本發(fā)明涉及燃氣輪機或航空發(fā)動機高溫部件的冷卻技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于冷卻葉片的凹陷-氣膜孔冷卻結(jié)構(gòu)及氣膜冷卻裝置。

背景技術(shù)：

氣膜冷卻對于燃氣輪機/航空發(fā)動機高溫部件熱防護具有重要意義，如渦輪葉片冷卻，燃燒室冷卻。氣膜冷卻通常從渦輪葉片內(nèi)部冷卻通道獲取冷卻空氣，氣膜孔貫穿渦輪葉片壁面，氣膜冷卻孔連接渦輪葉片內(nèi)部冷卻通道與外部表面。因此，內(nèi)部冷卻通道內(nèi)的氣流通過氣膜孔流出至外部表面，并盡可能在外部表面延展開來，從而將外部熱氣流與渦輪葉片表面隔離開，為渦輪葉片提供氣膜冷卻

渦輪葉片具有內(nèi)部對流冷卻和外部氣膜冷卻。冷卻氣流在渦輪葉片內(nèi)部通道內(nèi)流動以對流方式冷卻葉片壁面，另一方面內(nèi)部冷卻通道內(nèi)的氣流通過氣膜孔流出至葉片外部表面形成氣膜冷卻。

氣膜冷卻的效果與從渦輪葉片內(nèi)部通道進入氣膜冷卻孔內(nèi)的流體流動狀況密切相關(guān)。氣膜孔與內(nèi)部冷卻通道之間的匹配直接影響到流入氣膜孔的流量大小，以及氣膜孔內(nèi)的流動特征。常規(guī)的氣膜冷卻孔與內(nèi)部通道壁面直接貫通連接，內(nèi)部通道內(nèi)的氣流流過氣膜冷卻孔時，容易在氣膜孔入口產(chǎn)生流動分離和漩渦，并由于氣膜孔內(nèi)外壓差影響下在氣膜孔內(nèi)形成回流，這些因素對氣膜孔形成阻塞效應(yīng)并對氣膜冷卻性能造成明顯不利影響，這體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)由于氣膜孔內(nèi)的流動分離和回流形成阻塞效應(yīng)，會造成氣膜孔內(nèi)冷卻空氣流量減少，從而直接降低氣膜冷卻性能；(2)氣膜孔口的流動附著和氣膜孔內(nèi)的流動漩渦使得氣膜孔內(nèi)氣流流動湍動能增強，這會增強氣膜孔出流與外面高溫燃氣的摻混效應(yīng)，從而降低氣膜冷卻效果。特別是，當內(nèi)部通道內(nèi)流動與外部主流反向時，當前的氣膜孔入口和氣膜孔內(nèi)容易形成大范圍的流動漩渦和回流，堵塞了氣膜出口流動，大大降低了外部表面氣膜冷卻性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是能夠改善氣膜孔與冷卻葉片內(nèi)部流道之間的匹配，從而改善氣膜孔入口和氣膜孔內(nèi)的流動狀態(tài)、提高冷卻葉片外部壁面的氣膜冷卻性能的氣膜冷卻結(jié)構(gòu)和氣膜冷卻裝置。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第一方面提供了一種用于冷卻葉片的凹陷-氣膜孔冷卻結(jié)構(gòu)，包括設(shè)置在所述冷卻葉片的內(nèi)壁的凹陷和貫穿所述冷卻葉片的氣膜孔，所述氣膜孔具有入口，所述入口位于所述凹陷處。

進一步地，所述入口的一部分貫穿所述凹陷所在的壁面，即所述入口的一部分位于所述凹陷所在的壁面上，所述入口的另一部分位于所述冷卻葉片的壁面上除凹陷以外的區(qū)域。

