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一种利用记忆 合金提高气膜冷却效率的结构

阅读：159发布：2020-05-22

专利汇可以提供一种利用记忆合金提高气膜冷却效率的结构专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种利用记忆合金提高气膜冷却效率的结构，包括冷气通道及主流通道，在所述主流通道与所述冷气通道之间设有气膜孔，冷却气流通过所述冷气通道和所述气膜孔进入所述主流通道，并在所述气膜孔下游形成冷气膜；在所述气膜孔下游开设有开槽，记忆合金固定于所述开槽内形成可调鼓包；所述可调鼓包受热形成鼓包曲面，在冷却时为平坦形状。本发明利用记忆合金的曲面自适应调节功能调控气膜近壁区流场，抑制气膜边界层分离，改善气膜的贴壁性。该结构具有加工简单，成本较低的优点，可提高燃气涡轮热端部件工作可靠性及寿命。，下面是一种利用记忆合金提高气膜冷却效率的结构专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种利用记忆合金提高气膜冷却效率的结构，包括冷气通道及主流通道，在所述主流通道与所述冷气通道之间设有气膜孔，冷却气流通过所述冷气通道和所述气膜孔进入所述主流通道，并在所述气膜孔下游形成冷气膜；其特征在于：在所述气膜孔下游开设有开槽，记忆合金固定于所述开槽内形成可调鼓包；所述可调鼓包受热形成鼓包曲面，在冷却时为平坦形状。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：在平坦形状下，所述可调鼓包的鼓包厚与气膜孔径比为0.2～0.5，所述可调鼓包沿主流方向的长度与气膜孔径比为2～3。
3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述气膜孔径为0.6～1.2mm，所述气膜孔倾斜角为20～50°，所述气膜孔长度与孔径比为3～6。
4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述可调鼓包的鼓包的变形尺寸δ随温度的变化规律为：
式中，Tmax为主流温度，δmax为鼓包最大允许变形尺寸，Ts为壁面设计温度，T为鼓包平均温度，δmax为0.5～1.5mm。
5.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述的气膜孔直径为D＝1mm，倾斜角为
30°，长径比为3，主流通道长为50D，纵向截面尺寸为3D×8D，冷却流通道长50D，纵向截面尺寸为3D×5D；
所述的工质为理想可压缩气体，主流温度1500K，主流入口马赫数0.7，主流湍流强度
4％，主流边界层厚度0.1D，主流湍流长度尺度为0.04D，主流速度符合湍流1/7幂分布规则；
二次流温度600K，吹风比为1.5，二次流湍流强度4％，二次流湍流尺度为0.1D；
所述可调鼓包在平坦形状下鼓包厚与气膜孔径比为0.2，沿主流向长度与气膜孔径比为2；所述可调鼓包的鼓包变形尺寸δ随温度的变化规律为：
式中，T为鼓包平均温度，δmax为鼓包最大允许变形尺寸，δmax＝0.5～1.5mm。
6.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述的气膜孔为扇形气膜孔，直径为D＝
1mm，倾斜角为30°，展向扩展角6°，长径比为6，扩展段长径比为4。主流通道长为50D，纵向截面尺寸为3D×8D，冷却流通道长50D，纵向截面尺寸为3D×5D；
所述的工质为理想可压缩气体，主流温度2000K，主流入口马赫数0.5，主流湍流强度
4％，主流边界层厚度0.1D，主流湍流长度尺度为0.04D，主流速度符合湍流1/7幂分布规则；
二次流温度1000K，吹风比为3.0，二次流湍流强度4％，二次流湍流尺度为0.1D；
所述可调鼓包在平坦形状下鼓包厚与气膜孔径比为0.3，鼓包沿主流方向长度与气膜孔径比为3；所述可调鼓包的鼓包变形尺寸δ随温度的变化规律为：
式中，T为鼓包平均温度，δmax为鼓包最大允许变形尺寸，δmax＝0.5～1.5mm。
7.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述开槽为矩形槽。

说明书全文

一种利用记忆合金提高气膜冷却效率的结构

技术领域

[0001] 本发明涉及气膜冷却领域，具体涉及一种利用记忆合金提高气膜冷却效率的结构。

背景技术

[0002] 在航空燃气涡轮发动机和燃气轮机的发展过程中，为提高其循环效率，压气机的增压比和涡轮进口燃气温度不断被提高。目前，推重比为10的发动机压气机增压比已达到30，涡轮进口燃气温度接近2000K。因此必须使用有效的冷却措施对燃气涡轮热端部件进行保护，避免受到高温腐蚀和损伤。气膜冷却是叶片使用的典型冷却方式，低温气体通过离散气膜孔进入主流通道，在气膜孔出口下游壁面处形成一层连续的气膜，将壁面与高温气体隔离，同时带走部分高温气体对壁面的加热量，从而达到冷却壁面的效果。相较于内部冷却方式，气膜冷却性能的提高对冷却结构总体冷却效果的提升具有主导作用。

