一種離散氣膜冷卻孔的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)領(lǐng)域，是一種離散氣膜冷卻孔，可以顯著提高燃?xì)鉁u輪葉片的氣膜冷卻效率和橫向氣膜覆蓋，減小氣膜冷卻的摻混損失，適用于燃?xì)鉁u輪葉片通道中需要冷卻的表面。
【背景技術(shù)】
[0002]燃?xì)廨啓C(jī)廣泛應(yīng)用于航空、軍事、交通、電力等領(lǐng)域，為了提高整機(jī)效率，燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪進(jìn)口溫度越來越高，現(xiàn)已遠(yuǎn)超渦輪葉片合金材料的耐溫極限。離散孔氣膜冷卻是當(dāng)前普遍采用的高效冷卻技術(shù)，廣泛應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片以及緣板冷卻。其基本原理是從壓氣機(jī)引入冷卻空氣至渦輪葉片，冷卻空氣通過密布于葉片上的離散氣膜孔流出并覆蓋于葉片表面，從而達(dá)到隔絕熱主流與金屬葉片表面的目的，降低葉片表面溫度，從而保證葉片的運(yùn)行可靠性。
[0003]離散孔氣膜冷卻最常用的冷卻孔是圓柱孔，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)鉁u輪葉片上應(yīng)用廣泛。但隨著渦輪進(jìn)口溫度的逐步提高，圓柱孔氣膜冷卻效率偏低、氣膜覆蓋面積小、不適于高吹風(fēng)比、摻混損失較大等缺點(diǎn)越來越明顯，除葉片前緣區(qū)外，目前先進(jìn)燃?xì)鉁u輪葉片上(吸力面、壓力面、端壁)已很少采用圓柱孔氣膜冷卻。
[0004]近年來，為了改善圓柱孔的缺陷，國內(nèi)外研宄者陸續(xù)提出了多種新穎的氣膜冷卻孔，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。上述冷卻孔均比圓柱孔大幅提高了氣膜冷卻效率，其中擴(kuò)張孔是最成功的冷卻孔，已應(yīng)用于多種實(shí)際的燃?xì)鉁u輪葉片?？傮w上看，目前所提出的各種改進(jìn)型氣膜冷卻孔幾乎均以圓柱孔為基礎(chǔ)，即冷卻孔的冷氣進(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，目前絕大部分冷卻孔均可認(rèn)為是基于圓柱孔的改進(jìn)。
[0005]實(shí)際上，氣膜冷卻還有一種典型結(jié)構(gòu)，即二維連續(xù)槽結(jié)構(gòu)，是氣膜冷卻概念最早提出時(shí)使用的原始結(jié)構(gòu)，后來為了便于實(shí)際應(yīng)用且不影響葉片強(qiáng)度，連續(xù)槽結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展為離散化的孔，由于結(jié)構(gòu)簡單并且易于加工，圓柱型孔成為普遍使用的冷卻孔，這也是當(dāng)前絕大多數(shù)改進(jìn)型高效氣膜冷卻孔的進(jìn)氣側(cè)仍采用圓柱孔的原因。然而，從冷卻效果來看，連續(xù)槽結(jié)構(gòu)的氣膜冷卻效果要明顯優(yōu)于離散化的以圓柱孔為基礎(chǔ)的各種冷卻孔，只是由于連續(xù)槽在制造、結(jié)構(gòu)、布置等方面的一些問題，限制了其在渦輪冷卻葉片上的使用，但槽型結(jié)構(gòu)這一基本結(jié)構(gòu)可以用來發(fā)展更加高效的冷卻孔。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006](一 )要解決的技術(shù)問題
[0007]有鑒于此，本發(fā)明公開一種離散氣膜冷卻孔，用以提高離散孔氣膜冷卻的冷卻效果，增大氣膜覆蓋面積，并減少氣膜冷卻的摻混損失。
[0008]( 二 )技術(shù)方案
[0009]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種離散氣膜冷卻孔，用于燃?xì)鉁u輪葉片葉身或葉片上下緣板的氣膜冷卻，該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)，平直段橫截面整體呈矩形，且長寬比大于2，平直段的長度與該冷卻孔總長度之比Lt/L在1/3至2/3之間。
[0010]上述方案中，所述平直段橫截面矩形的長寬比是在2至6之間。
[0011]上述方案中，所述平直段橫截面矩形的四角有或無導(dǎo)圓，導(dǎo)圓的半徑是在O至0.5倍平直段寬度Wl之間。
[0012]上述方案中，所述擴(kuò)張段兩側(cè)具有橫向擴(kuò)張角，冷氣出口側(cè)具有前擴(kuò)張角，橫向擴(kuò)張角在10-30度之間，前擴(kuò)張角在0-10度之間。
[0013]上述方案中，以直徑為D的普通圓柱孔為基準(zhǔn)，該冷卻孔平直段的矩形橫截面積與該普通圓柱孔的圓形橫截面積相當(dāng)，平直段寬度Wl為該普通圓柱孔直徑D的0.4-0.7倍。
[0014]上述方案中，該冷卻孔適用的噴射角α范圍在30-70度之間。
[0015]上述方案中，在使用時(shí)，多個(gè)所述離散氣膜冷卻孔之間的橫向孔間距為S，S與基準(zhǔn)普通圓柱孔徑D的比值S/D不小于5。
[0016](三)有益效果
[0017]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0018]1、本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔，是將二維連續(xù)槽離散化，將二維連續(xù)槽分成多個(gè)離散的矩形段，作為冷氣進(jìn)氣口，單個(gè)冷卻孔沿冷氣流向的前半段為平直的，利于冷氣進(jìn)入孔后保持流動(dòng)方向，單個(gè)冷卻孔沿冷氣流向的后半段為擴(kuò)張型，目的是擴(kuò)大出口冷氣的橫向?qū)挾龋瑫r(shí)減小冷氣出口動(dòng)量，有利于氣膜貼附。
