提高開槽孔下游氣膜冷卻效率的蓋式結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及燃?xì)廨啓C內(nèi)部葉片冷卻技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高開槽孔下游氣膜冷卻效率的蓋式結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]燃?xì)廨啓C作為一種重要的動力裝置，被廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、車輛、發(fā)電等多種領(lǐng)域。燃?xì)廨啓C的發(fā)展標(biāo)志著一個國家的科技水平、軍事實力和綜合實力。燃?xì)廨啓C的熱效率與輸出功率主要受燃?xì)鉁囟鹊挠绊?，現(xiàn)階段主要從不斷研制耐高溫的材料和采用冷卻技術(shù)兩方面提高燃?xì)廨啓C的入口初始溫度。但是由于受到耐高溫材料發(fā)展的限制，因此必須采用有效的冷卻手段來防止燃?xì)廨啓C的熱端部件受損。氣膜冷卻在現(xiàn)階段是有效的冷卻方法之一，被廣泛應(yīng)用于燃?xì)廨啓C領(lǐng)域。
[0003]采用在下游壁面布置凸起的開槽孔冷卻技術(shù)，被用于燃?xì)廨啓C內(nèi)透平葉片的保護。橫向開槽能有效減小冷卻氣對主流的穿透力，有效提高氣膜冷卻的效率，降低壁面與燃?xì)獾膿Q熱系數(shù)，減小表面熱流比，采用合理的結(jié)構(gòu)能有效提高氣膜孔下游壁面橫向和縱向的氣膜冷卻效率?，F(xiàn)階段主要在兩個方面來提高透平葉片氣膜冷卻效率:一是在開設(shè)氣膜孔的基礎(chǔ)上采用橫向開槽結(jié)構(gòu)來達(dá)到提高冷卻效果的目的；二是在氣膜孔下游壁面布置某種凸起結(jié)構(gòu)，通過不同結(jié)構(gòu)的凸起來增加下游壁面冷卻氣膜橫向覆蓋面積和冷卻效果。如專利號為200710017790.4的中國專利提出了一種開槽氣膜冷卻孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)吹風(fēng)比大于1.0的工況時，氣膜冷卻效果明顯降低，對氣膜孔下游壁面的橫向保護有限。中國專利(專利號為201010106756.6)提出了一種提高離散孔氣膜冷卻效率的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)沒有考慮到橫向開槽氣膜冷卻對壁面冷卻的疊加作用，下游凸起不但和壁面是一體的，同時離氣膜孔較近，阻礙了冷卻氣向下游壁面的流動，凸起抬高冷卻氣，使凸起附近一定范圍內(nèi)的壁面暴露在高溫燃?xì)庵?，降低了冷卻氣膜對壁面的保護作用。申請人在先申請專利(201520094208.4)提出一種提高開槽氣膜孔下游壁面氣膜冷卻效率的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有橫向開槽和凸起，但該專利尚存在以下不足:該專利所設(shè)凸起不能充分地收集到離壁面較遠(yuǎn)處的冷卻氣，該部分冷卻氣遇到凸起時有所抬升，降低了凸起附近壁面的冷卻效率。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]針對現(xiàn)有設(shè)計的不足，本實用新型提出一種提高開槽孔下游氣膜冷卻效率的蓋式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能充分地收集到離壁面較遠(yuǎn)處的冷卻氣，使這部分冷卻氣遇到凸起時不會發(fā)生抬升，避免了凸起附近壁面的冷卻效率的降低，可提高離散孔氣膜冷卻對下游壁面橫向冷卻效果，增大冷卻氣膜對下游壁面的覆蓋面積，有效提高燃?xì)廨啓C內(nèi)透平葉片氣膜孔下游壁面橫向冷卻效果。適用于所有帶有開槽結(jié)構(gòu)的離散孔分布形式的氣膜冷卻技術(shù)。
