本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種用于穩(wěn)定氣膜孔出口流量的臺(tái)階型收縮氣膜孔結(jié)構(gòu)。

技術(shù)背景

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的快速發(fā)展，渦輪進(jìn)口溫度不斷提高，推重比10的一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度已達(dá)到1900K～2000K，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了渦輪葉片材料的耐熱極限。氣膜冷卻是應(yīng)用在燃?xì)廨啓C(jī)葉片上的冷卻技術(shù)，即從壓氣機(jī)末級(jí)抽取高壓冷氣輸運(yùn)到葉片內(nèi)部通道，冷氣在通道內(nèi)強(qiáng)化對(duì)流換熱將一部分熱量帶走，同時(shí)一部分冷氣從葉片壁上的氣膜孔噴出，這股冷氣在主流和流體科恩達(dá)效應(yīng)的作用下向下游彎曲，粘附在壁面附近，形成溫度較低的冷氣膜，將壁面同高溫燃?xì)飧綦x，并帶走部分高溫燃?xì)饣蛎髁粱鹧鎸?duì)壁面的輻射熱量，從而起到良好的保護(hù)作用，以達(dá)到葉片不被高溫燃?xì)鉄龎牡哪康摹?/p>

目前，大部分渦輪部件的氣膜孔是處于不穩(wěn)定的壓力波動(dòng)。以渦輪葉片氣膜冷卻為例，由于處于上游的渦輪葉片壓力面和吸力面壓力的不同及葉片尾緣效應(yīng)的影響，在環(huán)形燃?xì)馔ǖ赖闹芟驎?huì)形成周期性壓力的波動(dòng)，對(duì)下游渦輪葉片前緣氣膜孔的氣膜冷卻造成較大的影響；同樣的情況也發(fā)生在渦輪機(jī)匣表面氣膜冷卻現(xiàn)象，由于葉片葉尖掠過機(jī)匣表面的影響，機(jī)匣壁面的壓力也隨時(shí)間呈現(xiàn)較大的波動(dòng)，當(dāng)葉片壓力面接近該點(diǎn)時(shí)，其感受的壓力會(huì)較高，當(dāng)吸力面接近該點(diǎn)時(shí)，其感受的壓力會(huì)較低。劇烈的主流壓力波動(dòng)導(dǎo)致了氣膜孔出口質(zhì)量流量也呈現(xiàn)了較大的波動(dòng)，甚至出現(xiàn)了倒流與順流交替出現(xiàn)的流動(dòng)方式，不利于氣膜的有效覆蓋。因此，基于穩(wěn)態(tài)邊界條件下獲得的孔型并不具備校正壓力波動(dòng)的特性，迫切需要一種孔型結(jié)構(gòu)能夠減弱主流壓力波動(dòng)效應(yīng)，穩(wěn)定氣膜孔出口質(zhì)量流量。

Exploitation of Acoustic Effects in Film Cooling([J].Journal of Engineering for Gas Turbines&Power,2014,137(10):V05BT13A045.)的研究表明，對(duì)于受到主流壓力波動(dòng)影響的氣膜孔而言，臺(tái)階型收縮氣膜孔結(jié)構(gòu)能穩(wěn)定氣膜孔出口質(zhì)量流量，防止倒流現(xiàn)象，并能使得氣膜覆蓋更加穩(wěn)定，提高氣膜冷卻效率的作用。臺(tái)階型收縮氣膜孔的應(yīng)用，為燃?xì)廨啓C(jī)渦輪高溫部件在復(fù)雜環(huán)境下工作提供更高的可靠性和使用壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了避免主流壓力波動(dòng)的影響，穩(wěn)定氣膜孔出口質(zhì)量流量，提高氣膜冷卻效率，本發(fā)明提出一種臺(tái)階型收縮氣膜孔結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:對(duì)單孔徑圓柱形氣膜孔出口應(yīng)用臺(tái)階型收縮過渡的形式，連接一個(gè)較細(xì)的直圓孔，組合成臺(tái)階型收縮氣膜孔結(jié)構(gòu)，其特征在于包括細(xì)圓柱孔、粗圓柱孔，所述細(xì)圓柱孔具有流向傾角α,傾角α取值范圍為0～90°，不具有展向傾角，細(xì)圓柱孔直徑為D₁，直徑D₁取值范圍為0.1～1mm，細(xì)圓柱孔長(zhǎng)度為L(zhǎng)₁，L₁/D₁＝0～10；所述粗圓柱孔具有流向傾角α,傾角α取值范圍為0～90°，不具有展向傾角，粗圓柱孔直徑為D₂，直徑D₂取值范圍為0.1～1mm，粗圓柱孔長(zhǎng)度為L(zhǎng)₂，L₂/D₂＝0～10。