[0003] 吹风比是气膜冷却运行的重要参数。在高吹风比下，气膜射流具有较高的穿透动量，会在气膜孔下游发生流动分离，形成局部热区，对气膜冷却有效性构成威胁。如何有效的抑制高吹风比下的气膜边界层分离是值得研究的重要方向。记忆合金是一种原子排列很有规则、体积变为小于0.5％的马氏体相变合金。这种合金在外力作用下会产生变形，当把外力去掉，在一定的温度条件下，能恢复原来的形状。记忆合金具有无磁性、耐磨耐蚀、无毒性的优点。

发明内容

[0004] 发明目的：本发明公开的是一种利用记忆合金提高气膜冷却效率的结构，用以抑制高吹风比下气膜孔下游边界层的分离，降低气膜掺混损失，改善气膜冷却性能。

[0005] 技术方案：

[0006] 一种利用记忆合金提高气膜冷却效率的结构，包括冷气通道及主流通道，在所述主流通道与所述冷气通道之间设有气膜孔，冷却气流通过所述冷气通道和所述气膜孔进入所述主流通道，并在所述气膜孔下游形成冷气膜；在所述气膜孔下游开设有开槽，记忆合金固定于所述开槽内形成可调鼓包；所述可调鼓包受热形成鼓包曲面，在冷却时为平坦形状。

[0007] 在平坦形状下，所述可调鼓包的鼓包厚与气膜孔径比为0.2～0.5，所述可调鼓包沿主流方向的长度与气膜孔径比为2～3。

[0008] 所述气膜孔径为0.6～1.2mm，所述气膜孔倾斜角为20～50°，所述气膜孔长度与孔径比为3～6。

[0009] 所述可调鼓包的鼓包的变形尺寸δ随温度的变化规律为：

[0010]

[0011] 式中，Tmax为主流温度，δmax为鼓包最大允许变形尺寸，Ts为壁面设计温度，T为鼓包平均温度，δmax为0.5～1.5mm。

[0012] 所述的气膜孔直径为D＝1mm，倾斜角为30°，长径比为3，主流通道长为50D，纵向截面尺寸为3D×8D，冷却流通道长50D，纵向截面尺寸为3D×5D；

[0013] 所述的工质为理想可压缩气体，主流温度1500K，主流入口马赫数0.7，主流湍流强度4％，主流边界层厚度0.1D，主流湍流长度尺度为0.04D，主流速度符合湍流1/7幂分布规则；二次流温度600K，吹风比为1.5，二次流湍流强度4％，二次流湍流尺度为0.1D；

[0014] 所述可调鼓包在平坦形状下鼓包厚与气膜孔径比为0.2，沿主流向长度与气膜孔径比为2；所述可调鼓包的鼓包变形尺寸δ随温度的变化规律为：

[0015]

[0016] 式中，T为鼓包平均温度，δmax为鼓包最大允许变形尺寸，δmax＝0.5～1.5mm。

[0017] 所述的气膜孔为扇形气膜孔，直径为D＝1mm，倾斜角为30°，展向扩展角6°，长径比为6，扩展段长径比为4。主流通道长为50D，纵向截面尺寸为3D×8D，冷却流通道长50D，纵向截面尺寸为3D×5D；

[0018] 所述的工质为理想可压缩气体，主流温度2000K，主流入口马赫数0.5，主流湍流强度4％，主流边界层厚度0.1D，主流湍流长度尺度为0.04D，主流速度符合湍流1/7幂分布规则；二次流温度1000K，吹风比为3.0，二次流湍流强度4％，二次流湍流尺度为0.1D；

[0019] 所述可调鼓包在平坦形状下鼓包厚与气膜孔径比为0.3，鼓包沿主流方向长度与气膜孔径比为3；所述可调鼓包的鼓包变形尺寸δ随温度的变化规律为：

[0020]

[0021] 式中，T为鼓包平均温度，δmax为鼓包最大允许变形尺寸，δmax＝0.5～1.5mm。

[0022] 所述开槽为矩形槽。

[0023] 有益效果：本发明利用记忆合金的曲面自适应调节功能调控气膜近壁区流场，通过使用本发明的可调鼓包，可以有效缩减气膜分离区域，分离泡尺寸明显降低，有效地抑制气膜边界层分离，改善气膜的贴壁性。该结构具有加工简单，成本较低的优点，可提高燃气涡轮热端部件工作可靠性及寿命。附图说明

[0024] 图1为本发明一种利用记忆合金提高气膜冷却效率的结构示意图。

[0025] 图2为本发明实施例一的结构示意图；其中(a)为主视图，(b)为俯视图。

[0026] 图3为本发明实施例二中扇形气膜孔结构示意图；其中，(a)为扇形气膜孔的结构示意图，(b)为实施例二的结构示意图。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

