应用于燃气轮机的扁平猫耳气膜孔冷却结构及构建方法与流程

本发明涉及燃气轮机热端冷却，特别是涉及一种应用于燃气轮机的扁平猫耳气膜孔冷却结构及构建方法。

背景技术：

1、燃气涡轮发动机是一种基于布雷顿循环的热动力装置，依靠其强大的输出功率和高热效率已广泛应用于现代军事和工业。燃气涡轮发动机具有极为恶劣严苛的工作环境，具备高温、高压和高转速三大特点。其中，高温的工作环境尤其体现在三大核心部件之一的涡轮中。经验表明，在发动机尺寸不变的前提下，涡轮进口温度每提高56k，燃气轮机的推力可增加8-13％，循环效率可提高2-4％。目前先进航空发动机的涡轮前温度已经超过2000k，而涡轮叶片材料的耐温极限却远小于涡轮进口温度，因此必须采用高效冷却技术以保证其正常工作。

2、现有技术中虽然可主动形成对气膜冷却有利的反肾涡，但其单个气膜孔单元的涡系结构通常由两对相邻的肾涡构成，难以形成反肾涡占据主导的涡系结构，不利于冷气的展向延伸，此外，当气膜孔形成较大的出口宽度时，大的扩张角使孔内易发生严重的流动分离，加剧冷气与主流的掺混，增大流动损失，不利于冷却效果。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种应用于燃气轮机的扁平猫耳气膜孔冷却结构及构建方法，旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种应用于燃气轮机的扁平猫耳气膜孔冷却结构，包括：

3、固体壁，具有外壁面和内壁面，所述外壁面用于接触高温主流；

4、气膜孔，包括开设于所述固体壁上的椭圆柱段以及与所述椭圆柱段相连通并同轴的扩张段，所述椭圆柱段和所述扩张段的连接处为入口型线，所述椭圆柱段远离所述扩张段的一端在所述内壁面上形成冷气入口，所述扩张段远离所述椭圆柱段的一端在所述外壁面上形成冷气出口，所述冷气出口的型线为出口型线；

5、所述出口型线为以所述气膜孔的轴线与高温主流的交点01，在所述外壁面上绘制第一矩形，所述第一矩形的短边平行于高温主流的流动方向，以所述第一矩形靠近高温主流下游的顶点a以及顶点b分别绘制第二矩形，所述第二矩形的短边平行于高温主流的流动方向，分别以一对所述第二矩形的对角线ac和bd绘制椭圆，以所述第一矩形靠近高温主流下游的长边中心点e绘制一对分别与一对所述椭圆相切的切线，对一对所述切线进行半径为r1的倒圆，获得倒圆弧，以所述倒圆弧的圆心03绘制半径为r2的圆弧，连接一对所述椭圆、一对所述切线、倒圆弧以及所述圆弧得到所述出口型线。

