适用于发动机热端部件冷却的带侧肋的圆柱气膜孔结构

1.本发明属于航空发动机涡轮叶片冷却技术领域，涉及一种气膜冷却孔结构，具体涉及一种适用于发动机热端部件冷却的带侧肋的圆柱气膜孔结构，有利于在待冷却壁面上快速形成反肾形涡，抑制肾形涡的形成，增强气膜的附壁能力，同时气动损失无明显增加。


背景技术：

2.先进的民用大涵道比航空发动机涡轮进口温度已经超过2000k，远高于涡轮叶片材料所能承受的最高温度(通常情况下，涡轮叶片所能承受的最高温度在1500k至1700k之间。不同材料的最高承受温度也不尽相同，例如铸造镍基合金所能承受的最高温度一般为1300k至1500k，而变形镍基合金则可达到1600k至1700k)。涡轮叶片的冷却是一项非常关键的技术，能够保证涡轮在高温和高压的环境下运行稳定和寿命长久。气膜冷却是涡轮叶片冷却中的一种常用方法，利用气膜冷却技术能够保护涡轮叶片在高温下正常工作，避免涡轮叶片因为高温发生蠕变或损伤。气膜冷却效率不仅受吹风比、密度比、主流雷诺数等流动参数的影响，还与气膜孔的几何形状参数关系密切，不同形状的气膜孔对气膜冷却效率也有影响，例如一般来说，圆形孔的气膜冷却效率比方形孔要高，这是因为圆形孔具有更好的气体喷射特性，形成的冷却气体流场更加均匀。此外，不同气膜孔的孔径大小、孔的布局方式、孔的倾角、孔的深度等几何形状等对气膜冷却效率都有一定影响。总之，气膜孔的几何形状是涡轮叶片气膜冷却中非常重要的一个设计参数，需要在设计和运行过程中综合考虑。
3.目前，在气膜孔几何形状的研究方面，研究人员对复合角气膜孔、异形孔等进行了大量研究。结果表明，与传统的圆柱形气膜孔相比，改善气膜孔形状可以有效的提升气膜冷却效果。这主要是因为：圆柱形气膜孔射流与主流掺混过程中，由于射流与主流的温度和速度差异会形成肾形涡，迫使低温冷却射流脱离壁面，高温主燃气流重新贴附壁面，导致气膜覆盖面积减少，气膜冷却效果降低。改善气膜孔形状，在一定程度上增大出口面积，降低射流出口速度，削弱肾形涡的影响，从而达到提高气膜冷却效果的目的。然而，异型孔等气膜孔结构比较复杂，加工难度大，加工成本高。同时，对涡轮叶片表面的主流气动性能有一定影响，并增加气动损失。


技术实现要素：

4.(一)发明目的
5.针对现有技术的上述缺陷和不足，本发明目的在于提出一种适用于发动机热端部件冷却的带侧肋的圆柱气膜孔结构，所述发动机热端部件可以为发动机涡轮导叶、动叶、燃烧室等，实现不同需求的高效冷却，该结构针对现有圆柱气膜孔易在待冷却壁面上形成肾形涡而抬升冷气、恶化冷却效果的技术问题，通过直接在圆柱气膜孔内部两侧设置肋结构，通过侧肋重构孔内射流流动结构，并诱导两侧的气流加速形成加速流，从而抑制肾形涡在待冷却壁面上的形成，达到增强气膜附壁的目的，具有结构简单和适用性宽的优点。
6.(二)技术方案
7.本发明为实现其发明目的、解决其技术问题，所采用的技术方案为：
8.一种适用于发动机热端部件冷却的带侧肋的圆柱气膜孔结构，所述气膜孔以阵列方式布置在发动机热端部件的待冷却壁面基体上，所述待冷却壁面基体包括相对设置的一外侧壁面和一内侧壁面，所述内侧壁面限定的空间内为高温区，所述外侧壁面外为低温区，各所述气膜孔由所述外侧壁面延伸至所述内侧壁面，用以向所述内侧壁面限定的高温区内喷射低温冷却射流，并形成覆盖所述内侧壁面的冷却气膜，其特征在于，
