一種氣冷渦輪的雙射流孔冷卻結構的製作方法
2023-06-02 18:55:36 1
專利名稱：一種氣冷渦輪的雙射流孔冷卻結構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種冷卻孔結構，特別涉及一種氣冷渦輪中使用的上下遊分布的雙射流孔冷卻結構。
背景技術：
目前，隨著航空發動機性能的不斷提高，特別是軍用航空發動機技術的不斷發展， 渦輪前溫度不斷升高，美國最先進的軍用航空發動機的渦輪前溫度已經達到了 2000K左右。與之相比，我國目前最先進的「太行」航空發動機，其渦輪前溫度尚未達到1800K。我國航空發動機的研製水平與美歐發達國家相比仍處於落後的位置。研製先進的渦輪冷卻結構是提升航空發動機技術的一個重要課題。目前，航空發動機的渦輪冷卻主要採取氣冷的方式，氣冷渦輪中所使用的氣膜冷卻孔的形狀主要有圓形射流孔和扇形射流孔兩種。圓形射流孔是簡單的圓柱貫通的冷卻結構；扇形射流孔的出口是一個帶側向擴張角的扇形結構，有的扇形射流孔還帶有一定角度的前傾角。但是，如圖7A、圖7B所示，圓形射流孔和扇形射流孔在孔的下遊都形成了具有兩個旋轉方向相反的渦分支組成的腎形渦結構，這種腎形渦結構有兩個顯著的缺點(1)在高吹風比情況下，腎形渦結構使兩個渦核更加靠近，而且使冷卻氣膜整體抬離被保護表面； (2)腎形渦將熱氣流帶入冷卻氣膜層下方，減小了冷卻氣膜層的覆蓋範圍。儘管扇形射流孔在冷卻氣膜展向發展方向做了一些改進，但是腎形渦的缺陷並沒有消除，冷卻效率仍然不尚ο
發明內容針對上述現有技術的缺點和不足，本實用新型提供一種氣冷渦輪的雙射流孔冷卻結構，該冷卻結構能夠形成與腎形渦旋轉方向相反的反腎形渦結構，這種反腎形渦結構可以消弱或消除腎形渦的缺陷，使冷卻氣膜更好的貼附在被保護表面上；另外，這種反腎形渦結構大大抑制了分離現象的發生，尤其在高吹比情況下，抑制氣流分離的效果更加明顯， 從而顯著提升了冷卻氣膜的冷卻效率。本實用新型為解決其技術問題所採用的技術方案是一種氣冷渦輪的雙射流孔冷卻結構，包括被保護表面和雙射流孔排，通過在所述被保護表面上形成反腎形渦結構對暴露在高溫氣體中的所述被保護表面進行冷卻，其特徵在於，所述雙射流孔排設置在所述被保護表面上，所述雙射流孔排由相鄰的兩個射流孔沿一設定的方向排列而成；所述相鄰的兩個射流孔構成射流孔對，每個射流孔的入口直徑D 相同，複合角相反，一個位於主流方向的上遊，另一個位於主流方向的下遊，兩個射流孔之間的軸向間距為入口直徑D的2 4倍，且每個射流孔在複合角方向上有2° 4°的擴張角度；在排列方向上，所述射流孔對之間的間距為入口直徑D的1 2倍；所述複合角是指射流孔中心線在入射平面內的投影與主流方向的夾角。優先的，在所述被保護表面上設置的雙射流孔排有多排，從而可以在整個被保護表面上形成冷卻氣膜，以達到充分冷卻被保護表面的目的。優先的，所述被保護表面為渦輪葉片和/或渦輪葉片的輪轂。優先的，所述射流孔中心線與所述被保護表面之間呈25° 35°的夾角。優先的，所述射流孔的複合角為20° 40°。由以上技術方案可知，本實用新型的雙射流孔冷卻結構具有以下優點1，本實用新型的擴張形的射流孔出口使冷氣的出口動量有所降低，冷氣更好的覆蓋在被保護表面上；2，射流孔對在排列方向上的間距可以加大冷氣在排列方向的分布範圍，使總體冷卻效果更好；3，複合角的布置可以形成與傳統腎形渦旋轉方法相反的反腎形渦結構，且大大地抑制分離現象的發生，從而提高了冷卻效率；4，本實用新型的雙射流孔冷卻結構，結構簡單，可以在較高吹風比下實現冷氣的較好覆蓋，用更少的冷氣達到更理想的冷卻效果。
[0016]圖1是本實用新型的射流孔對的立體結構圖。[0017]圖2是本實用新型的單個射流孔的剖視圖。[0018]圖3是本實用新型的射流孔的角度定義圖。[0019]圖4是本實用新型在渦輪葉片上使用的立體圖。[0020]圖5是本實用新型在渦輪葉片上的剖視圖，及局部放大圖。[0021]圖6是本實用新型在渦輪輪轂處使用的立體圖。[0022]圖7(A/B/C)是本實用新型與圓形射流孔、扇形射流孔相比下遊的溫度和速度分布圖。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下參照附圖並舉實施例，對本實用新型進一步詳細說明。圖1示出了本實用新型的射流孔對的立體結構圖。射流孔對由射流孔1和射流孔 2組成，其中，射流孔1位於主流方向的上遊，射流孔2位於主流方向的下遊，兩個射流孔的入口直徑D相同，複合角相反。流經射流孔1的冷卻氣體由進口①進入，由出口②噴出，流經射流孔2的的冷卻氣體由進口③進入，由出口④噴出。