋流冷氣腔結構
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及的是一種燃氣渦輪發(fā)動機，具體地說是離散氣膜圓柱冷卻孔加旋流冷氣腔組合結構。
【背景技術】
[0002]現代燃氣渦輪發(fā)動機的工作溫度已經遠遠超過金屬材料的可承受溫度。氣膜冷卻作為一種高效的先進冷卻方式，被廣泛應用于燃氣輪機和航空發(fā)動機的高溫部件冷卻。在燃氣渦輪發(fā)動機中，氣膜冷卻是將從壓氣機相應級中抽出的壓縮的冷卻氣體從一個或者多個離散孔中噴射，在壁面形成一層氣體薄膜以保護壁面不被高溫氣體燒蝕，而氣膜冷卻效率的高低直接影響到所需壓縮空氣量的多少，從而影響到燃氣渦輪機整機的運行效率和性能。氣膜冷卻是由對流主導的兩股不同溫度流體相互摻混及與冷卻壁面的對流換熱問題，而提高氣膜冷卻效率的關鍵是限制冷氣從氣膜孔噴射出后被高溫氣體吹離，同時擴大冷卻氣體在壁面的覆蓋面積，特別是擴大冷氣的橫向覆蓋范圍；因此，冷氣噴射后與高溫主流所形成的流場結構尤為重要。
[0003]近年來，為了提高氣膜冷卻效率，國內外研究者在孔型和組合孔兩個方向陸續(xù)提出了多種新穎的冷卻方式。比如，擴張孔、元寶孔、姊妹孔、雙射流孔、溝槽孔、圓錐孔等。然而這些孔存在著加工制造和結構強度等方面的困難，上訴孔型在工程中并沒有得到廣泛的應用。氣膜冷卻最常用的冷卻孔是圓柱孔，圓柱孔具有結構簡單、不影響葉片強度、加工容易等優(yōu)點，因此在工程中得到了廣泛的應用，但隨著渦輪進口溫度的提高，圓柱孔氣膜冷卻效率偏低、冷氣覆蓋面積小、不適于高吹風比等劣勢越來越明顯。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供既能保證冷卻效果又能克服加工制造和結構強度困難的一種應用于氣膜冷卻技術的旋流冷氣腔結構。
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實現的:
[0006]本發(fā)明一種應用于氣膜冷卻技術的旋流冷氣腔結構，其特征是:包括冷氣導流段、漩渦發(fā)生段、圓柱氣膜孔，冷氣導流段和漩渦發(fā)生段相連，圓柱氣膜孔安裝在漩渦發(fā)生段上，冷氣導流段為長方體結構，漩渦發(fā)生體為一側具有倒圓角的長方體結構，圓柱氣膜孔為圓柱體結構;漩渦發(fā)生段的倒圓角半徑為R，圓柱氣膜孔的直徑為D，冷氣導流段和漩渦發(fā)生段的高度之和為L2，冷氣導流段截面的長為L4，冷氣導流段截面的寬為W2，圓柱氣膜孔與漩渦發(fā)生段相接觸處到漩渦發(fā)生段三個邊的垂直距離均為Wl，W2/L4的值在I?4之間，L2的值在2?5倍D之間，R的值在0.5?1.0倍D之間，W1的值在0.1?0.5倍D之間。
[0007]本發(fā)明的優(yōu)勢在于:1、該結構采用了在制造和結構強度方面占據絕對優(yōu)勢的圓柱形氣膜孔，對冷氣進氣結構進行改造，氣膜孔加工工藝性和結構強度好。2、冷氣經過漩渦發(fā)生段在氣膜孔內形成單向漩渦，增加氣膜孔內換熱系數。3、冷卻氣體噴射后氣膜橫向覆蓋寬，橫向平均氣膜冷卻效率高。4、在高吹風比條件下，在采用圓形氣膜孔的基礎上，一部分冷卻氣體不被吹離開，冷卻氣流完全覆蓋壁面。
【附圖說明】
[0008]圖1為本發(fā)明的三維示意圖；
[0009]圖2為本發(fā)明的主視圖；
[0010]圖3為本發(fā)明的左視圖；
[0011]圖4為本發(fā)明的仰視圖；
[0012]圖5為本發(fā)明應用于平板氣膜冷卻的示意圖；
[0013]圖6為用于平板氣膜冷卻的研究結果及與相同工況下傳統(tǒng)結構對比的結果。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述:
[0015]結合圖1?6，本發(fā)明一種應用于氣膜冷卻技術的旋流冷氣腔結構，該結構包括冷氣導流段，漩渦發(fā)生段和圓柱氣膜孔，具體為:冷氣導流段入口橫截面呈長方形，整體呈長方體;漩渦發(fā)生段連接冷氣導流段和圓柱氣膜孔，整體呈現一長方體且在冷氣進口外邊緣處有一圓弧倒角；圓柱氣膜孔連接到漩渦發(fā)生段，并在氣膜孔內形成單向漩渦，單向漩渦有利于冷卻氣流向橫向擴張且冷卻氣體能夠更好的貼附壁面。
