氣膜冷卻結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型的一方面提供了一種氣膜冷卻結構，包括：氣膜孔，該氣膜孔具有縫狀出口，該縫狀出口內設有至少一個支撐結構，該至少一個支撐結構的上端面和下端面分別抵觸該縫狀出口處的兩個側壁。
【專利說明】氣膜冷卻結構

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及燃氣輪機的冷卻技術，尤其涉及一種氣膜冷卻結構。

【背景技術】
[0002]用于燃氣渦輪的渦輪葉片由于在運行中外表面暴露在高溫氣體中，所以為了防止渦輪葉片過熱以為保證渦輪安全可靠的工作，除了不斷發(fā)展新材料和新工藝以外，還需對渦輪葉片采用先進的高效冷卻技術。
[0003]隨著工業(yè)技術的飛躍發(fā)展，渦輪前進口溫度逐步提高，這必然導致渦輪葉片所受到的熱負荷急劇增加，而使其承受非常嚴重的熱應力。以航空發(fā)動機為例，飛機發(fā)動機推力的提高很大程度上依賴于渦輪前總溫的提高，根據(jù)計算，這一溫度每提高55K，在發(fā)動機尺寸不變的條件下，發(fā)動機推力約可提高10%。渦輪入口溫度以平均每年提高20K的速度增力口，而金屬耐溫程度僅以每年約8K的速度增加，因此，即使發(fā)動機渦輪部件采用像單晶這樣的耐高溫材料，也不能完全取消冷卻，先進的冷卻可使高溫部件承受更高的工作溫度，使發(fā)動機壽命更長、可靠性更高。目前先進發(fā)動機的渦輪前進口溫度己達到了 2000K左右，比高壓渦輪葉片金屬材料的熔點高400K，可見冷卻設計的重要性和迫切性。
[0004]現(xiàn)有的冷卻技術主要包括葉片外部氣膜隔熱及葉片內部強化冷卻兩個方面。葉片外部氣膜隔熱冷卻技術是通過在高溫部件表面開設小孔，將冷卻介質以橫向射流的形式注入到主流中，在主流的作用下，射流彎曲并覆蓋于高溫部件表面，形成溫度較低的冷氣膜，從而將高溫部件表面與熱流體隔開，降低高溫部件表面溫度，對高溫部件起到隔熱和冷卻的作用。
[0005]現(xiàn)有燃氣輪機中的氣膜冷卻大都采用圓形孔、簸箕形孔、扇形孔等冷卻方式。一般而言，氣膜孔的出口面積越大，冷卻效果越佳，然而氣膜孔的結構強度也越差。在長時間的使用后，大出口的氣膜孔可能會出現(xiàn)由于強度不足而氣膜孔坍塌的問題，使得葉片變形，最后使得葉片失效，甚至導致發(fā)動機事故。
[0006]因此，本領域亟需一種具有良好的冷卻效果又有足夠強度的氣膜冷卻結構。實用新型內容
[0007]根據(jù)本實用新型的一方面，提供了一種氣膜冷卻結構，包括:氣膜孔，該氣膜孔具有縫狀出口，該縫狀出口內設有至少一個支撐結構，該支撐結構的上端面和下端面分別抵觸該縫狀出口處的兩個側壁。
[0008]在一實例中，該氣膜孔具有非縫狀入口，該氣膜孔從該非縫狀入口漸變過渡至該縫狀出口。
[0009]在一實例中，兩個側壁在該縫狀出口處相互平行，至少一個支撐結構為支撐柱，該支撐柱的上端面和下端面相互平行。
[0010]在一實例中，該支撐柱包括以下至少一者:圓形支撐柱、菱形支撐柱、倒圓的棱形支撐柱、以及雨滴形支撐柱。
[0011]在一實例中，該縫狀出口的端面與該縫狀出口處的兩個側壁垂直。
[0012]在一實例中，該縫狀出口內設有多個支撐結構，該多個支撐結構沿該縫狀出口的長度方向均勻排列。
[0013]在一實例中，該縫狀出口內設有一個支撐結構，該支撐結構被設置在沿該縫狀出口的長度方向的正中間位置處。
[0014]在一實例中，該氣膜孔的內壁上設有凸肋或凹槽。
[0015]根據(jù)本實用新型的氣膜冷卻結構，能夠使噴入到高溫部件表面的冷卻氣流在橫向上形成更加均勻一致的冷卻氣膜覆蓋，從而提高冷卻效果。同時，本實用新型的氣膜冷卻結構還具有非常高的結構強度，不會因為大出口的氣膜孔而出現(xiàn)因為強度不足導致的坍塌問題，有效地防止了高溫部件的變形。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]以下結合附圖和具體實施例對本實用新型作詳細描述。注意，以下結合附圖和具體實施例描述的諸方面僅是示例性的，而不應被理解為對本實用新型的保護范圍進行任何限制。
[0017]圖1是示出了氣膜孔的冷卻原理的示意圖；
[0018]圖2是示出了根據(jù)本實用新型的第一實施例的氣膜冷卻結構的仰視圖；
[0019]圖3是示出了根據(jù)本實用新型的第一實施例的氣膜冷卻結構的俯視圖；