[0019]2、本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔，有別于目前已知的氣膜冷卻孔，具有的優(yōu)點(diǎn)如下:一是氣膜橫向覆蓋寬，橫向平均氣膜冷卻效率高；二是適用于高吹風(fēng)比條件，出口面積大，冷氣出口動(dòng)量低，冷氣不易吹離壁面；三是出口下游渦系弱，氣動(dòng)摻混損失很??；四是工藝性好，以現(xiàn)有加工技術(shù)，易于在實(shí)際渦輪葉片上實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】
[0020]圖1a為現(xiàn)有的普通圓柱孔幾何結(jié)構(gòu)；
[0021]圖1b為現(xiàn)有的扇型擴(kuò)張孔幾何結(jié)構(gòu)；
[0022]圖1c為現(xiàn)有的簸箕形孔幾何結(jié)構(gòu)；
[0023]圖2a為現(xiàn)有的扇形擴(kuò)張孔三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2b為本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖3a為本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔的視圖方向A定義示意圖；
[0026]圖3b為本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔的A向視圖；
[0027]圖3c為本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔的B向視圖；
[0028]圖3d為本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔的C向視圖；
[0029]圖4為本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔的平直段橫截面典型形狀示意圖；
[0030]圖5為本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔的冷氣流動(dòng)示意圖；
[0031]圖6為本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔與現(xiàn)有幾種典型冷卻孔的橫向平均冷卻效果對比示意圖；
[0032]圖7為本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔的加工工藝示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]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)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0034]圖1a展示了現(xiàn)有的普通圓柱孔幾何結(jié)構(gòu)，普通圓柱孔長度、直徑、噴射角分別用L、D、a表示。圖lb、圖1c分別展示了現(xiàn)有的扇形擴(kuò)張孔以及簸箕形擴(kuò)張孔的幾何結(jié)構(gòu)，可以看出，現(xiàn)有應(yīng)用最廣泛的冷卻孔都是出口擴(kuò)張的，即冷卻孔的前半段為圓柱孔，冷卻孔的后半段轉(zhuǎn)為擴(kuò)張型，孔前半段長度用Lt表示，孔的總長度用L表示，橫向擴(kuò)張角用β表示，前擴(kuò)張角用γ表示。顯然，所展示的兩種現(xiàn)有的典型擴(kuò)張型孔基本是在普通圓柱孔的基礎(chǔ)上優(yōu)化改進(jìn)了后半段的出口擴(kuò)張結(jié)構(gòu)，以獲得更好的氣膜冷卻效果。
[0035]圖2a展示了現(xiàn)有的扇形擴(kuò)張孔的三維結(jié)構(gòu)示意圖，作為對比，圖2b展示了本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔的三維結(jié)構(gòu)示意圖。對比可見，本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔拋棄了傳統(tǒng)的圓柱孔這一基本結(jié)構(gòu)，而以橫截面為矩形的槽結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，同時(shí)借鑒了出口擴(kuò)張這一普遍采用的離散孔出口結(jié)構(gòu)方式，因此本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔與現(xiàn)有冷卻孔的本質(zhì)區(qū)別是冷卻孔的橫截面由圓形轉(zhuǎn)為矩形，且矩形的長寬比很大，每個(gè)離散孔的矩形橫截面接近于二維連續(xù)槽結(jié)構(gòu)(即多個(gè)冷卻孔橫截面為矩形的冷氣進(jìn)口整體上接近于構(gòu)成離散化的二維連續(xù)槽)。在保持矩形截面積與傳統(tǒng)圓柱類冷卻孔的圓形截面積相當(dāng)?shù)臈l件下，本發(fā)明提供的離散氣膜冷卻孔相對于基于圓柱孔的擴(kuò)張孔而言，優(yōu)勢在于:首先，冷卻孔的橫向尺寸擴(kuò)大，配合橫向擴(kuò)張角β，冷卻孔出口的橫向?qū)挾雀?，氣膜的橫向覆蓋面積更廣；其次，配合出口的前向擴(kuò)張角γ，冷卻孔出口面積進(jìn)一步擴(kuò)張，冷氣出口動(dòng)量顯著降低，尤其高吹風(fēng)比下氣膜脫離的趨勢顯著減??；最后，由于冷卻孔出口的橫向?qū)挾蕊@著增加，冷氣出口流動(dòng)更接近二維槽結(jié)構(gòu)，冷氣流動(dòng)更均勻，冷氣與主流之間的摻混作用減弱，氣動(dòng)損失減小。
[0036]參照圖2b，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)，平直段橫截面整體呈長寬比大于2的矩形，平直段的長度與該冷卻孔總長度之比Lt/L在1/3至2/3之間。優(yōu)選地，平直段橫截面矩形的長寬