[0016]本發(fā)明冷氣導流段橫截面長寬比W2/L4是在I?4之間；漩渦發(fā)生段處的倒圓角半徑R是在0.8?1.2倍圓柱氣膜孔直徑D之間，寬高L5、L3的選取與射流角和圓柱氣膜孔直徑D相關；圓柱氣膜孔和漩渦發(fā)生段與之接觸處之間的三邊垂直寬度Wl是在0.1?0.2倍圓柱氣膜孔直徑D之間;漩渦發(fā)生器高度L2是在2?5倍氣膜孔直徑D之間;使用中該結構射流角α范圍是在20°?60°度之間。
[0017]本發(fā)明基本單元結構如圖1所示:包括冷氣導流段I，漩渦發(fā)生段2和圓柱氣膜孔3;結合圖2、3和4，冷氣導流段整體為一長方體，截面長寬之比L4/W2可以根據工程應用中調整，大致范圍是在I?4之間；漩渦發(fā)生段為一長方體，長度較冷卻導流裝置長L5，其值根據圓柱氣膜孔直徑D確定，取值范圍為1.1倍氣膜孔直徑D左右;漩渦發(fā)生段靠近冷氣導流段外側一邊有倒圓角，倒圓角的半徑在0.5?1.0倍圓柱氣膜孔直徑D之間。圓柱氣膜孔與漩渦發(fā)生段與之接觸處到三邊的垂直距離Wl是一致的，取值范圍為0.1?0.5倍圓柱氣膜孔直徑D之間。整個結構的高度L2具體根據工程中實際需求，取值范圍為2?5倍圓柱氣膜孔直徑D之間；使用該結構圓柱氣膜孔與冷卻壁面之間的夾角，即射流角α—般取為20°?60°之間。圖中其它參數根據氣膜孔直徑D和射流角α可以確定。
[0018]圖5是本發(fā)明在平板氣膜冷卻上的應用實例，應用實例中該氣膜孔的射流α為25°。冷卻氣體4流經本發(fā)明冷氣導流段、漩渦產生段，最后經圓柱氣膜孔噴射出，在冷卻壁面5表面形成氣膜覆蓋，同時與高溫主流6相互摻混而橫向擴張。氣膜覆蓋效果直接取決于冷氣流經氣膜孔后的射流形態(tài)及下游氣膜區(qū)的流場結構。本發(fā)明中冷氣在圓柱氣膜孔內形成單向漩渦，能夠增大氣膜孔內傳熱系數，且從圓柱氣膜孔噴出的冷卻氣流在單向漩渦的影響下能夠向橫向擴張，從而增大冷氣橫向覆蓋范圍，一部分冷氣不易被吹離，從而整體提高氣膜冷卻效率。該發(fā)明中，影響氣膜冷卻性能的關鍵是單向漩渦的強度，漩渦強度越強冷卻效果越好，因此漩渦發(fā)生器的結構參數直接影響到該發(fā)明的冷卻效果。
[0019]圖6是本發(fā)明應用于平板氣膜冷卻研究結果，研究工況為吹風比分別為1.5和2.0，研究過程中同時與傳統(tǒng)結構在相同工況條件下進行比較。曲線7和曲線8分別為本發(fā)明在吹風比為1.5和2.0下游橫向距離為3D的條件下橫向平均氣膜冷卻效率，曲線9和曲線10分別為傳統(tǒng)結構在吹風比為1.5和2.0下游橫向距離為3D條件下橫向平均氣膜冷卻效率。對比本發(fā)明的橫向平均氣膜冷卻效率和傳統(tǒng)結構橫向平均氣膜冷卻效率，結果表面在吹風比分別為1.5和2.0條件下，本發(fā)明的橫向氣膜冷卻效率較傳統(tǒng)結構有顯著的提高，效果十分明顯；對比兩種工況，本發(fā)明在高吹風比下橫向平均冷卻效果更好。
【主權項】
1.一種應用于氣膜冷卻技術的旋流冷氣腔結構，其特征是:包括冷氣導流段、漩渦發(fā)生段、圓柱氣膜孔，冷氣導流段和漩渦發(fā)生段相連，圓柱氣膜孔安裝在漩渦發(fā)生段上，冷氣導流段為長方體結構，漩渦發(fā)生體為一側具有倒圓角的長方體結構，圓柱氣膜孔為圓柱體結構;漩渦發(fā)生段的倒圓角半徑為R，圓柱氣膜孔的直徑為D，冷氣導流段和漩渦發(fā)生段的高度之和為L2，冷氣導流段截面的長為L4，冷氣導流段截面的寬為W2，圓柱氣膜孔與漩渦發(fā)生段相接觸處到漩渦發(fā)生段三個邊的垂直距離均為Wl，W2/L4的值在I?4之間，L2的值在2?5倍D之間，R的值在0.5?1.0倍D之間，W1的值在0.1?0.5倍D之間。
【文檔編號】F02C7/12GK105840315SQ201610147198
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月15日
【發(fā)明人】岳國強, 向世建, 王付凱, 劉喆, 楊昊, 樊楚皓
【申請人】哈爾濱工程大學