[0020]圖4是示出了根據(jù)本實用新型的第一實施例的氣膜冷卻結構沿中截線的剖面圖；
[0021]圖5是示出了根據(jù)本實用新型的第二實施例的氣膜冷卻結構沿中截線的剖面圖；
[0022]圖6是示出了根據(jù)本實用新型的第三實施例的氣膜冷卻結構沿中截線的剖面圖；以及
[0023]圖7(a)_(d)示出了用于本實用新型的氣膜冷卻結構的支撐柱的截面形狀。

【具體實施方式】
[0024]圖1是示出了氣膜孔的冷卻原理的示意圖。如圖1所示，氣膜孔110可以是開設在高溫部件上的孔。該高溫部件可以是例如渦輪葉片等航空發(fā)動機中承受較高工作溫度的部件。一般這種高溫部件都具有腔體結構(未示出)。氣膜孔110的入口通往該腔體，而出口通往該高溫部件表面120。腔體內的冷卻介質可通過該氣膜孔110作為冷卻氣流130注入到表面外的高溫氣流140 (B卩，主流)中。這股冷卻氣流130在主流的壓力和科恩達效應影響下向下游彎曲，最終附著在高溫部件表面120的一定區(qū)域上，形成溫度較低的冷氣膜將表面同高溫氣流隔離，并帶走部分高溫氣流，從而對表面起到良好的冷卻保護作用。
[0025]圖2示出了根據(jù)本實用新型的第一實施例的氣膜冷卻結構200的俯視圖。圖3示出了該氣膜冷卻結構200的仰視圖。圖4示出了該氣膜冷卻結構200沿圖3中的A-A截面的剖視圖。下文將結合圖2-4對根據(jù)本實用新型的第一實施例的氣膜冷卻結構進行描述。
[0026]如圖2、3、4所示，氣膜冷卻結構200可包括氣膜孔210。注意，正如前文提及的，氣膜孔210是開設在高溫部件中的，高溫部件本體一般具有腔狀結構，例如內部具有腔體。高溫部件內部的腔體通過氣膜孔210通往高溫部件的表面，以使腔體內的冷卻介質以氣流的形式注入到表面，起到冷卻保護作用。由于本實用新型僅涉及氣膜孔210的結構，因此，為了清楚起見，圖2、3、4中僅示出了氣膜孔210及其相關部件，而高溫部件本體并未被示出。圖中所示的氣膜孔210由氣膜孔210在高溫部件內形成的內壁所界定。
[0027]氣膜孔210可包括入口 211。該入口 211可通往高溫部件內部的腔體。入口 211可以是任何合適的形狀，例如圓形、橢圓形等等。一般入口 211的形狀不設計成狹縫狀，這是因為高溫部件內部如果具有從腔體開始一直持續(xù)通往表面的縫狀氣膜孔，則高溫部件的結構強度會大打折扣，非常容易在使用過程中變形。這也是現(xiàn)有技術中采用圓形孔、簸箕形孔等氣膜孔的原因。
[0028]氣膜孔210還可包括出口 212。該出口 212可通往高溫部件的表面。出口 212可被設計成縫狀，從圖3中可以清楚地看清楚這一特征。因此，氣膜孔210的內部中空結構是從入口 211處的非縫狀逐漸變化過渡至出口 212處的縫狀。
[0029]氣膜孔210還可包括四個壁面，分別是端壁213、214，以及側壁215、216。正如前文提及的，相對于高溫部件而言，這些壁面實質上是氣膜孔210在高溫部件中形成的內壁。隨著氣膜孔210從縫狀入口至縫狀出口的漸變，相應地，端壁213、214越來越窄，而側壁215、216越來越扁平，直至在出口 212處形成狹長的縫狀出口。
[0030]縫狀出口使得注入到高溫部件表面的冷卻氣流在橫向上形成更加均勻的一致的冷卻氣膜，從而提高冷卻效果。同時，非縫狀的入口 211可以一定程度上使得高溫部件的結構強度不受太大的影響。
[0031]為了進一步提高高溫部件的結構強度，可在出口 212內設有支撐結構220。該支撐結構220可被設置在沿出口 212的長度方向的中間位置處，如圖2-4所示。需要注意的是，圖4中的陰影部分表示的是氣膜孔210的中空部分，而非陰影部分表示的是支撐結構220。如圖4中所示，支撐結構220的上端面和下端面分別抵觸縫狀的出口 212處的側壁215、216。由于在側壁215、216之間有支撐結構220的支撐作用，大大增強了高溫部件的結構強度。同時，冷卻氣流在注入到高溫部件表面的過程中被出口 212處的支撐結構220所擾流，這可以增強冷卻氣流的換熱能力。
[0032]雖然圖中僅給出了一個支撐結構220的情形，但是本領域技術人員還是容易理解的。為了更強的結構強度和擾流作用，可以設置多個支撐結構220。例如，這多個支撐結構220可沿出口 212的長度方向均勻間隔排列。