9.每一所述气膜孔的主体部分为一圆柱通孔，所述圆柱通孔的内壁上至少对称设有两沿孔的径向向外突出的细长条状侧肋，且两所述细长条状侧肋在其长度上的延伸方向与所述圆柱通孔的中心线方向保持一致，并且每一所述细长条状侧肋在其长度方向上的两端分别延伸至所述待冷却壁面基体的外侧壁面和内侧壁面，并在其两端与所述待冷却壁面基体的内外侧两个壁面保持平齐；
10.每一所述气膜孔及其内壁上设置的两所述细长条状侧肋均以倾斜状态设置在所述待冷却壁面基体上，且所述气膜孔的中心线与所述待冷却壁面基体的壁面切线方向之间的夹角为锐角；
11.并且其中，所述细长条状侧肋的肋高h为所述圆柱通孔直径d的1/5～1/10，所述细长条状侧肋的肋宽b与其肋高h相当。
12.本发明优选的实例中，所述圆柱通孔直径d在2～10mm之间，所述细长条状侧肋的肋高h在0.1d～0.2d之间，肋宽b在0.15d～0.3d之间。
13.本发明优选的实例中，所述气膜孔的中心线与所述待冷却壁面基体的壁面切线方向之间的夹角为20～60
°
。
14.本发明优选的实例中，阵列布置的多排气膜孔中，相邻两所述气膜孔之间的孔间距p在3～20mm之间。
15.本发明的适用于发动机热端部件冷却的带侧肋的圆柱气膜孔结构，其工作原理为：
16.在气膜冷却技术中，低温冷却射流从气膜冷却孔中喷出，形成覆盖高温表面的冷却气膜，当低温冷却射流流动过表面时，吸热的同时将热量带走，从而起到冷却壁面的作用。然而，在使用圆柱形气膜冷却孔时，圆柱形气膜孔射流在与主流掺混过程中，由于射流与主流的温度和速度差异会形成一个向下延伸的肾形涡，该肾形涡极易使气膜脱离壁面，迫使低温冷却射流脱离壁面，使得高温主燃气流重新贴附壁面，导致气膜覆盖壁面的面积减少，气膜冷却效果降低。
17.本发明通过在圆柱气膜孔的内壁上设置向外凸起的两对称布置的细长条状侧肋后，气流在经过细长条状侧肋时会诱导产生加速流，这个加速流会改变流体可以重构圆柱形气膜孔内的射流结构，削弱出口肾形涡的形成，这是因为加速流会在肋条的上游产生较强的剪切力，使得气流在肋条附近产生强烈的湍流，而湍流可以消耗能量和动量，从而削弱肾形涡的形成。具体来说，当气体通过圆形气膜孔时，由于孔口处的气体速度较慢，会在孔口处形成较大的肾形涡。这个涡旋会向孔内延伸，直到它遇到肋条。当气体流经肋条时，由于肋条的存在，会在肋条的上游形成较强的剪切力，使得气流在肋条附近产生强烈的湍流。湍流可以消耗动能和动量，从而削弱涡旋的形成。因此，通过在圆形气膜孔的内壁上设置肋
条，可以诱导产生加速流，从而削弱出口肾形涡的形成，提高气膜冷却的效率。
18.需要补充的是，肋条的几何形状和数量对气膜冷却技术的效率有重要的影响。试验表明，肋条越高越窄，其所产生的剪切力和湍流强度就越大，从而对涡旋的抑制效果就越好。通过调整肋条的肋高h和肋宽b可以调整加速流的强度，从而控制气膜覆盖能力和冷却效果。此外，肋条的数量也需要适当，过多的肋条会增加气流阻力和压力损失，降低气膜的冷却效率。
19.本发明优选的实例中，通过调整所述细长条状侧肋的肋高h和肋宽b以调整加速流的强度，从而控制气膜覆盖能力和冷却效果。
20.本发明的另一个发明目的在于提供一种发动机热端部件冷却结构，包括发动机热端部件，其特征在于，所述发动机热端部件的待冷却壁面基体上设有阵列布置的气膜冷却孔，所述气膜冷却孔采用本发明上述的带侧肋的圆柱气膜孔结构。
21.(三)技术效果
22.同现有技术相比，本发明提供的适用于发动机热端部件冷却的带侧肋的圆柱气膜孔结构具有以下特点和显著的技术优点：
23.(1)结构简单：本发明的带侧肋的圆柱气膜孔，直接在圆柱气膜孔上增设对称布置的两细长条状侧肋，结构简单，加工易实现。