[0005]本實用新型所采用的技術(shù)方案是:提供一種提高開槽孔下游氣膜冷卻效率的蓋式結(jié)構(gòu)，包括氣膜孔、橫向開槽、壁面、凸起和封頂，壁面上游區(qū)域設(shè)有氣膜孔，橫向開槽開設(shè)在氣膜孔出氣口處，凸起在壁面的下游區(qū)域；凸起以過氣膜孔出氣口中心的壁面中心線為軸對稱分布；凸起迎著氣膜孔出氣口的為凸起進(jìn)氣口，相反方向為凸起出氣口，凸起迎向氣膜孔出氣口的型線為迎風(fēng)線，背對著氣膜孔出氣口的型線為背壓型線，所述背壓型線是向壁面下游方向凸出的型線；凸起進(jìn)氣口的長度與氣膜孔的孔徑的比值為2.0-5.0，凸起進(jìn)氣口的長度是凸起出氣口長度的1.5-5.0倍；凸起進(jìn)氣口到氣膜孔出氣口中心的距離是氣膜孔的孔徑的10-30倍；所述凸起的高度與氣膜孔的孔徑的比為0.25-3.0 ;其特征在于該結(jié)構(gòu)還包括封頂，封頂覆蓋在凸起上，所述封頂?shù)膬蓚?cè)分別與凸起的頂部固定連接，封頂?shù)暮穸炔淮笥?/5的氣膜孔的孔徑。
[0006]申請人的在先專利技術(shù)(專利號為201520094208.4)提出一種提高開槽氣膜孔下游壁面氣膜冷卻效率的結(jié)構(gòu)。與之相比，本實用新型在橫向開槽氣膜冷卻孔的基礎(chǔ)上在下游壁面布置了一個封頂?shù)耐蛊?，即在現(xiàn)有的凸起上部覆蓋封頂，封頂兩側(cè)與凸起的頂部固定連接。該結(jié)構(gòu)能夠?qū)ι嫌螜M向和縱向冷卻氣起到收集的作用，防止冷卻氣因遇到壁面凸起結(jié)構(gòu)而被直接抬離，提高了凸起上游及附近的壁面氣膜冷卻效果，冷卻氣經(jīng)過該凸起后會有一個擴充和收集作用，增大冷卻氣對下游壁面的覆蓋面積。本實用新型結(jié)構(gòu)不會由于凸起抬高冷卻氣而降低壁面冷卻效果，此外，由于凸起有進(jìn)氣口和出氣口且正對冷卻氣的來流方向，對冷卻氣不會造成太大的流動損失，且增強了橫向壁面氣膜冷卻效率，在吹風(fēng)比大于1.0時冷卻氣對壁面仍有良好的冷卻效果。實驗結(jié)果表明，本實用新型通過采用蓋式的凸起結(jié)構(gòu)，能使其壁面冷卻效率整體顯著提高，相對申請人之前的無蓋的凸起結(jié)構(gòu)冷卻效率平均增加了 13.1%。
[0007]本實用新型結(jié)構(gòu)還具有加工簡單、成本低廉等特點，適用于對燃?xì)馔钙饺~片及端壁的冷卻保護，更能滿足實際工程的需要。
【附圖說明】
[0008]圖1本實用新型提高開槽孔下游氣膜冷卻效率的蓋式結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0009]圖2本實用新型提高開槽孔下游氣膜冷卻效率的蓋式結(jié)構(gòu)一種實施例的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖3本實用新型提高開槽孔下游氣膜冷卻效率的蓋式結(jié)構(gòu)一種實施例的主視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖4本實用新型的凸起4提尚氣I旲冷卻效率的原理不意圖，圖4a為俯視圖，圖4b為中截面上的主視圖；
[0012]圖5吹風(fēng)比為0.25時，開槽氣膜孔下游壁面的冷卻效率分布圖，其中，圖5a是吹風(fēng)比為0.25，現(xiàn)有技術(shù)的開槽氣膜孔下游壁面的冷卻效率分布圖；圖5b是吹風(fēng)比為0.25，本實用新型的開槽氣膜孔下游壁面的冷卻效率分布圖；
[0013]圖6吹風(fēng)比為0.25時，開槽氣膜孔下游壁面中心線上現(xiàn)有技術(shù)與本實用新型的冷卻效率對比圖；
[0014]圖7吹風(fēng)比為0.25時，開槽氣膜孔下游壁面x/d = 14橫向線上現(xiàn)有技術(shù)與本實用新型的冷卻效率對比圖；
[0015]圖8本實用新型提高開槽孔下游氣膜冷卻效率的蓋式結(jié)構(gòu)中凸起4半括號型拓?fù)湎嗨平Y(jié)構(gòu)的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖9本實用新型提高開槽孔下游氣膜冷卻效率的蓋式結(jié)構(gòu)中封頂5為弧形結(jié)構(gòu)的整體示意圖；
[0017]圖中，1-氣膜孔、2-橫向開槽(或凹槽)、3_壁面、4-凸起、5-封頂、11-氣膜孔出氣口、41-凸起進(jìn)氣口、42-凸起出氣口、43-迎風(fēng)型線、44-背壓型線。
【具體實施方式】
