本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的冷卻技術(shù)，具體地說，涉及一種用于渦輪葉片氣膜冷卻的邊倒圓孔結(jié)構(gòu)。

技術(shù)背景

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的快速發(fā)展，渦輪進(jìn)口溫度不斷提高，推重比10的一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度已達(dá)到1900K～2000K，這已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了渦輪葉片材料的耐熱極限。目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)中廣泛采用氣膜冷卻技術(shù)對(duì)渦輪葉片進(jìn)行冷卻。氣膜冷卻是應(yīng)用在燃?xì)廨啓C(jī)葉片上的冷卻技術(shù)，是指內(nèi)部冷卻空氣通過分散的孔或槽縫流出，在葉片表面附近形成溫度較低的冷氣膜，將壁面同高溫燃?xì)飧綦x，并帶走部分高溫燃?xì)饣蛎髁粱鹧鎸?duì)壁面的輻射熱量，從而起到良好的保護(hù)作用，以達(dá)到葉片不被高溫燃?xì)鉄龎牡哪康摹?/p>

目前，渦輪葉片上主要采用圓柱孔形，但是圓柱孔形的射流比較集中，形成的氣膜不能很好地覆蓋所有展向區(qū)域，而且大吹風(fēng)比下圓柱孔形射流容易沖出壁面不能形成有效的氣膜覆蓋。為了滿足日益提高的現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)性能要求，燃?xì)鉁囟炔粩嗌?，必須采用更高效的冷卻技術(shù)，因而在氣膜冷卻技術(shù)中采用圓柱形孔的不足就顯得越來越突出。

二十世紀(jì)70年代，國(guó)外學(xué)者首次發(fā)現(xiàn)在圓柱孔形的出口進(jìn)行擴(kuò)張?jiān)O(shè)計(jì)能增強(qiáng)氣膜冷卻效率，且隨吹風(fēng)比增大擴(kuò)張孔形冷卻效率降低相對(duì)較小，這是因?yàn)橐环矫娉隹跀U(kuò)張降低了氣膜孔出口射流垂直方向動(dòng)量分量，使得射流更不容易噴射滲透進(jìn)入主流，另一方面氣流流過擴(kuò)張?zhí)帟r(shí)出現(xiàn)科恩達(dá)效應(yīng)，使得氣流在拐角處能附于表面。從此之后，異形孔氣膜冷卻特性研究成為了氣膜冷卻技術(shù)研究的一個(gè)重要分支。很多不同形狀的異形孔形逐漸被提出并研究分析。專利US20020090295中提出的孔形是一種出口擴(kuò)張結(jié)構(gòu)，是在出口上游和下游分別進(jìn)行了擴(kuò)張，US20050042074中提出的也是類似結(jié)構(gòu)，并且在出口上游進(jìn)行了二次擴(kuò)張，截面呈現(xiàn)圓形形狀。它們雖然能夠改善冷卻效率，但加工難度較大、成本相對(duì)較高，因而目前并不能應(yīng)用于實(shí)際葉片。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了有效提高圓柱孔形的氣膜冷卻效率，并克服現(xiàn)有技術(shù)中異形孔加工困難、成本高的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種用于渦輪葉片氣膜冷卻的邊倒圓孔結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:包括壓力面氣膜孔、吸力面氣膜孔、葉片內(nèi)冷卻通道、傾斜圓柱孔，在葉片的壓力面上設(shè)有壓力面氣膜孔，在吸力面上設(shè)有吸力面氣膜孔，壓力面氣膜孔和吸力面氣膜孔的兩端分別形成氣流的出口和入口,且與內(nèi)冷卻通道相通,其特征在于所述傾斜圓柱孔在出口進(jìn)行邊倒圓擴(kuò)大成形，傾斜圓柱孔進(jìn)口截面為橢圓，出口截面為邊倒圓形成的大于進(jìn)口截面的橢圓，所述傾斜圓柱孔具有流向傾角α＝35°，不具有展向傾角，傾斜圓柱孔直徑為D＝0.5～2mm，邊倒圓半徑R與流向傾斜圓柱孔直徑D之比取值范圍為R/D＝0.11～0.33。

所述傾斜圓柱孔流向傾角與邊倒圓擴(kuò)大成形后流向傾角相同。

有益效果

本發(fā)明用于渦輪葉片氣膜冷卻的邊倒圓孔結(jié)構(gòu)，通過對(duì)單孔徑傾斜圓柱孔在出口進(jìn)行邊倒圓擴(kuò)大成形，傾斜圓柱孔進(jìn)口截面為橢圓，出口截面為邊倒圓形成的大于進(jìn)口截面的橢圓。渦輪葉片上的氣膜孔中心線與葉片表面之間的夾角為35°，邊倒圓的半徑R與傾斜圓柱孔直徑D之比取值范圍為R/D＝0.11～0.33。