優(yōu)選地，所述入口的全部貫穿所述凹陷所在的壁面，即所述入口的全部位于所述凹陷所在的壁面上。

更進一步地，單個所述入口的全部位于一個凹陷所在的壁面上。

更進一步地，多個氣膜孔的入口位于一個凹陷所在的壁面上。

進一步地，所述凹陷凹進內(nèi)壁面中，凹陷的形狀為半球形的一部分、或溝槽狀、或帶有斜切的球形的一部分、或帶有邊緣倒圓的曲面或水滴形等，但不限于此。

進一步地，所述凹陷的深度與凹陷長度比為0～0.3，但不限于此。

進一步地，所述氣膜孔還具有出口，所述出口位于所述冷卻葉片的外壁。

進一步地，所述氣膜孔的出口是斜孔、扇形孔、圓柱形孔、棱柱形孔、棱錐形孔或圓錐形孔，但不限于此。

進一步地，所述氣膜孔的中心線與所述冷卻葉片的壁面的夾角為0～90°，優(yōu)選為30～60°。

本發(fā)明的第二方面提供了一種氣膜冷卻裝置，包括冷卻葉片、一個或多個凹陷，以及一個或多個氣膜孔，其中所述凹陷設(shè)置在所述冷卻葉片的內(nèi)壁，所述氣膜孔貫穿所述冷卻葉片，所述氣膜孔具有入口，全部的所述氣膜孔的入口位于所述凹陷處；或者一部分所述氣膜孔的入口位于所述凹陷處，另一部分所述氣膜孔的入口位于所述冷卻葉片的內(nèi)壁面上除凹陷以外的區(qū)域；或者多個氣膜孔的入口位于一個凹陷處。

進一步地，當所述氣膜孔的入口位于所述凹陷處時，單個所述入口的一部分位于所述凹陷所在的壁面上，單個所述入口的另一部分位于所述冷卻葉片的壁面上除凹陷以外的區(qū)域。

優(yōu)選地，當所述氣膜孔的入口位于所述凹陷處時，單個所述入口的全部位于所述凹陷所在的壁面上。

進一步地，當多個氣膜孔的入口位于一個凹陷處時，所述多個氣膜孔的入口位于所述凹陷所在的壁面上。

進一步地，所述凹陷凹進內(nèi)壁面中，凹陷的形狀為半球形的一部分、帶有斜切的球形的一部分、或帶有邊緣倒圓的曲面或水滴形等。

進一步地，所述氣膜孔還具有出口，所述出口位于所述冷卻葉片的外壁。

進一步地，所述氣膜孔的出口是斜孔、扇形孔、圓柱形孔、棱柱形孔、棱錐形孔或圓錐形孔。

進一步地，所述氣膜孔的中心線與所述冷卻葉片的壁面的夾角為0～90°，優(yōu)選為30～60°。

在本發(fā)明的較佳實施方式中，一種氣膜冷卻裝置，包括冷卻葉片和多個上述凹陷-氣膜孔冷卻結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的冷卻葉片為渦輪葉片。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點在于，冷卻葉片的內(nèi)部流道中的流體流過凹陷時，會在凹陷內(nèi)部形成穩(wěn)定的低速渦流，并在凹陷內(nèi)部為氣膜孔創(chuàng)造一個良好的入口流動條件，使得氣膜孔內(nèi)的流動更加順暢，氣膜孔內(nèi)氣流的湍動能量也受到抑制。凹陷內(nèi)部低速穩(wěn)定的渦流避免了傳統(tǒng)方案中內(nèi)部通道流動在氣膜孔入口產(chǎn)生的流動分離、流動附著以及流動回流，因而克服了常規(guī)氣膜孔設(shè)置帶來的缺陷，因此本發(fā)明的凹陷-氣膜孔冷卻結(jié)構(gòu)具有更加優(yōu)秀的冷卻性能。特別是，當冷卻葉片的內(nèi)部通道內(nèi)流動與外部主流反向時，本發(fā)明中的氣膜孔內(nèi)的流動漩渦得到顯著抑制，氣膜孔內(nèi)流動明顯改善，從而顯著地提升氣膜冷卻性能。

以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一個較佳實施例的氣膜冷卻裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的一個較佳實施例的單個凹陷-氣膜孔結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的一個較佳實施例的多個凹陷-氣膜孔結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明的一個較佳實施例的凹陷-氣膜孔結(jié)構(gòu)的另一示意圖，其中多個氣膜孔位于一個凹陷處；

圖5是當冷卻葉片的內(nèi)部通道內(nèi)流動與外部主流同向時，本發(fā)明的氣膜孔內(nèi)氣流流動情況示意圖；

圖6是當冷卻葉片的內(nèi)部通道內(nèi)流動與外部主流同向時，現(xiàn)有的氣膜孔內(nèi)流動情況示意圖；

圖7是當冷卻葉片的內(nèi)部通道內(nèi)流動與外部主流反向時，本發(fā)明的氣膜孔內(nèi)氣流流動情況示意圖；

圖8是當冷卻葉片的內(nèi)部通道內(nèi)流動與外部主流反向時，現(xiàn)有的氣膜孔內(nèi)流動情況示意圖。

具體實施方式

如圖1～4所示，本發(fā)明的一個較佳實施例提供了一種氣膜冷卻裝置，包括冷卻葉片1、一個或多個凹陷2，以及一個或多個氣膜孔3，其中凹陷2設(shè)置在冷卻葉片1的內(nèi)壁11，氣膜孔貫穿冷卻葉片1，氣膜孔3具有入口，全部的氣膜孔3的入口位于凹陷2處；或者一部分氣膜孔3的入口位于凹陷2處，另一部分氣膜孔3的入口位于冷卻葉片1的內(nèi)壁面11上除凹陷2以外的區(qū)域；或者多個氣膜孔3位于一個凹陷2處。上述凹陷2和位于該凹陷2處的氣膜孔3構(gòu)成凹陷-氣膜孔冷卻結(jié)構(gòu)。