24.(2)可调性好：本发明的带侧肋的圆柱气膜孔，通过调整侧肋的肋高和肋宽，可以直接改加速流强度，控制在待冷却壁面上肾形涡的发展，方便在不同的应用对象上获取良好的冷却效果。
25.(3)用途广泛：本发明的带侧肋的圆柱气膜孔结构，可用于涡轮导叶、动叶、燃烧室等航空发动机热端部件，实现不同需求的高效冷却。
26.(4)冷效改善明显：本发明的带侧肋的圆柱气膜孔结构，从根源上抑制了肾形涡的负面作用，冷却效果改善良好。
附图说明
27.图1为本发明的适用于发动机热端部件冷却的带侧肋的圆柱气膜孔结构的俯视图。
28.图2为本发明的带侧肋的圆柱气膜孔的剖视图。
29.图3为现有圆柱气膜孔所形成的肾形涡结构示意图。
30.图4为本发明的带侧肋的圆柱气膜孔形成的肾形涡与加速流结构示意图。
31.附图标记说明：
32.1-待冷却壁面基体，2-带侧肋的圆柱气膜孔，3-侧肋，4-进气端，5-出气端，6-主流，7-射流，8-现有圆柱气膜孔形成的肾形涡，9-带侧肋的圆柱气膜孔形成的肾形涡，10-带侧肋的圆柱气膜孔形成的加速流，d-圆柱通孔的直径，b-侧肋的肋宽，h-侧肋的肋高，p-相邻两气膜孔之间的孔间距，θ-气膜孔的中心线与待冷却壁面基体的壁面切线方向之间的夹角，m1-现有圆柱气膜孔形成的肾形涡的高度尺寸，m2-带侧肋的圆柱气膜孔形成的肾形涡的高度尺寸，m3-加速流的高度尺寸，n1-现有圆柱气膜孔形成的肾形涡的宽度尺寸，n2-带侧肋的圆柱气膜孔形成的肾形涡的宽度尺寸，n3-加速流的宽度尺寸。
具体实施方式
33.为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明的内容不局限于下面的实施例。实际上，在未背离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化，这对本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用来产生又一个实施例。因此，意图是本发明将这样的修改和变化包括在所附的权利要求书和它们的等同物的范围内。
34.如图1～2所示，本发明的适用于发动机热端部件冷却的带侧肋的圆柱气膜孔结构，气膜孔2以阵列方式布置在发动机热端部件的待冷却壁面基体1上，待冷却壁面基体1包括相对设置的一外侧壁面和一内侧壁面，内侧壁面限定的空间内为高温区，外侧壁面外为低温区，各气膜孔2由外侧壁面延伸至内侧壁面，用以向内侧壁面限定的高温区内喷射低温冷却射流，并形成覆盖内侧壁面的冷却气膜。其中，每一气膜孔2的主体部分为一圆柱通孔，圆柱通孔的内壁上至少对称设有两沿孔的径向向外突出的细长条状侧肋3，且两细长条状侧肋3在其长度上的延伸方向与圆柱通孔的中心线方向保持一致，并且每一细长条状侧肋3在其长度方向上的两端(进气端4、出气端5)分别延伸至待冷却壁面基体1的外侧壁面和内侧壁面，并在其两端与待冷却壁面基体1的内外侧两个壁面保持平齐；每一气膜孔2及其内壁上设置的两细长条状侧肋3均以倾斜状态设置在待冷却壁面基体1上，且气膜孔2的中心线与待冷却壁面基体1的壁面切线方向之间的夹角θ为锐角；并且其中，细长条状侧肋3的肋高h为圆柱通孔直径d的1/5～1/10，细长条状侧肋3的肋宽b与其肋高h相当。