[0033]較優(yōu)地，氣膜孔210的內壁上可設有凸肋或凹槽。這里的內壁可包括端壁213、214和側壁215、216。凸肋或凹槽的設置使得進一步加強對冷卻氣流的擾流，從而進一步增強換熱能力。
[0034]圖5示出了根據(jù)本實用新型的第二實施例的氣膜冷卻結構300。氣膜冷卻結構300可包括氣膜孔310。氣膜孔310與氣膜孔210的區(qū)別之處在于在出口處的側壁有所不同。如圖5所示，氣膜孔310可包括側壁部分316-1和側壁部分316-2 (統(tǒng)稱為側壁316)，以及側壁部分315-1和側壁部分315-2(統(tǒng)稱為側壁315)。S卩，氣膜孔310的兩個側壁315、316在從入口 311往出口 312的漸變過程中，在即將到達出口 312處具有突變，使得在出口 312處的側壁部分315-2和側壁部分316-2變?yōu)橄嗷テ叫小?br> [0035]在此情形中，支撐結構320可以是支撐柱，支撐柱的上端面和下端面也相互平行。較優(yōu)地，支撐結構320可以是圓形支撐柱、菱形支撐柱、倒圓的棱形支撐柱、以及雨滴形支撐柱中的至少一者，例如，類似于圖6中所示的支撐結構420，圖7 (a)-7 (d)示出了這些支撐柱的截面形狀。在氣膜孔310由于外力而受到擠壓時，支撐柱的上下端面同時受到來自側壁部分315-2和316-2的壓力。由于支撐柱的上端面和下端面平行，此時不會在支撐柱的端面上產生剪切力，從而支撐柱不會在端面處與側壁斷開而被擠出氣膜孔310。所以，根據(jù)此設計的氣膜冷卻結構300具有更強的結構穩(wěn)定性。
[0036]圖6示出了根據(jù)本實用新型的第三實施例的氣膜冷卻結構400。氣膜冷卻結構400可包括氣膜孔410。與氣膜孔310類似，氣膜孔410的側壁在出口 412處的部分416-2和415-2是平行的。進一步，氣膜孔410的出口 412的端面與側壁部分416-2和415-2是垂直的，如圖6所示。較優(yōu)地，支撐結構420可以是圓形支撐柱、菱形支撐柱、倒圓的棱形支撐柱、以及雨滴形支撐柱中的至少一者。
[0037]根據(jù)本實用新型的氣膜冷卻結構，能夠使注入到高溫部件表面的冷卻氣流在橫向上形成更加均勻的一致的冷卻氣膜，從而提高冷卻效果。同時，本實用新型的氣膜冷卻結構還具有非常高的結構強度，不會因為大出口的氣膜孔而出現(xiàn)因為強度不足導致的坍塌問題，有效地防止了高溫部件的變形。
[0038]提供之前的描述是為了使本領域中的任何技術人員均能夠實踐本文中所描述的各種方面。但是應該理解，本實用新型的保護范圍應當以所附權利要求為準，而不應被限定于以上所解說實施例的具體結構和組件。本領域技術人員在本實用新型的精神和范圍內，可以對各實施例進行各種變動和修改，這些變動和修改也落在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種氣膜冷卻結構，其特征在于，包括: 氣膜孔，所述氣膜孔具有縫狀出口，所述縫狀出口內設有至少一個支撐結構，所述至少一個支撐結構的上端面和下端面分別抵觸所述縫狀出口處的兩個側壁。
2.如權利要求1所述的氣膜冷卻結構，其特征在于，所述氣膜孔具有非縫狀入口，所述氣膜孔從所述非縫狀入口漸變過渡至所述縫狀出口。
3.如權利要求2所述的氣膜冷卻結構，其特征在于，所述兩個側壁在所述縫狀出口處相互平行，所述至少一個支撐結構為支撐柱，所述支撐柱的所述上端面和所述下端面相互平行。
4.如權利要求3所述的氣膜冷卻結構，其特征在于，所述支撐柱包括以下至少一者:圓形支撐柱、菱形支撐柱、以及倒圓的棱形支撐柱。
5.如權利要求3所述的氣膜冷卻結構，其特征在于，所述縫狀出口的端面與所述縫狀出口處的兩個側壁垂直。
6.如權利要求1所述的氣膜冷卻結構，其特征在于，所述縫狀出口內設有多個支撐結構，所述多個支撐結構沿所述縫狀出口的長度方向均勻排列。
7.如權利要求1所述的氣膜冷卻結構，其特征在于，所述縫狀出口內設有一個支撐結構，所述支撐結構被設置在沿所述縫狀出口的長度方向的正中間位置處。
8.如權利要求1所述的氣膜冷卻結構，其特征在于，所述氣膜孔的內壁上設有凸肋或凹槽。
【文檔編號】F02C7/12GK204024823SQ201420139107
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年3月26日 優(yōu)先權日:2014年3月26日
【發(fā)明者】王曉增, 王克菲, 白江濤 申請人:中航商用航空發(fā)動機有限責任公司