所述細(xì)圓柱孔流向傾角與所述粗圓柱孔流向傾角相同。

組合成臺(tái)階型收縮氣膜孔的細(xì)圓柱孔直徑小于粗圓柱孔直徑。

有益效果

本發(fā)明提出的臺(tái)階型收縮氣膜孔結(jié)構(gòu)，對(duì)單孔徑圓柱形氣膜孔出口應(yīng)用臺(tái)階型收縮過渡的形式，連接一個(gè)較細(xì)的直圓孔，組合成臺(tái)階型收縮氣膜孔結(jié)構(gòu)。臺(tái)階型收縮氣膜孔能增強(qiáng)對(duì)聲波效應(yīng)的反饋?zhàn)饔?，?duì)主流壓力波動(dòng)攜帶的聲波效應(yīng)進(jìn)行有效校正，以達(dá)到校正氣膜孔出口質(zhì)量流量，防止倒流的目的。相比較于普通單孔徑圓柱孔來說，臺(tái)階型收縮氣膜孔的優(yōu)勢(shì)在于:能在主流壓縮波未完全影響到孔內(nèi)流動(dòng)之前，膨脹波即削弱壓縮波對(duì)二次流的影響，對(duì)主流波動(dòng)影響進(jìn)行校正，并且與膨脹波疊加對(duì)壓縮波產(chǎn)生更強(qiáng)的反饋效果，更好地削弱主流壓力波動(dòng)對(duì)二次流的不良影響。

本發(fā)明臺(tái)階型收縮氣膜孔結(jié)構(gòu)具有加工簡(jiǎn)單便捷，成本較低的特點(diǎn)。由于燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件存在壓力波動(dòng)的地方較多，有效地利用臺(tái)階型收縮氣膜孔結(jié)構(gòu)的適用性，提高氣膜冷卻效率，提高渦輪葉片、機(jī)匣工作可靠性及壽命。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明一種臺(tái)階型收縮氣膜孔結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

圖1為本發(fā)明臺(tái)階型收縮氣膜孔結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明臺(tái)階型收縮氣膜孔結(jié)構(gòu)設(shè)置在葉片表面位置示意圖。

圖3為機(jī)匣表面臺(tái)階型收縮氣膜孔位置示意圖。

圖4為本發(fā)明臺(tái)階型收縮氣膜孔結(jié)構(gòu)軸側(cè)圖。

圖5為本發(fā)明臺(tái)階型收縮氣膜孔結(jié)構(gòu)主視圖。

圖中:

1.細(xì)圓柱孔 2.粗圓柱孔 3.葉片前緣氣膜孔 4.機(jī)匣表面氣膜孔

a.細(xì)圓柱孔入口壓縮波 a₁.臺(tái)階型連接處壓縮波 a₂.粗圓柱孔入口壓縮波

b.臺(tái)階型連接處膨脹波 b₂.粗圓柱孔入口處膨脹波

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例是一種臺(tái)階型收縮氣膜孔結(jié)構(gòu)。

