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(lǐng)域：
本實用新型涉及一種冷卻孔結(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(jī)性能的不斷提高，特別是軍用航空發(fā)動機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展， 渦輪前溫度不斷升高，美國最先進(jìn)的軍用航空發(fā)動機(jī)的渦輪前溫度已經(jīng)達(dá)到了 2000K左右。與之相比，我國目前最先進(jìn)的“太行”航空發(fā)動機(jī)，其渦輪前溫度尚未達(dá)到1800K。我國航空發(fā)動機(jī)的研制水平與美歐發(fā)達(dá)國家相比仍處于落后的位置。研制先進(jìn)的渦輪冷卻結(jié)構(gòu)是提升航空發(fā)動機(jī)技術(shù)的一個重要課題。目前，航空發(fā)動機(jī)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(kuò)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(fēng)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(hù)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(jìn)，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，本實用新型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(hù)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。本實用新型為解決其技術(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(hù)表面和雙射流孔排，通過在所述被保護(hù)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(hù)表面進(jìn)行冷卻，其特征在于，所述雙射流孔排設(shè)置在所述被保護(hù)表面上，所述雙射流孔排由相鄰的兩個射流孔沿一設(shè)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(fù)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(fù)合角方向上有2° 4°的擴(kuò)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(fù)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(hù)表面上設(shè)置的雙射流孔排有多排，從而可以在整個被保護(hù)表面上形成冷卻氣膜，以達(dá)到充分冷卻被保護(hù)表面的目的。優(yōu)先的，所述被保護(hù)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(hù)表面之間呈25° 35°的夾角。優(yōu)先的，所述射流孔的復(fù)合角為20° 40°。由以上技術(shù)方案可知，本實用新型的雙射流孔冷卻結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點1，本實用新型的擴(kuò)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(hù)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(fù)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，本實用新型的雙射流孔冷卻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，可以在較高吹風(fēng)比下實現(xiàn)冷氣的較好覆蓋，用更少的冷氣達(dá)到更理想的冷卻效果。

[0016]圖1是本實用新型的射流孔對的立體結(jié)構(gòu)圖。[0017]圖2是本實用新型的單個射流孔的剖視圖。[0018]圖3是本實用新型的射流孔的角度定義圖。[0019]圖4是本實用新型在渦輪葉片上使用的立體圖。[0020]圖5是本實用新型在渦輪葉片上的剖視圖，及局部放大圖。[0021]圖6是本實用新型在渦輪輪轂處使用的立體圖。[0022]圖7(A/B/C)是本實用新型與圓形射流孔、扇形射流孔相比下游的溫度和速度分布圖。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、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，對本實用新型進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1示出了本實用新型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(fù)合角相反。流經(jīng)射流孔1的冷卻氣體由進(jìn)口①進(jìn)入，由出口②噴出，流經(jīng)射流孔2的的冷卻氣體由進(jìn)口③進(jìn)入，由出口④噴出。圖2示出了本實用新型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(hù)表面)的夾角，Y是射流孔的擴(kuò)張角，本實用新型α的角度變化范圍是 25° 35°，擴(kuò)張角γ的角度變化范圍是2° 4°。圖3示出了本實用新型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(fù)合角。本實用新型中，單個射流孔的復(fù)合角的變化范圍是 20° 40° 。[0027]本實用新型中，射流孔對中的兩個射流孔的復(fù)合角β大小相等，方向相反，這種相反的復(fù)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示出了本實用新型的雙射流孔冷卻結(jié)構(gòu)在渦輪葉片上使用的情形。渦輪葉片1為被保護(hù)表面，雙射流孔排3、4、5分別是設(shè)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(shè)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(jìn)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(jìn)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示出了本實用新型的雙射流孔冷卻結(jié)構(gòu)在渦輪輪轂處使用的情形。雙射流孔排4設(shè)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7Α、圖7Β、圖7C分別給出了圓形射流孔、扇形射流孔和本實用新型的雙射流孔冷卻結(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(biāo)注的數(shù)字是溫度值，單位為K，其中主流來流溫度為 1600Κ，冷氣溫度為700Κ。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，這說明本實用新型的冷卻效果要優(yōu)于其他兩種冷卻孔。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型保護(hù)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(hù)表面和雙射流孔排，通過在所述被保護(hù)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(hù)表面進(jìn)行冷卻，其特征在于，所述雙射流孔排設(shè)置在所述被保護(hù)表面上，所述雙射流孔排由相鄰的兩個射流孔沿一設(shè)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(fù)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(fù)合角方向上有2° 4°的擴(kuò)張角度；所述復(fù)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(hù)表面上設(shè)置的雙射流孔排有多排。
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(hù)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至4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(hù)表面之間呈25° 35°的夾角。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4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(fù)合角為20° 40°。
專利摘要一種氣冷渦輪的雙射流孔冷卻結(jié)構(gòu)，包括被保護(hù)表面和雙射流孔排，通過在所述被保護(hù)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(hù)表面進(jìn)行冷卻，所述雙射流孔排設(shè)置在所述被保護(hù)表面上，所述雙射流孔排由相鄰的兩個射流孔沿一設(shè)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(fù)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(fù)合角方向上有2°～4°的擴(kuò)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(fù)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F01D5/30GK202023596SQ20112001526
公開日2011年11月2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(xué)院工程熱物理研究所