圖2示出了本實用新型單個射流孔的剖視圖。其中α是射流孔中心線與射流孔出口平面(被保護表面)的夾角，Y是射流孔的擴張角，本實用新型α的角度變化範圍是 25° 35°，擴張角γ的角度變化範圍是2° 4°。圖3示出了本實用新型中單個射流孔的角度定義圖。其中方向①是主流的方向， 方向②是射流孔中心線在入射平面內的投影，方向③是射流孔中心線的方向。其中射流孔中心線與其在入射平面內投影的夾角α是射流孔的入射角，射流孔中心線在入射平面內的投影與主流方向的夾角β是複合角。本實用新型中，單個射流孔的複合角的變化範圍是 20° 40° 。[0027]本實用新型中，射流孔對中的兩個射流孔的複合角β大小相等，方向相反，這種相反的複合角有助於形成與傳統腎形渦對旋轉方向不同的反腎形渦對。圖4、圖5示出了本實用新型的雙射流孔冷卻結構在渦輪葉片上使用的情形。渦輪葉片1為被保護表面，雙射流孔排3、4、5分別是設置在渦輪葉片1壓力面上不同位置處的雙射流孔冷卻結構，雙射流孔排6、7、8是設置在渦輪葉片1吸力面上不同位置處的雙射流孔冷卻結構，通過在渦輪葉片1上形成反腎形渦結構對暴露在高溫氣體中的渦輪葉片1進行冷卻，雙射流孔排3、4、5、6、7、8由相鄰的兩個射流孔沿渦輪葉片1的展向排列而成。渦輪葉片1內的冷氣通道2給雙射流孔排提供冷卻氣體，冷卻氣體通過雙射流孔冷卻結構進入主流通道，在主流的壓製作用下，貼附在渦輪葉片1表面上。圖6示出了本實用新型的雙射流孔冷卻結構在渦輪輪轂處使用的情形。雙射流孔排4設置在渦輪葉片1的輪轂處。冷卻氣體由輪轂內部通過雙射流孔冷卻結構引入輪轂外表面，形成冷卻氣膜覆蓋。圖7Α、圖7Β、圖7C分別給出了圓形射流孔、扇形射流孔和本實用新型的雙射流孔冷卻結構在距離渦輪葉片7倍射流孔入口直徑處的溫度分布和速度矢量圖。本結果是由流體計算軟體數值計算所得。圖中標註的數字是溫度值，單位為K，其中主流來流溫度為 1600Κ，冷氣溫度為700Κ。從圖中可以看出雙射流孔冷卻結構在下遊的冷氣覆蓋面積明顯大於其他兩種冷卻結構，而且渦的旋轉方向與圓形射流孔和扇形射流孔形成的腎形渦對旋轉方向相反，這說明本實用新型的冷卻效果要優於其他兩種冷卻孔。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型保護的範圍之內。
權利要求1.一種氣冷渦輪的雙射流孔冷卻結構，包括被保護表面和雙射流孔排，通過在所述被保護表面上形成反腎形渦結構對暴露在高溫氣體中的所述被保護表面進行冷卻，其特徵在於，所述雙射流孔排設置在所述被保護表面上，所述雙射流孔排由相鄰的兩個射流孔沿一設定的方向排列而成；所述相鄰的兩個射流孔構成射流孔對，每個射流孔的入口直徑D相同，複合角相反，一個射流孔位於主流方向的上遊，另一個射流孔位於主流方向的下遊，且每個射流孔在複合角方向上有2° 4°的擴張角度；所述複合角是指射流孔中心線在入射平面內的投影與主流方向的夾角。
2.根據權利要求1所述的氣冷渦輪的雙射流孔冷卻結構，其特徵在於，在所述被保護表面上設置的雙射流孔排有多排。
3.根據權利要求1所述的氣冷渦輪的雙射流孔冷卻結構，其特徵在於，所述被保護表面為渦輪葉片和/或渦輪葉片的輪轂。
4.根據權利要求1所述的氣冷渦輪的雙射流孔冷卻結構，其特徵在於，在排列方向上， 所述射流孔對之間的間距為所述入口直徑D的1 2倍。
5.根據權利要求1至4任一項所述的氣冷渦輪的雙射流孔冷卻結構，其特徵在於，所述射流孔中心線與所述被保護表面之間呈25° 35°的夾角。
6.根據權利要求1至4任一項所述的氣冷渦輪的雙射流孔冷卻結構，其特徵在於，所述射流孔的複合角為20° 40°。
專利摘要一種氣冷渦輪的雙射流孔冷卻結構，包括被保護表面和雙射流孔排，通過在所述被保護表面上形成反腎形渦結構對暴露在高溫氣體中的所述被保護表面進行冷卻，所述雙射流孔排設置在所述被保護表面上，所述雙射流孔排由相鄰的兩個射流孔沿一設定的方向排列而成；所述相鄰的兩個射流孔構成射流孔對，每個射流孔的入口直徑D相同，複合角相反，一個位於主流方向的上遊，另一個位於主流方向的下遊，兩個射流孔之間的軸向間距為入口直徑D的2～4倍，且每個射流孔在複合角方向上有2°～4°的擴張角度；在排列方向上，所述射流孔對之間的間距為入口直徑D的1～2倍；所述複合角是指射流孔中心線在入射平面內的投影與主流方向的夾角。
文檔編號F01D5/30GK202023596SQ20112001526
公開日2011年11月2日 申請日期2011年1月18日 優先權日2011年1月18日
發明者唐菲, 徐建中, 王文三, 趙慶軍 申請人:中國科學院工程熱物理研究所