參閱圖1～圖5，本實(shí)施例是用于穩(wěn)定氣膜孔出口流量的臺(tái)階型收縮氣膜孔結(jié)構(gòu)。對(duì)單孔徑圓柱形氣膜孔出口應(yīng)用臺(tái)階型收縮過渡的形式，連接一個(gè)較細(xì)的直圓柱形孔，組合成臺(tái)階型收縮氣膜孔結(jié)構(gòu)。臺(tái)階型收縮氣膜孔能增強(qiáng)對(duì)聲波效應(yīng)的反饋?zhàn)饔?，?duì)主流壓力波動(dòng)攜帶的聲波效應(yīng)進(jìn)行有效校正，以達(dá)到校正氣膜孔出口質(zhì)量流量，防止倒流的目的。其中，主流d沿著壁面向氣膜孔出口流動(dòng)，主流d的壓力呈現(xiàn)劇烈的波動(dòng)，壓力波動(dòng)攜帶著強(qiáng)烈的聲波效應(yīng)，當(dāng)主流d到達(dá)氣膜孔出口時(shí)，壓力波動(dòng)向四周擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)圓柱孔1內(nèi)，轉(zhuǎn)化為細(xì)圓柱孔入口壓縮波a向細(xì)圓柱孔1內(nèi)傳播，細(xì)圓柱孔入口壓縮波a對(duì)二次流形成較強(qiáng)的反壓所用，極容易導(dǎo)致倒流的發(fā)生，并且壓縮波也使得二次流流量出現(xiàn)了非常大的波動(dòng)，不利于氣膜的有效覆蓋。當(dāng)細(xì)圓柱孔入口壓縮波a到達(dá)細(xì)圓柱孔1與粗圓柱孔2的臺(tái)階型交接處時(shí)，一部分轉(zhuǎn)化為臺(tái)階型連接處壓縮波a₁繼續(xù)沿著粗圓柱孔2向孔內(nèi)傳播；另一部分則由于粗圓柱孔2的臺(tái)階型擴(kuò)張效果，在臺(tái)階型交接處形成了一股較強(qiáng)的臺(tái)階型連接處膨脹波b向孔外傳播，臺(tái)階型連接處膨脹波b能對(duì)細(xì)圓柱孔入口壓縮波a的波動(dòng)特性進(jìn)行反饋，削弱了細(xì)圓柱孔入口壓縮波a的不利影響，重新校正了二次流質(zhì)量流量。當(dāng)臺(tái)階型連接處壓縮波a₁到達(dá)粗圓柱孔2入口時(shí)，轉(zhuǎn)化為粗圓柱孔入口壓縮波a₂；同樣由于渦輪部件內(nèi)冷通道的擴(kuò)張作用，在連接處形成了一股粗圓柱孔入口處膨脹波b₂沿著粗圓柱孔2向氣膜孔出口傳播，并且繼續(xù)與細(xì)圓柱孔內(nèi)的臺(tái)階型連接處膨脹波b疊加，增強(qiáng)對(duì)主流波動(dòng)特性的削弱能力，更好地保證氣膜孔出流的穩(wěn)定性。

