[发明专利]一种分段式气膜冷却孔及其设计方法

说明书

本发明提出了一种分段式气膜冷却孔，包括包括由入口处的直孔段逐渐通过展向和流向两个方向的扩张过渡为铲斗形状，其中包括第一扩张铲斗型孔和第二扩张铲斗型孔；第一扩张铲斗型孔前接直孔段，其前端为与直孔段形状一致孔型；后接第二扩张铲斗型孔，其中后端为与第二扩张铲斗型孔前端形状一致孔型；从第一扩张铲斗型孔出口的正上方向下看，入口为椭圆形出口为矩形；第二扩张铲斗型孔入口为矩形，出口为孔铲斗型结构。本发明通过分段式的几何造型设计方法改变气膜冷却孔几何结构，影响孔内射流的流动结构，最终改善冷气在壁面的覆盖形态，提高冷却效果。

技术领域

本发明涉及本发明涉及燃气涡轮发动机技术领域，具体而言，涉及一种分段式气膜气膜冷却孔及其设计方法。

背景技术

气膜冷却是应用于重型燃气轮机与航空发动机热端部件的一种重要外部冷却方式，来自压气机的低温气体经过叶片及端壁内部通道，经由叶片及端壁表面所开的气膜孔射流而出，在透平主流环境的作用下，低温气体覆盖在叶片及端壁表面形成一层低温气体保护膜，从而防止了高温主流燃气对叶片及端壁材料本身的烧蚀等危害。

而气膜冷却单元的孔型几何会影响冷气射流的结构及其在叶片或端壁表面的覆盖效果，通过合理的孔型设计可以改善气膜冷却的效果。目前较为广泛应用的孔型主要为圆柱形直孔以及带有扩张角度的异型孔，普遍的研究表明带有扩张角度的异型孔比圆孔在更加宽广的吹风比范围内均有更好的冷却效果，但受限于孔型几何，并非所有位置都适合进行异型孔的加工。

现有异型孔几何局限性包括：扩张角度越大，冷却效果越好，但孔型更难在叶片前缘等大曲率位置进行加工；扩张角度越大，孔型几何的出口面积比和出口宽度越大，在叶片表面留下的缺口越大，对叶片材料强度不利。

其中CN112627904 A公开了一种新型铲斗型气膜冷却孔，铲斗型气膜冷却孔截面形状由入口处的一段圆柱段逐渐通过展向和流向两个方向的扩张过渡为铲斗形状；从侧视方向看，气膜冷却孔的截面宽度由入口到出口为先不变后逐渐扩张；从俯视方向看，气膜冷却孔的展向宽度由入口到出口显著增大，并且出口面积大于入口面积；从气膜冷却孔出口的正上方向下看，冷却孔入口为椭圆形，出口为矩形，此为单段式气膜冷却孔，且圆柱段与后段衔接处展向和流向并不是平滑衔接，孔型几何在射流方向上存在突变，会引起孔内流动结构的变化，连接处台阶容易导致该处存在流动分离区。且在不考虑开孔大小即孔扩张段扩张的程度约束时，孔的流向与展向扩张程度越大，孔下游的冷效相对更为优秀。但考虑到孔型加工会在叶片部分切除材料，以叶片的强度以及孔型加工的难度作为约束，则孔型扩张角度不能无限制的增大，在保证最终扩张角度相同的条件下，如何在叶片强度以及加工难度上的制约下，有更小的出口面积比以及出口宽度，改善现有异型孔几何局限性，改善了冷气在壁面的覆盖效果，提升气膜冷却孔冷却效果的目的是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一，提供了一种分段式气膜冷却孔及其设计方法，对气膜冷却孔孔型几何的扩张段处采用分段式的设计，改变了气膜冷却孔的几何结构，影响了其冷气射流出流时的流动结构，最终改善了冷气在壁面的覆盖效果，实现了在同等甚至更小的出口面积比和出口宽度条件下，达到了提升气膜冷却孔冷却效果的目的。

有鉴于此，根据本发明的第一个目的提出了一种分段式气膜冷却孔，包括包括由入口处的直孔段逐渐通过展向和流向两个方向的扩张过渡为铲斗形状，其中包括第一扩张铲斗型孔和第二扩张铲斗型孔；

第一扩张铲斗型孔前接直孔段，其前端为与直孔段形状一致孔型；后接第二扩张铲斗型孔，其中后端为与第二扩张铲斗型孔前端形状一致孔型；从第一扩张铲斗型孔出口的正上方向下看，入口为椭圆形出口为矩形；第二扩张铲斗型孔入口为矩形，出口为孔铲斗型结构；