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[0018]下面結(jié)合實施例及附圖對本實用新型結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步說明，但并不以此限制對本實用新型權(quán)利要求的保護范圍。
[0019]本實用新型提高開槽孔下游氣膜冷卻效率的蓋式結(jié)構(gòu)(簡稱結(jié)構(gòu)，參見圖1-9)包括氣膜孔1、橫向開槽2、壁面3、凸起4和封頂5，壁面3上游區(qū)域設(shè)有氣膜孔1，橫向開槽2開設(shè)在氣膜孔出氣口 11處，凸起4在壁面3的下游區(qū)域；凸起4以過氣膜孔出氣口 11中心的壁面中心線為軸對稱分布；凸起4迎著氣膜孔出氣口 11的為凸起進(jìn)氣口 41，相反方向為凸起出氣口 42，凸起4迎向氣膜孔出氣口 11的型線為迎風(fēng)型線43，背對著氣膜孔出氣口11的型線為背壓型線44，所述背壓型線是向壁面下游方向凸出的型線；凸起進(jìn)氣口 41的長度w與氣膜孔1的孔徑d的比值為2.0-5.0，凸起進(jìn)氣口 41的長度是凸起出氣口 42長度的
1.5-5.0倍；凸起進(jìn)氣口 41到氣膜孔出氣口 11中心的距離L是氣膜孔1的孔徑d的10-30倍；所述凸起4的高度Η與氣膜孔1的孔徑d的比為0.25-3.0 ;其特征在于該結(jié)構(gòu)還包括封頂5，封頂5覆蓋在凸起4上，所述封頂?shù)膬蓚?cè)分別與凸起4的頂部固定連接，所述封頂5的厚度不大于1/5的氣膜孔1的孔徑。
[0020]本實用新型的進(jìn)一步特征在于所述封頂5的最高點到壁面3的距離為凸起4的高度的1-2倍。
[0021]本實用新型的進(jìn)一步特征在于所述封頂5為平面形或曲面形。
[0022]本實用新型的進(jìn)一步特征在于所述凸起4為半括號型、棱鏡型或拓?fù)湎嗨平Y(jié)構(gòu)。
[0023]本實用新型的進(jìn)一步特征在于所述迎風(fēng)型線43為直線或向壁面下游方向凸起的弧線。
[0024]本實用新型的進(jìn)一步特征在于所述迎風(fēng)型線與背壓型線的間距b是可調(diào)整的。
[0025]本實用新型的進(jìn)一步特征在于所述橫向開槽2的槽寬c與氣膜孔1的孔徑d的比為2.0-6.0，橫向開槽2的槽深s與氣膜孔1的孔徑d的比為0.2-1.0。
[0026]本實用新型的進(jìn)一步特征在于所述氣膜孔1為圓柱孔、錐形孔、矩形孔、梯形孔、月牙孔、簸箕形孔或Console孔。
[0027]本實用新型的進(jìn)一步特征在于所述氣膜孔1相對于水平面的夾角β為15° -60°，所述壁面3的橫向長度e與氣膜孔1的孔徑d的比值e/d為3.0_10。
[0028]本實用新型中在凸起4上端設(shè)置封頂5能提高開槽孔下游壁面氣膜冷卻效率的基本原理(參見圖4)是:冷卻氣從氣膜孔出氣口 11出來經(jīng)橫向開槽2進(jìn)入主流區(qū)域z (該主流區(qū)域指高溫氣體所在區(qū)域)，在壁面的橫向即z方向，冷卻氣經(jīng)過凸起4時，部分冷卻氣a被凸起阻擋(參見圖4a)，在垂直壁面的方向上即y方向，從氣膜孔出氣口出來的冷卻氣經(jīng)封頂5后，會有部分冷卻氣c壓進(jìn)凸起4，此時，封頂5對冷卻氣起到了縱向收集積聚作用，再結(jié)合凸起4完成冷卻氣的橫向收集，在封頂5和凸起4的雙重作用下，使冷卻氣在凸起4與封頂5構(gòu)成的空間內(nèi)大量積聚，從而明顯提升上游壁面的橫向及縱向冷卻效率，封頂5的設(shè)置能效防止冷卻氣因遇到凸起阻礙時，會出現(xiàn)冷卻氣被抬高的現(xiàn)象。同時，封頂5的設(shè)置能使收集的冷卻氣都從凸起出氣口 42流出，冷卻氣經(jīng)凸起4后發(fā)生突擴，會產(chǎn)生更大的渦量，部分冷卻氣g沿壁面中心線流動，部分冷卻氣m向兩側(cè)蔓延，由于冷卻氣在凸起4與封頂5構(gòu)成的空間內(nèi)大量積聚，增大了冷卻氣在壁面上的覆蓋面積，最終使壁面整體的冷卻效率顯著提高。
[0029]本實用新型中氣膜孔1除圓柱孔還可為矩形孔、錐形孔、梯形孔、月牙孔、簸箕形孔或Console孔等，氣膜孔1在壁面橫向多排布置，壁面3與凹槽2的橫向長度e與氣膜孔1的孔徑d的比