6、可选的，所述入口型线平行于高温主流的流动方向。

7、可选的，所述椭圆柱段的等效直径取值范围为0.4mm-1mm。

8、可选的，所述扩张段长度与所述气膜孔总长度的比值le/l为0-1。

9、可选的，所述气膜孔的流向倾角的取值范围为30-90度。

10、可选的，所述气膜孔的展向倾角的取值范围为30-150度。

11、可选的，相邻的两所述气膜孔的轴线之间的间距p与所述等效直径的比值不小于3。

12、可选的，所述气膜孔倾斜设置。

13、本发明还提供了一种扁平猫耳气膜孔的构建方法，包括：

14、以所述气膜孔的轴线与高温主流的交点01，在所述外壁面上绘制第一矩形，所述第一矩形的短边平行于高温主流的流动方向；

15、以所述第一矩形靠近高温主流下游的顶点a以及顶点b分别绘制第二矩形，所述第二矩形的短边平行于高温主流的流动方向；

16、分别以一对所述第二矩形的对角线ac和bd绘制椭圆；

17、以所述第一矩形靠近高温主流下游的长边中心点e绘制一对分别与一对所述椭圆相切的切线，对一对所述切线进行半径为r1的倒圆，获得倒圆弧；

18、以所述倒圆弧的圆心03绘制半径为r2的圆弧；

19、连接一对所述椭圆、一对所述切线、倒圆弧以及所述圆弧得到所述出口型线。

20、可选的，所述第二矩形长边a2和短边b2与所述椭圆的长轴a3和短轴b3的预设关系为a2/b2＝a3/b3。

21、本发明公开了以下技术效果：

22、1.本发明通过控制出口型线的方法直接在孔内构建出分支结构以诱导反肾涡的形成，继承分叉孔和缝形孔的优点，可在气膜孔内不发生严重的流动分离的情况下形成较大的出口展向宽度，从而可形成理想的反肾涡结构，促进冷气沿横向的扩展，增大气膜展向覆盖面积，提升气膜附壁效果，从而提高气膜冷却效率，同时可形成较为均匀的缝状出流，减小冷气与主流掺混的气动损失。

23、2.可通过调整出口型线的第一矩形的长度以直接控制气膜孔出口流向宽度，调整出口型线的第二矩形的宽度和倒圆半径以控制扩张段的弯曲程度，从而更便利地调整气膜孔形状。调整出口型线以改变扩张段的方法可使得气膜孔结构更丰富，具有更大的结构优化样本空间。

技术特征：

1.一种应用于燃气轮机的扁平猫耳气膜孔冷却结构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种应用于燃气轮机的扁平猫耳气膜孔冷却结构，其特征在于，所述入口型线(3)平行于高温主流(13)的流动方向。

3.根据权利要求1所述的一种应用于燃气轮机的扁平猫耳气膜孔冷却结构，其特征在于，所述椭圆柱段(4)的等效直径取值范围为0.4mm-1mm。

4.根据权利要求1所述的一种应用于燃气轮机的扁平猫耳气膜孔冷却结构，其特征在于，所述扩张段(2)长度与所述气膜孔总长度的比值le/l为0-1。

5.根据权利要求1所述的一种应用于燃气轮机的扁平猫耳气膜孔冷却结构，其特征在于，所述气膜孔的流向倾角的取值范围为30-90度。

6.根据权利要求1所述的一种应用于燃气轮机的扁平猫耳气膜孔冷却结构，其特征在于，所述气膜孔的展向倾角的取值范围为30-150度。

7.根据权利要求1所述的一种应用于燃气轮机的扁平猫耳气膜孔冷却结构，其特征在于，相邻的两所述气膜孔的轴线之间的间距p与所述椭圆柱段(4)的等效直径的比值不小于3。

8.根据权利要求1所述的一种应用于燃气轮机的扁平猫耳气膜孔冷却结构，其特征在于，所述气膜孔倾斜设置。

9.一种扁平猫耳气膜孔的构建方法，用于构建权利要求1所述的一种应用于燃气轮机的扁平猫耳气膜孔冷却结构中的所述出口型线，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的一种扁平猫耳气膜孔的构建方法，其特征在于，所述第二矩形(6)长边a2和短边b2与所述椭圆(7)的长轴a3和短轴b3的预设关系为a2/b2＝a3/b3。

技术总结
本发明涉及燃气轮机热端冷却技术领域，公开了一种应用于燃气轮机的扁平猫耳气膜孔冷却结构及构建方法，包括固体壁，具有外壁面和内壁面，外壁面用于接触高温主流；气膜孔包括开设于固体壁上的椭圆柱段以及与椭圆柱段相连通并同轴的扩张段，椭圆柱段和扩张段的连接处为入口型线，椭圆柱段远离扩张段的一端在内壁面上形成冷气入口，扩张段远离椭圆柱段的一端在外壁面上形成冷气出口，冷气出口的型线为出口型线，本发明可形成理想的反肾涡结构，促进冷气沿横向的扩展，增大气膜展向覆盖面积，提升气膜附壁效果，从而提高气膜冷却效率，同时可形成较为均匀的缝状出流，减小冷气与主流掺混的气动损失。

技术研发人员：刘丽芳,吴宏,李海旺,谢刚,罗一鸣,邓博,张仪,武安,周志宇,由儒全
受保护的技术使用者：中国联合重型燃气轮机技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/2/20