一种带螺旋结构的气膜冷却结构制造技术

本发明专利技术公开一种带螺旋结构的气膜冷却结构，包括开设在涡轮叶片前缘的冷气腔，螺旋结构冷气腔侧壁开设有若干射流孔，螺旋结构冷气腔通过螺旋结构射流孔与螺旋结构涡轮叶片外表面连接，螺旋结构射流孔内侧壁开设有螺旋结构。本发明专利技术对传统的圆柱型气膜孔进行了优化，通过改变气膜孔的通道形状，使气膜孔出口冷却剂产生组合涡对，诱导产生旋流，使冷却剂更好的粘附到壁面，有利于壁面热保护。同时解决了异形孔因其复杂构造而难以加工的问题，打破了圆柱型气膜冷却固有的肾型涡结构，极大地提高了气膜冷却效果，具有良好的工程应用前景。具有良好的工程应用前景。具有良好的工程应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种带螺旋结构的气膜冷却结构


[0001]本专利技术属于涡轮叶片冷却
，特别是涉及一种带螺旋结构的气膜冷却结构。

技术介绍

[0002]为了提高燃气轮机的热效率和输出功率，涡轮进口温度不断提高，涡轮部件的高温材料已不能满足上述工况。因此，发展高效的冷却技术成为关键。气膜冷却是涡轮高温部件常用的一种冷却技术，其优点是具有保温和吸热的双重功能，可实现最大温降。气膜冷却作为一个热门的研究课题取得了很大的进展。圆柱孔是最早也是应用最广泛的一种气膜孔构型，其具备了一定的冷却效果。但在圆柱孔射流下游，冷却剂容易形成肾型涡对，这种尺寸较大的涡结构限制了冷却气膜的横向覆盖能力，并将主流夹带到壁面，严重影响了气膜孔的冷却能力。
[0003]改变气膜孔的孔型是削弱肾型涡的手段之一，近些年来，气膜孔由圆柱型孔逐步发展为扇形孔、锥形孔、盖槽孔、椭圆孔、新月型孔和心形孔等。上述研究的方向是消除肾型涡的不利影响，在传热和空气动力学方面有其独特的优势。但这些气膜孔的几何形状都面临着一个共同的难点，即加工工艺。
[0004]因此，需要设计一种带螺旋结构的气膜冷却结构，以解决传统圆柱型气膜孔冷却效果欠佳和异型气膜孔加工难度大的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种带螺旋结构的气膜冷却结构，以解决上述问题，达到提高气膜孔冷却效果、降低气膜孔加工难度的目的。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种带螺旋结构的气膜冷却结构，包括开设在涡轮叶片前缘的冷气腔，所述冷气腔侧壁开设有若干射流孔，所述冷气腔通过所述射流孔与所述涡轮叶片外表面连接，所述射流孔内侧壁开设有螺旋结构。
[0007]优选的，所述冷气腔的形状与所述涡轮叶片外表面形状相适配，所述冷气腔侧壁与所述涡轮叶片外表面之间的距离A为3mm—7mm。
[0008]优选的，所述射流孔轴线与所述涡轮叶片外表面之间的夹角θ为30
°‑
40
°
。
[0009]优选的，所述射流孔螺旋结构的牙型为三角形。
[0010]优选的，所述射流孔的内径D为1mm—2mm，所述螺旋结构的齿高H为0.5D，螺距I为1.3D。
[0011]优选的，所述射流孔螺旋结构为右螺旋。
[0012]优选的，若干所述射流孔沿所述涡轮叶片展向等间隔设置。
[0013]本专利技术具有如下技术效果：
[0014]本专利技术的气膜冷却结构位于涡轮叶片前缘，通过射流孔使射出的冷却剂产生旋转，诱导产生旋流来实现对涡轮叶片的热防护。在射流孔内，流场分离区较小，存在小尺度
涡，流线呈漩涡状，射流孔出口冷却剂在垂直方向上的动量小且均匀，能更好地保护壁面。同时，出口具有较大的横向速度区域，使冷却剂产生更大的展向分布范围，对侵入冷却射流下方的高温主流有较强的抑制作用。由于旋转的影响，冷却剂出口下游在垂直方向上产生了大尺度涡和小尺度涡组成的涡对，并最终合并成一个新的涡旋，其旋转方向与肾型涡完全不同，打破了普通气膜孔固有的肾型涡结构，使冷却剂更好的贴附于涡轮叶片表面，冷却效率大幅提高，对提高气膜冷却效果具有重要意义。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]图1为本专利技术轴测图；