本實施例中，當氣膜孔3的入口位于凹陷2處時，單個入口的一部分位于凹陷2所在的壁面上，單個入口的另一部分位于冷卻葉片1的壁面上除凹陷2以外的區(qū)域(圖中未顯示)。

優(yōu)選地，當氣膜孔3的入口位于凹陷2處時，入口的全部位于凹陷2所在的壁面上。圖2和圖3顯示了單個氣膜孔3的入口的全部位于一個凹陷2所在的壁面的情況。圖4顯示了多個氣膜孔3的入口的全部位于一個凹陷2所在的壁面上。

凹陷2的形狀可以為半球形的一部分、帶有斜切的球形的一部分、或帶有邊緣倒圓的曲面或水滴形。在其它實施例中也可以根據(jù)需要設(shè)計凹陷2的形狀。

氣膜孔3還具有出口，出口位于冷卻葉片1的外壁12。氣膜孔3的出口可以是斜孔、扇形孔、圓柱形孔、棱柱形孔、棱錐形孔或圓錐形孔。在其它實施例中也可以根據(jù)需要設(shè)計氣膜孔3的出口的形狀。

氣膜孔3的中心線與冷卻葉片1的壁面的夾角為0～90°，優(yōu)選為30～60°。

本實施例的冷卻葉片1為渦輪葉片。

本實施例的氣膜冷卻裝置包括冷卻葉片1和單個凹陷-氣膜孔冷卻結(jié)構(gòu)(見圖2)或多個凹陷-氣膜孔冷卻結(jié)構(gòu)(見圖3)；或一個或多個的單個凹陷-多個氣膜孔冷卻結(jié)構(gòu)(見圖4)。圖中的箭頭4表示冷卻葉片外部壁面的氣流流動方向，箭頭5表示冷卻葉片的內(nèi)部氣流流動方向。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實施例的優(yōu)點在于，冷卻葉片1的內(nèi)部流道中的流體流過凹陷2時，會在凹陷2內(nèi)部形成穩(wěn)定的低速渦流，并在凹陷2內(nèi)部為氣膜孔3創(chuàng)造一個良好的入口流動條件，使得氣膜孔3內(nèi)的流動更加順暢，氣膜孔3內(nèi)氣流的湍動能量也受到抑制。凹陷2內(nèi)部低速穩(wěn)定的渦流避免了傳統(tǒng)方案中內(nèi)部通道流動在氣膜孔3入口產(chǎn)生的流動分離、流動附著以及流動回流，因而克服了常規(guī)氣膜孔3設(shè)置帶來的缺陷，因此本實施例的凹陷-氣膜孔冷卻結(jié)構(gòu)具有更加優(yōu)秀的冷卻性能。

具體地，如圖5所示，本實施例中，當冷卻葉片1的內(nèi)部通道內(nèi)流動與外部主流同向時，氣膜孔3內(nèi)流動順暢，因而氣膜冷卻性能更好。而現(xiàn)有技術(shù)中，如圖6所示，由于氣膜孔3入口處沒有設(shè)置凹陷結(jié)構(gòu)，氣膜孔3內(nèi)存在流動漩渦和回流，阻礙了氣膜出口流動，因而降低了氣膜冷卻性能。圖中的箭頭4表示冷卻葉片外部壁面的氣流流動方向，箭頭5表示冷卻葉片的內(nèi)部氣流流動方向。

如圖7所示，本實施例中，當冷卻葉片1的內(nèi)部通道內(nèi)流動與外部主流反向時，氣膜孔3內(nèi)的流動漩渦得到抑制，氣膜孔3內(nèi)流動順暢，氣膜冷卻性能更好。而現(xiàn)有技術(shù)中，如圖8所示，由于氣膜孔3入口處沒有設(shè)置凹陷結(jié)構(gòu)，氣膜孔3內(nèi)存在大范圍流動漩渦和回流，幾乎堵塞了氣膜出口流動，因而降低了氣膜冷卻性能。圖中的箭頭4表示冷卻葉片外部壁面的氣流流動方向，箭頭5表示冷卻葉片的內(nèi)部氣流流動方向。

以上詳細描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應(yīng)當理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。