[发明专利]一种蝠鲼型仿生凸台和凹坑结构的多级抽吸气膜冷却孔结构

说明书

本发明公开了一种蝠鲼型仿生凸台和凹坑结构的多级抽吸气膜冷却孔结构，包括：蝠鲼型仿生凸台、凹坑结构、主冷却孔和多级抽吸通道。其中，蝠鲼型仿生凸台的形状与海洋生物蝠鲼相似；凹坑结构位于蝠鲼型仿生凸台的下游；主冷却孔的出口位于凹坑结构的底面，进口位于冷气提供腔；多级抽吸通道的进口位于主冷却孔的背风侧壁面上，出口位于冷气吸入腔；冷气提供腔的压力高于冷气吸入腔。本发明的气膜冷却孔结构能够同时增加冷却气膜的流向及横向覆盖范围，在同样的冷气消耗量条件下，能够对更大面积的目标壁面进行冷却。本发明可以应用于燃气轮机和航空发动机高温部件的气膜冷却中，提高机组运行的安全性与经济性。

技术领域

本发明属于燃气轮机和航空发动机技术领域，涉及到一种类似于蝠鲼体型的仿生凸台和凹坑结构的多级抽吸气膜冷却孔结构。

背景技术

燃气轮机是一种重要的高科技动力装备，被广泛应用于航空、航天、船舶、发电等领域。为了提高燃气轮机的输出功率和循环效率，燃气透平的进口温度不断提高，目前航空发动机的透平进口温度已高达2000K，远高于高温部件材料的许用温度。因此，高效的冷却技术对提高燃气轮机及航空发动机高温部件的运行安全性和经济性具有十分重要的学术意义和工程应用价值。高温部件冷却技术主要包括发散冷却、冲击冷却和气膜冷却等。其中，气膜冷却是一种利用冷却气膜将热端部件壁面与高温主流隔离开的冷却技术。冷却气流从壁面上的冷却孔或冷却槽缝中流出，在主流的带动下铺展在高温壁面上形成冷却气膜。然而，由于主流与冷却流间复杂的相互作用，冷却气膜会在冷却孔下游逐渐抬升并脱离壁面，冷却效果逐渐减弱。采用传统圆形冷却孔时，由于冷却孔进口处的流束收缩效应，冷却孔背风侧沿程的边界层会逐渐增厚，导致冷却流的流速增大，冷却气膜的脱体趋势增加，在壁面的流向和横向(与流向垂直的方向)的覆盖范围十分有限。

为了增加冷却气膜的覆盖范围和冷却效率，研究机构和工业界提出了多种不同的冷却孔结构，如：以抛物线为母线的旋转冷却孔、圆锥冷却孔、姊妹冷却孔、带进口圆角的冷却孔等。以抛物线为母线的旋转冷却孔和圆锥冷却孔可以增加冷却孔出口的通流面积，减小冷却流的流速。姊妹冷却孔可以同时产生两种不同流动方向的冷却流。带进口圆角的冷却孔可以减小冷却孔进口处的冷却流流速。

与传统圆形冷却孔相比，这些冷却孔结构能在一定程度上增加冷却气膜的覆盖范围和冷却效率。但是这些冷却孔结构对冷却气膜的横向(与流向垂直的方向)扩展作用有限，无法有效控制主流与冷却流间的相互作用，抑制冷却流的抬升，也无法避免冷却孔背风侧沿程的边界层增厚。

发明内容

本发明的目的是提供一种蝠鲼型仿生凸台和凹坑结构的多级抽吸气膜冷却孔结构，其能够有效增加冷却气膜横向覆盖范围、抑制冷却气膜抬升、同时能够破坏冷却孔背风侧边界层。

为达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种蝠鲼型仿生凸台和凹坑结构的多级抽吸气膜冷却孔结构，包括：蝠鲼型仿生凸台、凹坑结构、主冷却孔和多级抽吸通道；

所述蝠鲼型仿生凸台位于目标壁面上；所述凹坑结构的出口位于目标壁面上，且蝠鲼型仿生凸台位于凹坑结构的上游；所述主冷却孔的出口位于凹坑结构的底面上，主冷却孔的进口位于冷气提供腔；所述多级抽吸通道的进口位于主冷却孔的背风侧孔壁上，多级抽吸通道的出口位于冷气吸入腔；冷气吸入腔的压力低于冷气提供腔的压力。

本发明进一步的改进在于，所述蝠鲼型仿生凸台的形状与海洋生物蝠鲼相似，其迎风面与目标壁面相切，背风面向迎风方向弯曲。

本发明进一步的改进在于，所述蝠鲼型仿生凸台的宽度大于凹坑结构的宽度，蝠鲼型仿生凸台的轴线与凹坑结构的轴线重合。

本发明进一步的改进在于，所述凹坑结构的轮廓线为主冷却孔出口型线的放大，且凹坑结构轮廓线的背风侧和转角处采用圆弧过渡。

本发明进一步的改进在于，所述主冷却孔的轴线与目标壁面间的角度为20°至35°。