35.图1所示为本发明的适用于发动机热端部件冷却的带侧肋的圆柱气膜孔结构的俯视图(x-z面)，虚线部分为气膜孔的内部结构。可以看出，该结构直接在圆柱气膜孔内部两侧增设了侧肋。圆柱气膜孔直径为d，d在2～10mm之间；侧肋的肋高为h，h在0.2～2mm之间；侧肋的肋宽为b，b在0.3～3mm之间；基体上可以布置多排带侧肋的圆柱气膜孔，每排孔间距为p，p在3～20mm之间。图2所示为带侧肋的圆柱气膜孔剖视图(y-z截面)，带侧肋的圆柱气膜孔中心线与水平方向夹角为θ(20～60
°
)。图3为现有圆柱形气膜孔射流7与主流6在x-y截面上形成的肾形涡8，该涡极易使气膜脱离壁面，弱化冷却效果。图4为带侧肋的圆柱气膜孔形成的肾形涡9与加速流10。
36.本发明的适用于发动机热端部件冷却的带侧肋的圆柱气膜孔结构，其工作原理为：在气膜冷却技术中，低温冷却射流从气膜冷却孔中喷出，形成覆盖高温表面的冷却气膜，当低温冷却射流流动过表面时，吸热的同时将热量带走，从而起到冷却壁面的作用。然而，在使用圆柱形气膜冷却孔时，圆柱形气膜孔射流7在与主流6掺混过程中，由于射流与主流的温度和速度差异会形成一个向下延伸的肾形涡，该肾形涡极易使气膜脱离壁面，迫使低温冷却射流脱离壁面，使得高温主燃气流重新贴附壁面，导致气膜覆盖壁面的面积减少，气膜冷却效果降低。
37.本发明通过在圆柱气膜孔2的内壁上设置向外凸起的细长条状侧肋3后，射流7在经过细长条状侧肋3时会诱导产生加速流10，这个加速流10会改变流体可以重构圆柱形气膜孔2内的射流结构，削弱出口肾形涡9的形成，这是因为加速流会在侧肋3的上游产生较强的剪切力，使得气流在侧肋3附近产生强烈的湍流，而湍流可以消耗能量和动量，从而削弱
肾形涡9的形成。具体来说，当气体通过圆形气膜孔2时，由于孔口处的气体速度较慢，会在孔口处形成较大的肾形涡9。这个涡旋会向孔内延伸，直到它遇到侧肋3。当气体流经侧肋3时，由于侧肋3的存在，会在侧肋3的上游形成较强的剪切力，使得气流在侧肋3附近产生强烈的湍流。湍流可以消耗动能和动量，从而削弱肾形涡9的形成。因此，通过在圆形气膜孔2的内壁上设置侧肋3，可以诱导产生加速流，从而削弱出口肾形涡9的形成，提高气膜冷却的效率。
38.需要补充的是，侧肋3的几何形状和数量对气膜冷却技术的效率有重要的影响。试验表明，侧肋越高越窄，其所产生的剪切力和湍流强度就越大，从而对涡旋的抑制效果就越好。通过调整侧肋3的肋高h和肋宽b可以调整加速流的强度，从而控制气膜覆盖能力和冷却效果。此外，侧肋3的数量也需要适当，过多的侧肋会增加气流阻力和压力损失，降低气膜的冷却效率。
39.可以看出，本发明提出的改进后的带侧肋的圆柱气膜孔结构相比现有不带侧肋的圆柱气膜孔结构带来几个显著的技术优势：(1)本发明在圆柱气膜孔内壁设置细长条状侧肋可以重构气膜孔内的射流结构，通过细长条状侧肋在气膜孔出口处诱导产生加速流，加速流的存在发挥了削弱出口肾形涡的作用；(2)在圆柱气膜孔内壁增设细长条状侧肋后，肾形涡的尺寸，无论是肾形涡的高度尺寸m2还是其宽度尺寸n2，在加速流的作用下(加速流的高度尺寸m3、宽度尺寸n3)，相比没有设置侧肋的现有圆柱形气膜孔所形成的肾形涡的高度尺寸m1及宽度尺寸n1，都明显减小，气膜附壁能力提升，有利于获取更好的冷却效果；3.通过调整肋高h和肋宽b可以调整加速流的强度，从而控制气膜覆盖能力和冷却效果。
40.本发明的带侧肋的圆柱气膜孔结构已经通过不同参数下的气膜冷却特性数值模拟进行验证，相较于简单的圆柱气膜孔，肾型涡明显被抑制，气膜附壁能力大大提升。典型工况分析得出，冷却效率平均提升了10％。同时，该结构简单，适用性宽，是一种很有应用前景的新型冷却结构。
