專利名稱：一種氣冷渦輪的雙射流孔冷卻結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種冷卻孔結(jié)構(gòu)，特別涉及一種氣冷渦輪中使用的上下游分布的雙射 流孔冷卻結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
目前，隨著航空發(fā)動機性能的不斷提高，特別是軍用航空發(fā)動機技術(shù)的不斷發(fā)展， 渦輪前溫度不斷升高，美國最先進的軍用航空發(fā)動機的渦輪前溫度已經(jīng)達到了 2000K左 右。與之相比，我國目前最先進的“太行”航空發(fā)動機，其渦輪前溫度尚未達到1800K。我國 航空發(fā)動機的研制水平與美歐發(fā)達國家相比仍處于落后的位置。研制先進的渦輪冷卻結(jié)構(gòu) 是提升航空發(fā)動機技術(shù)的一個重要課題。目前，航空發(fā)動機的渦輪冷卻主要采取氣冷的方式，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(jié) 構(gòu)；扇形射流孔的出口是一個帶側(cè)向擴張角的扇形結(jié)構(gòu)，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游都形成了具有兩 個旋轉(zhuǎn)方向相反的渦分支組成的腎形渦結(jié)構(gòu)，這種腎形渦結(jié)構(gòu)有兩個顯著的缺點(1)在 高吹風比情況下，腎形渦結(jié)構(gòu)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范圍。盡管扇形射流孔 在冷卻氣膜展向發(fā)展方向做了一些改進，但是腎形渦的缺陷并沒有消除，冷卻效率仍然不 尚ο

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，本發(fā)明提供一種氣冷渦輪的雙射流孔冷卻結(jié) 構(gòu)，該冷卻結(jié)構(gòu)能夠形成與腎形渦旋轉(zhuǎn)方向相反的反腎形渦結(jié)構(gòu)，這種反腎形渦結(jié)構(gòu)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(jié) 構(gòu)大大抑制了分離現(xiàn)象的發(fā)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。本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
一種氣冷渦輪的雙射流孔冷卻結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)對暴露在高溫氣體中的所述被保護表面進行冷卻，其特征在 于，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(gòu)成射流孔對，每個射流孔的入口直徑D相 同，復合角相反，一個位于主流方向的上游，另一個位于主流方向的下游，兩個射流孔之間 的軸向間距為入口直徑D的2 4倍，且每個射流孔在復合角方向上有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；所述復合角是指射 流孔中心線在入射平面內(nèi)的投影與主流方向的夾角。優(yōu)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(yōu)先的，所述被保護表面為渦輪葉片和/或渦輪葉片的輪轂。優(yōu)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(yōu)先的，所述射流孔的復合角為20° 40°。由以上技術(shù)方案可知，本發(fā)明的雙射流孔冷卻結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點
1，本發(fā)明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范圍，使總體冷卻效 果更好；
3，復合角的布置可以形成與傳統(tǒng)腎形渦旋轉(zhuǎn)方法相反的反腎形渦結(jié)構(gòu)，且大大地抑制 分離現(xiàn)象的發(fā)生，從而提高了冷卻效率；
4，本發(fā)明的雙射流孔冷卻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，可以在較高吹風比下實現(xiàn)冷氣的較好覆蓋， 用更少的冷氣達到更理想的冷卻效果。


圖1是本發(fā)明的射流孔對的立體結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明的單個射流孔的剖視圖。
圖3是本發(fā)明的射流孔的角度定義圖。
圖4是本發(fā)明在渦輪葉片上使用的立體圖。
圖5是本發(fā)明在渦輪葉片上的剖視圖，及局部放大圖。
圖6是本發(fā)明在渦輪輪轂處使用的立體圖。
圖7是本發(fā)明與圓形射流孔、扇形射流孔相比下游的溫度和速度分布圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對 本發(fā)明進一步詳細說明。圖1示出了本發(fā)明的射流孔對的立體結(jié)構(gòu)圖。射流孔對由射流孔1和射流孔2組 成，其中，射流孔1位于主流方向的上游，射流孔2位于主流方向的下游，兩個射流孔的入口 直徑D相同，復合角相反。流經(jīng)射流孔1的冷卻氣體由進口①進入，由出口②噴出，流經(jīng)射 流孔2的的冷卻氣體由進口③進入，由出口④噴出。圖2示出了本發(fā)明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，本發(fā)明α的角度變化范圍是25° 35°， 擴張角Y的角度變化范圍是2° 4°。