一方面，氣膜孔結(jié)構(gòu)可應(yīng)用在渦輪葉片前緣附近的位置。由于處于上游的渦輪葉片壓力面和吸力面壓力的不同及葉片尾緣效應(yīng)的影響，在環(huán)形燃?xì)馔ǖ赖闹芟驎?huì)形成周期性壓力的波動(dòng)，對(duì)下游渦輪葉片前緣氣膜孔的氣膜冷卻造成較大的影響。因此，在葉片前緣位置應(yīng)用臺(tái)階型收縮氣膜孔結(jié)構(gòu)，細(xì)圓柱孔1和粗圓柱孔2不具有展向傾角,即展向指沿著Y軸方向，由于葉片壁面固有結(jié)構(gòu)的限制，將細(xì)圓柱孔1直徑為D₁，D₁＝0.1～1mm；細(xì)圓柱孔長(zhǎng)度為L(zhǎng)₁，L₁/D₁＝0～10；粗圓柱孔2直徑為D₂，D₂＝0.1～1mm；粗圓柱孔長(zhǎng)度為L(zhǎng)₂，L₂/D₂＝0～10；將傾角α設(shè)定在0～90°范圍內(nèi)以增加氣膜對(duì)葉片表面的貼敷性。在此基礎(chǔ)上，將細(xì)圓柱孔1的直徑D₁設(shè)定為小于粗圓柱孔2的直徑D₂，形成收縮型臺(tái)階型氣膜孔，臺(tái)階型收縮氣膜孔結(jié)構(gòu)能增強(qiáng)對(duì)聲波效應(yīng)的反饋?zhàn)饔茫瑫r(shí)對(duì)主流壓力波動(dòng)攜帶的聲波效應(yīng)進(jìn)行有效校正，以達(dá)到校正氣膜孔出口質(zhì)量流量，防止倒流的目的。有效地利用提高氣膜冷卻效率，提高渦輪葉片工作可靠性及壽命。

另一方面，氣膜孔結(jié)構(gòu)可應(yīng)用在渦輪機(jī)匣壁面。由于葉片葉尖掠過機(jī)匣表面的影響，機(jī)匣壁面的壓力也隨時(shí)間呈現(xiàn)較大的波動(dòng)，當(dāng)葉片壓力面接近該點(diǎn)時(shí)，其感受的壓力會(huì)較高，當(dāng)吸力面接近該點(diǎn)時(shí)，其感受的壓力會(huì)較低，劇烈的壓力波動(dòng)對(duì)機(jī)匣氣膜冷卻造成較大的影響。因此，在渦輪機(jī)匣壁面應(yīng)用臺(tái)階型收縮氣膜孔結(jié)構(gòu)，細(xì)圓柱孔1和粗圓柱孔2不具有展向傾角,即展向指沿著Y軸方向，由于機(jī)匣壁面固有結(jié)構(gòu)的限制，將細(xì)圓柱孔1直徑為D₁，D₁＝0.1～1mm；細(xì)圓柱孔長(zhǎng)度為L(zhǎng)₁，L₁/D₁＝0～10；粗圓柱孔2直徑為D₂，D₂＝0.1～1mm；粗圓柱孔長(zhǎng)度為L(zhǎng)₂，L₂/D₂＝0～10；將傾角α設(shè)定在0～90°范圍內(nèi)以增加氣膜對(duì)葉片表面的貼敷性。在此基礎(chǔ)上，將細(xì)圓柱孔1的直徑D₁設(shè)定成小于粗圓柱孔2的直徑D₂，形成收縮型臺(tái)階型氣膜孔，臺(tái)階型收縮氣膜孔結(jié)構(gòu)能增強(qiáng)對(duì)聲波效應(yīng)的反饋?zhàn)饔?，同時(shí)對(duì)主流壓力波動(dòng)攜帶的聲波效應(yīng)進(jìn)行有效校正，以達(dá)到校正氣膜孔出口質(zhì)量流量，防止倒流的目的。有效地利用提高氣膜冷卻效率，提高渦輪機(jī)匣工作可靠性及壽命。