本發(fā)明用于渦輪葉片氣膜冷卻的邊倒圓孔結(jié)構(gòu)，冷氣射流在孔出口流動(dòng)均勻，且噴出的冷氣沿著展向覆蓋面積較寬，冷氣核心更靠近壁面，在不同動(dòng)量比或吹風(fēng)比下都有較好的冷卻效果，而且流動(dòng)損失小、換熱系數(shù)低。渦輪葉片氣膜冷卻的邊倒圓孔結(jié)構(gòu)具有加工簡(jiǎn)單便捷，成本較低的特點(diǎn)。利用邊倒圓孔結(jié)構(gòu)的適用性，可提高氣膜冷卻效率，提高渦輪葉片工作可靠性及壽命。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明一種用于渦輪葉片氣膜冷卻的邊倒圓孔結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

圖1為本發(fā)明用于渦輪葉片氣膜冷卻的邊倒圓孔結(jié)構(gòu)在葉片上位置示意圖。

圖2為本發(fā)明的氣膜孔結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的氣膜孔結(jié)構(gòu)主視圖。

圖4為本發(fā)明的氣膜孔結(jié)構(gòu)俯視圖。

圖中:

1.壓力面氣膜孔 2.吸力面氣膜孔 3.葉片內(nèi)冷卻通道 4.傾斜圓柱孔

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例是一種用于渦輪葉片氣膜冷卻的邊倒圓孔結(jié)構(gòu)。

研究發(fā)現(xiàn)，影響氣膜冷卻效率的是氣膜孔出口下游的對(duì)轉(zhuǎn)渦對(duì)，對(duì)轉(zhuǎn)渦對(duì)有兩個(gè)形成原因:一是氣膜孔中的流向渦，二是主流與射流的速度不匹配引起的剪切效應(yīng)。一方面渦對(duì)在垂直方向上把射流抬升，脫離表面，使得氣膜的覆蓋效果變差，另一方面渦對(duì)把熱的主流從氣膜兩側(cè)帶到氣膜的下面，降低氣膜冷卻效率。邊倒圓孔內(nèi)流動(dòng)較均勻，出口渦強(qiáng)度更低，導(dǎo)致主流通道中對(duì)轉(zhuǎn)渦對(duì)強(qiáng)度更小，邊倒圓孔的擴(kuò)張作用使得二次流法向動(dòng)量降低，展向動(dòng)量變大，氣膜更貼近壁面且覆蓋面積更大，提高了氣膜冷卻效率。此外，邊倒圓孔還具有流動(dòng)損失小，換熱系數(shù)低的特點(diǎn)。

參閱圖1～圖4，本實(shí)施例用于渦輪葉片氣膜冷卻的邊倒圓孔結(jié)構(gòu)，由壓力面氣膜孔1、吸力面氣膜孔2、葉片內(nèi)冷卻通道3、傾斜圓柱孔4組成，在葉片的壓力面上設(shè)有壓力面氣膜孔1，在吸力面上設(shè)有吸力面氣膜孔2，壓力面氣膜孔1和吸力面氣膜孔2的兩端分別形成氣流的出口和入口，且與葉片內(nèi)冷卻通道3內(nèi)冷卻通道相通；其中,傾斜圓柱孔4在出口進(jìn)行邊倒圓擴(kuò)大成形，傾斜圓柱孔4進(jìn)口截面為橢圓，出口截面為邊倒圓形成的大于進(jìn)口截面的橢圓，傾斜圓柱孔4流向傾角與邊倒圓擴(kuò)大成形后流向傾角相同。傾斜圓柱孔4具有流向傾角α＝35°，不具有展向傾角，傾斜圓柱孔直徑為D＝0.5～2mm，邊倒圓半徑R與流向傾斜圓柱孔直徑D之比取值范圍為R/D＝0.11～0.33。