圖3示出了本發(fā)明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(nèi)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(nèi)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(nèi)的投 影與主流方向的夾角β是復合角。本發(fā)明中，單個射流孔的復合角的變化范圍是20° 40°。本發(fā)明中，射流孔對中的兩個射流孔的復合角β大小相等，方向相反，這種相反的復合角有助于形成與傳統(tǒng)腎形渦對旋轉(zhuǎn)方向不同的反腎形渦對。圖4、圖5示出了本發(fā)明的雙射流孔冷卻結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，通過在渦輪葉片1上形成反腎形渦結(jié)構(gòu)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(nèi)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(jié)構(gòu)進入主流通 道，在主流的壓制作用下，貼附在渦輪葉片1表面上。圖6示出了本發(fā)明的雙射流孔冷卻結(jié)構(gòu)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(nèi)部通過雙射流孔冷卻結(jié)構(gòu)引入輪轂外表 面，形成冷卻氣膜覆蓋。圖7A、圖7B、圖7C分別給出了圓形射流孔、扇形射流孔和本發(fā)明的雙射流孔冷卻 結(jié)構(gòu)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(jié)果是由流體計 算軟件數(shù)值計算所得。圖中標注的數(shù)字是溫度值，單位為K，其中主流來流溫度為1600K，冷 氣溫度為700K。從圖中可以看出雙射流孔冷卻結(jié)構(gòu)在下游的冷氣覆蓋面積明顯大于其他 兩種冷卻結(jié)構(gòu)，而且渦的旋轉(zhuǎn)方向與圓形射流孔和扇形射流孔形成的腎形渦對旋轉(zhuǎn)方向相 反，這說明本發(fā)明的冷卻效果要優(yōu)于其他兩種冷卻孔。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明保護的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種氣冷渦輪的雙射流孔冷卻結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)對暴露在高溫氣體中的所述被保護表面進行冷卻，其特征在 于，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(gòu)成射流孔對，每個射流孔的入口直徑D相 同，復合角相反，一個射流孔位于主流方向的上游，另一個射流孔位于主流方向的下游，且 每個射流孔在復合角方向上有2° 4°的擴張角度；所述復合角是指射流孔中心線在入 射平面內(nèi)的投影與主流方向的夾角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣冷渦輪的雙射流孔冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于，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。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣冷渦輪的雙射流孔冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述被保護表 面為渦輪葉片和/或渦輪葉片的輪轂。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣冷渦輪的雙射流孔冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求1所述的氣冷渦輪的雙射流孔冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述射流孔對 中兩個相鄰射流孔之間的軸向間距為所述入口直徑D的2 4倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項所述的氣冷渦輪的雙射流孔冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述 射流孔中心線與所述被保護表面之間呈25° 35°的夾角。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項所述的氣冷渦輪的雙射流孔冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述 射流孔的復合角為20° 40°。
全文摘要
一種氣冷渦輪的雙射流孔冷卻結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(gòu)成射流孔對，每個射流孔的入口直徑D相同，復合角相反，一個位于主流方向的上游，另一個位于主流方向的下游，兩個射流孔之間的軸向間距為入口直徑D的2～4倍，且每個射流孔在復合角方向上有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；所述復合角是指射流孔中心線在入射平面內(nèi)的投影與主流方向的夾角。
文檔編號F01D5/18GK102116178SQ201110020609
公開日2011年7月6日 申請日期2011年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月18日
發(fā)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