實(shí)施例1

本實(shí)施例用于穩(wěn)定氣膜孔出口流量的臺(tái)階型收縮氣膜孔結(jié)構(gòu)，包括細(xì)圓柱孔1，粗圓柱孔2。對(duì)單孔徑圓柱形氣膜孔出口應(yīng)用臺(tái)階型收縮過渡的形式，連接一個(gè)細(xì)圓柱孔，組合成臺(tái)階型收縮氣膜孔結(jié)構(gòu)。臺(tái)階型收縮氣膜孔能增強(qiáng)對(duì)聲波效應(yīng)的反饋?zhàn)饔?，以達(dá)到校正氣膜孔出口質(zhì)量流量，防止倒流的目的。其中，細(xì)圓柱孔1具有X向流向傾角α，流向傾角α＝30°，不具有Y軸方向展向傾角，細(xì)圓柱孔1直徑為D₁＝0.3mm，細(xì)圓柱孔長(zhǎng)度為L(zhǎng)₁＝1mm；粗圓柱孔2具有X向流向傾角α，流向傾角α＝30°，不具有展向傾角，粗圓柱孔2流向傾角α與細(xì)圓柱孔1流向傾角一致；粗圓柱孔2直徑為D₂＝0.5mm，粗圓柱孔2長(zhǎng)度為L(zhǎng)₂＝2mm。

對(duì)本實(shí)施例結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并將其分別于D＝0.3mm、D＝0.5mm的直圓孔形氣膜孔出口質(zhì)量流量作以比較，以顯現(xiàn)出臺(tái)階型收縮氣膜孔的優(yōu)勢(shì):當(dāng)主流壓力較高時(shí)，D＝0.3mm、D＝0.5mm的直圓孔均出現(xiàn)了比較明顯的倒流現(xiàn)象；但是，臺(tái)階型收縮氣膜孔出口質(zhì)量流量卻并沒有出現(xiàn)倒流現(xiàn)象，并且，氣膜孔質(zhì)量流量更加穩(wěn)定，也必然導(dǎo)致出口氣膜覆蓋較穩(wěn)定，對(duì)提高壁面氣膜冷卻效率非常有益。

實(shí)施例2

本實(shí)施例用于穩(wěn)定氣膜孔出口流量的臺(tái)階型收縮氣膜孔結(jié)構(gòu)，包括細(xì)圓柱孔1，粗圓柱孔2。對(duì)單孔徑圓柱形氣膜孔出口應(yīng)用臺(tái)階型收縮過渡的形式，連接一個(gè)細(xì)圓柱孔，組合成臺(tái)階型收縮氣膜孔結(jié)構(gòu)。臺(tái)階型收縮氣膜孔能增強(qiáng)對(duì)聲波效應(yīng)的反饋?zhàn)饔茫赃_(dá)到校正氣膜孔出口質(zhì)量流量，防止倒流的目的。其中，細(xì)圓柱孔1具有X向流向傾角α，流向傾角α＝30°，不具有Y軸方向展向傾角，細(xì)圓柱孔1直徑為D₁＝0.3mm，細(xì)圓柱孔長(zhǎng)度為L(zhǎng)₁＝0.6mm；粗圓柱孔2具有X向流向傾角α，流向傾角α＝30°，不具有展向傾角，粗圓柱孔流向傾角α與細(xì)圓柱孔1流向傾角一致；粗圓柱孔2直徑為D₂＝0.5mm，粗圓柱孔長(zhǎng)度為L(zhǎng)₂＝2.4mm。

對(duì)本實(shí)施例結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并將其分別于D＝0.3mm、D＝0.5mm的直圓孔形氣膜孔出口質(zhì)量流量作比較，以顯現(xiàn)出臺(tái)階型收縮氣膜孔的優(yōu)勢(shì):當(dāng)主流壓力較高時(shí)，D＝0.3mm、D＝0.5mm的直圓孔均出現(xiàn)了比較明顯的倒流現(xiàn)象；但是，臺(tái)階型收縮氣膜孔出口質(zhì)量流量卻并沒有出現(xiàn)倒流現(xiàn)象，使得氣膜孔質(zhì)量流量更加穩(wěn)定，也必然導(dǎo)致出口氣膜覆蓋較穩(wěn)定，對(duì)提高壁面氣膜冷卻效率非常有益。同時(shí)，相對(duì)于實(shí)施例1來說，在L₁更短的情況下，縮短了膨脹波的反饋時(shí)間，對(duì)倒流現(xiàn)象有更好地抑制效果。