[0028] 本发明的一种利用记忆合金提高气膜冷却效率的结构包括冷气通道3及主流通道1，在所述主流通道1与所述冷气通道3之间设有气膜孔4，冷却气流通过所述冷气通道3和所述气膜孔4进入所述主流通道1，并在所述气膜孔4下游形成冷气膜；在所述气膜孔4出口下游设有记忆合金作为可调鼓包2，所述可调鼓包2可根据表面温度进行自适应调节；对于高动量冷气射流，气膜孔下游的分离泡会使得壁面直接与高温燃气接触(壁面温度高于设计温度)，此时记忆合金受热，所述可调鼓包2形成的鼓包曲面；对于低动量冷却射流，气膜具有较好的覆盖能力(壁面温度低于或等于设计温度)，此时所述可调鼓包2为平坦形状。

[0029] 在本发明中，在气膜孔下游开设矩形槽，记忆合金固定于矩形槽内形成所述可调鼓包2，在平坦形状下，所述可调鼓包的鼓包厚与气膜孔径比为0.2～0.5，所述可调鼓包2沿主流方向的长度与气膜孔径比为2～3。

[0030] 在本发明中，气膜孔径为0.6～1.2mm，气膜孔倾斜角为20～50°，气膜孔长度与孔径比为3～6。

[0031] 在本发明中，所述可调鼓包2的鼓包的变形尺寸δ随温度的变化规律为：

[0032]

[0033] 式中，Tmax为主流温度，δmax为鼓包最大允许变形尺寸，Ts为壁面设计温度，T为鼓包平均温度，δmax为0.5～1.5mm。

[0034] 实施例一：

[0035] 本实施例是一种利用记忆合金提高气膜冷却效率的结构。所述的气膜孔直径为D＝1mm，倾斜角为30°，长径比为3，主流通道长为50D，纵向截面尺寸为3D×8D，冷却流通道长50D，纵向截面尺寸为3D×5D。

[0036] 所述的工质为理想可压缩气体，主流温度1500K，主流入口马赫数0.7，主流湍流强度4％，主流边界层厚度0.1D，主流湍流长度尺度为0.04D，主流速度符合湍流1/7幂分布规则；二次流温度600K，二次流湍流强度4％，二次流湍流尺度为0.1D。定义吹风比为：

[0037]

[0038] 式中，ρc、uc为二次流的密度和速度，ρ∞、u∞为主流的密度和速度。本例中，吹风比为1.5。

[0039] 所述可调鼓包2在平坦形状下鼓包厚与气膜孔径比为0.2，沿主流向长度与气膜孔径比为2。所述可调鼓包2的鼓包变形尺寸δ随温度的变化规律为：

[0040]

[0041] 式中，T为鼓包平均温度，δmax为鼓包最大允许变形尺寸，δmax＝0.5～1.5mm。

[0042] 通过商业软件Ansys Fluent计算求解流场和温度场。可调鼓包使用前，流向距离/气膜孔径在0.5～2.5之间区域出现流动分离；鼓包使用后，气膜分离区缩减至0.5～1.2(流向距离/气膜孔径)，分离泡尺寸明显降低，气膜贴壁性改善明显。表1为可调鼓包使用前后展向平均冷却效率的对比，在流向距离/气膜孔径＝2.0的位置，气膜冷却效率提升了226.32％，在流向距离/气膜孔径＝12.0的位置，气膜冷却效率提升了4.48％。

[0043] 表1实施例1中可调鼓包使用前后冷却效率对比

[0044]

[0045]

[0046] 实施例二：

[0047] 本实施例是一种利用记忆合金提高气膜冷却效率的结构。所述的气膜孔为扇形气膜孔，如图3所示，直径为D＝1mm，倾斜角为30°，展向扩展角6°，长径比为6，扩展段长径比为4。主流通道长为50D，纵向截面尺寸为3D×8D，冷却流通道长50D，纵向截面尺寸为3D×5D。

[0048] 所述的工质为理想可压缩气体，主流温度2000K，主流入口马赫数0.5，主流湍流强度4％，主流边界层厚度0.1D，主流湍流长度尺度为0.04D，主流速度符合湍流1/7幂分布规则；二次流温度1000K，二次流湍流强度4％，二次流湍流尺度为0.1D。在本例中，吹风比为3.0。

[0049] 所述可调鼓包(图中未示出)在平坦形状下鼓包厚与气膜孔径比为0.3，鼓包沿主流方向长度与气膜孔径比为3。所述可调鼓包的鼓包变形尺寸δ随温度的变化规律为：

[0050]

[0051] 式中，T为鼓包平均温度，δmax为鼓包最大允许变形尺寸，δmax＝0.5～1.5mm。

[0052] 通过商业软件Ansys Fluent计算求解流场和温度场。可调鼓包使用前，流向距离/气膜孔径在0.5～1.3之间区域出现流动分离；鼓包使用后，气膜分离区消失，气膜贴壁性改善明显。表2为可调鼓包使用前后展向平均冷却效率的对比，在流向距离/气膜孔径＝2.0的位置，气膜冷却效率提升了29.56％，在流向距离/气膜孔径＝12.0的位置，气膜冷却效率提升了0.92％。

[0053] 表2实施例2中可调鼓包使用前后冷却效率对比

[0054]

[0055]

[0056] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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