[0017]图2为本专利技术另一角度轴测图；
[0018]图3为本专利技术剖视图；
[0019]图4为本专利技术射流孔示意图；
[0020]图5为不同吹风比条件下圆柱孔对平板的冷却效果图；
[0021]图6为不同吹风比条件下螺旋结构孔对平板的冷却效果图；
[0022]图7为不同吹风比条件下沿流动方向的平均冷却效率对比曲线；
[0023]图8为螺旋结构孔下游的流畅结构图。
[0024]其中，1、涡轮叶片；2、冷气腔；3、射流孔。
具体实施方式
[0025]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0026]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。
[0027]参照图1
‑
3，本专利技术公开一种带螺旋结构的气膜冷却结构，包括开设在涡轮叶片1前缘的冷气腔2，冷气腔2侧壁开设有若干射流孔3，冷气腔2通过射流孔3与涡轮叶片1外表面连接，射流孔3内侧壁开设有螺旋结构。
[0028]冷气腔2可以位于涡轮叶片1前缘或涡轮端壁内部，螺旋结构可以通过增材制造或直接在涡轮叶片1上攻丝获得。
[0029]进一步优化方案，冷气腔2的形状与涡轮叶片1外表面形状相适配，冷气腔2侧壁与涡轮叶片1外表面之间的距离A为3mm—7mm。
[0030]进一步优化方案，射流孔3轴线与涡轮叶片1外表面之间的夹角θ为30
°‑
40
°
。
[0031]夹角方向为沿来流方向。
[0032]进一步优化方案，射流孔3螺旋结构的牙型为三角形。
[0033]进一步优化方案，射流孔3的内径D为1mm—2mm，螺旋结构的齿高H为0.5D，螺距I为1.3D。
[0034]进一步的，射流孔3的长度为L，L＝A/sinθ。
[0035]螺旋结构的循环数根据射流孔3的具体长度确定。
[0036]进一步优化方案，射流孔3螺旋结构为右螺旋。
[0037]在螺旋结构的作用下，由于出口动量和孔形状的改变，降低了Coanda效应，从而提高了冷却性能。
[0038]进一步优化方案，若干射流孔3沿涡轮叶片1展向等间隔设置。形成冷却气膜孔阵列。
[0039]选取的冷气腔2侧壁与涡轮叶片1外表面之间的距离值、射流孔3的内径值为具有最佳冷却效果的螺旋通道孔构型。在相同条件下，这种参数下的螺旋通道气膜孔产生的垂直涡对的强度最大，结构最稳定。垂直涡对结构由顶部的大尺度涡和底部的小尺度涡组成。此参数下的大涡对下方较小涡的抑制作用最强，使得冷却气膜获得较大的横向速度和较小的法向速度。较大的横向速度一方面决定了螺旋流道孔产生的冷却气膜具有较强的展向覆盖能力，另一方面使冷却气膜对气膜底部横向流动的高温主流有较强的抵抗作用，使高温主流不能够侵入气膜下方；而较小的法向速度则降低了冷却剂进入高温主流的能力，这就减弱了冷却剂与高温主流的掺混作用。此时，混合气流的温度相对较低，这种温度较低的气流附着在叶片表面，形成冷却气膜，最终提高了冷却性能。
[0040]具有较高径向压力梯度的旋流可以使热边界本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带螺旋结构的气膜冷却结构，其特征在于，包括开设在涡轮叶片(1)前缘的冷气腔(2)，所述冷气腔(2)侧壁开设有若干射流孔(3)，所述冷气腔(2)通过所述射流孔(3)与所述涡轮叶片(1)外表面连接，所述射流孔(3)内侧壁开设有螺旋结构。2.根据权利要求1所述的一种带螺旋结构的气膜冷却结构，其特征在于，所述冷气腔(2)的形状与所述涡轮叶片(1)外表面形状相适配，所述冷气腔(2)侧壁与所述涡轮叶片(1)外表面之间的距离A为3mm—7mm。3.根据权利要求1所述的一种带螺旋结构的气膜冷却结构，其特征在于，所述射流孔(3)轴线与所述涡轮叶片(1)外表面之间的夹角θ为3...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾宇豪，蒙泽威，陈阳，刘永葆，余又红，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：