41.通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种适用于发动机热端部件冷却的带侧肋的圆柱气膜孔结构，所述气膜孔以阵列方式布置在发动机热端部件的待冷却壁面基体上，所述待冷却壁面基体包括相对设置的一外侧壁面和一内侧壁面，所述内侧壁面限定的空间内为高温区，所述外侧壁面外为低温区，各所述气膜孔由所述外侧壁面延伸至所述内侧壁面，用以向所述内侧壁面限定的高温区内喷射低温冷却射流，并形成覆盖所述内侧壁面的冷却气膜，其特征在于，每一所述气膜孔的主体部分为一圆柱通孔，所述圆柱通孔的内壁上至少对称设有两沿孔的径向向外突出的细长条状侧肋，且两所述细长条状侧肋在其长度上的延伸方向与所述圆柱通孔的中心线方向保持一致，并且每一所述细长条状侧肋在其长度方向上的两端分别延伸至所述待冷却壁面基体的外侧壁面和内侧壁面，并在其两端与所述待冷却壁面基体的内外侧两个壁面保持平齐；每一所述气膜孔及其内壁上设置的两所述细长条状侧肋均以倾斜状态设置在所述待冷却壁面基体上，且所述气膜孔的中心线与所述待冷却壁面基体的壁面切线方向之间的夹角为锐角；并且其中，所述细长条状侧肋的肋高h为所述圆柱通孔直径d的1/5～1/10，所述细长条状侧肋的肋宽b与其肋高h相当。2.根据权利要求1所述的适用于发动机热端部件冷却的带侧肋的圆柱气膜孔结构，其特征在于，所述圆柱通孔直径d在2～10mm之间，所述细长条状侧肋的肋高h在0.1d～0.2d之间，肋宽b在0.15d～0.3d之间。3.根据权利要求1所述的适用于发动机热端部件冷却的带侧肋的圆柱气膜孔结构，其特征在于，所述气膜孔的中心线与所述待冷却壁面基体的壁面切线方向之间的夹角为20～60
°
。4.根据权利要求1所述的适用于发动机热端部件冷却的带侧肋的圆柱气膜孔结构，其特征在于，阵列布置的多排气膜孔中，相邻两所述气膜孔之间的孔间距p在1.5d～5d之间。5.根据权利要求1所述的适用于发动机热端部件冷却的带侧肋的圆柱气膜孔结构，其特征在于，通过调整所述细长条状侧肋的肋高h和肋宽b以调整加速流的强度，从而控制气膜覆盖能力和冷却效果。6.根据权利要求1所述的适用于发动机热端部件冷却的带侧肋的圆柱气膜孔结构，其特征在于，所述发动机热端部件为发动机涡轮导叶、涡轮动叶、和/或燃烧室。7.一种发动机热端部件冷却结构，包括发动机热端部件，其特征在于，所述发动机热端部件的待冷却壁面基体上设有阵列布置的气膜冷却孔，所述气膜冷却孔采用上述权利要求1～6任一项所述的的带侧肋的圆柱气膜孔结构。

技术总结
本发明公开了一种适用于发动机热端部件冷却的带侧肋的圆柱气膜孔结构，发动机热端部件可以为发动机涡轮导叶、动叶、燃烧室等，用以实现不同需求的高效冷却，本发明针对现有圆柱气膜孔易在待冷却壁面上形成肾形涡而抬升冷气、恶化冷却效果的技术问题，通过直接在圆柱气膜孔内部两侧设置沿中心线延伸的细长条状侧肋结构，通过侧肋重构孔内射流流动结构，并诱导两侧的气流加速形成加速流，从而抑制肾形涡在待冷却壁面上的形成，达到增强气膜附壁的目的，具有结构简单和适用性宽的优点。具有结构简单和适用性宽的优点。具有结构简单和适用性宽的优点。


技术研发人员：李国庆 张深 李昂 李辉 刘浩 张燕峰 卢新根
受保护的技术使用者：中国科学院工程热物理研究所
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/6/7