實(shí)施例一

本實(shí)施例是應(yīng)用于某型渦輪葉片上的氣膜冷卻的邊倒圓孔結(jié)構(gòu)，在葉片的壓力面上設(shè)置有壓力面氣膜孔1，在葉片的吸力面上設(shè)有吸力面氣膜孔2，壓力面氣膜孔1和吸力面氣膜孔2的兩端分別形成氣流的出口和入口,且與葉片內(nèi)冷卻通道3相通供氣；其中,流向傾斜圓柱孔4在出口進(jìn)行邊倒圓擴(kuò)大成形，傾斜圓柱孔4進(jìn)口截面為橢圓，出口截面為邊倒圓形成的大于進(jìn)口截面的橢圓。傾斜圓柱孔4流向傾角為α，傾斜圓柱孔直徑為D，邊倒圓半徑為R。

傾斜圓柱孔4具有流向傾角α＝35°,不具有展向傾角，其直徑D＝1mm，以傾斜圓柱孔4的出口中心為原點(diǎn)，流向?yàn)閄軸向，展向?yàn)閆軸向；在Y軸向上，圓柱的高度H＝3D＝3mm，其外輪廓長(zhǎng)L＝5.23mm。邊倒圓的半徑R＝0.11D＝0.11mm，在孔形的剖視圖中，孔前緣小段圓弧的半徑為0.11mm。本實(shí)施例為邊倒圓半徑最小的實(shí)例，所以孔出口截面擴(kuò)張最小，出口截面面積為圓柱孔出口面積的1.4倍。

實(shí)施例二

本實(shí)施例是應(yīng)用于某型渦輪葉片上的氣膜冷卻的邊倒圓孔結(jié)構(gòu)，在葉片的壓力面上設(shè)置有壓力面氣膜孔1，在葉片的吸力面上設(shè)有吸力面氣膜孔2，壓力面氣膜孔1和吸力面氣膜孔2的兩端分別形成氣流的出口和入口,且與葉片內(nèi)冷卻通道3相通供氣；其中,流向傾斜圓柱孔4在出口進(jìn)行邊倒圓擴(kuò)大成形，傾斜圓柱孔4進(jìn)口截面為橢圓，出口截面為邊倒圓形成的大于進(jìn)口截面的橢圓。傾斜圓柱孔4流向傾角為α，傾斜圓柱孔直徑為D，邊倒圓半徑為R。

傾斜圓柱孔4具有流向傾角α＝35°,不具有展向傾角，其直徑D＝1mm，以傾斜圓柱孔4的出口中心為原點(diǎn)，流向?yàn)閄軸向，展向?yàn)閆軸向；在Y軸向上，圓柱的高度H＝3D＝3mm，其外輪廓長(zhǎng)L＝5.23mm。邊倒圓的半徑R＝0.22D＝0.22mm，在孔形的剖視圖中，孔前緣小段圓弧的半徑為0.22mm。本實(shí)施例中，孔出口截面面積為圓柱孔出口面積的2倍。

實(shí)施例三

本實(shí)施例是應(yīng)用于某型渦輪葉片上的氣膜冷卻的邊倒圓孔結(jié)構(gòu)，在葉片的壓力面上設(shè)置有壓力面氣膜孔1，在葉片的吸力面上設(shè)有吸力面氣膜孔2，壓力面氣膜孔1和吸力面氣膜孔2的兩端分別形成氣流的出口和入口,且與葉片內(nèi)冷卻通道3相通供氣；其中,流向傾斜圓柱孔4在出口進(jìn)行邊倒圓擴(kuò)大成形，傾斜圓柱孔4進(jìn)口截面為橢圓，出口截面為邊倒圓形成的大于進(jìn)口截面的橢圓。傾斜圓柱孔4流向傾角為α，傾斜圓柱孔直徑為D，邊倒圓半徑為R。

傾斜圓柱孔4具有流向傾角α＝35°,不具有展向傾角，其直徑D＝1mm，以傾斜圓柱孔4的出口中心為原點(diǎn)，流向?yàn)閄軸向，展向?yàn)閆軸向；在Y軸向上，圓柱的高度H＝3D＝3mm，其外輪廓長(zhǎng)L＝5.23mm。邊倒圓的半徑R＝0.33D＝0.33mm，在孔形的剖視圖中，孔前緣小段圓弧的半徑為0.33mm。本實(shí)施例為邊倒圓半徑最大的實(shí)例，所以孔出口截面擴(kuò)張最大，出口截面面積為圓柱孔出口面積的2.6倍。

本實(shí)施例以及實(shí)施例一、實(shí)施例二兩個(gè)實(shí)施例都具有較好的冷卻性能。研究發(fā)現(xiàn)，邊倒圓的半徑并非越大越好，而是存在一個(gè)最優(yōu)值。利用邊倒圓孔結(jié)構(gòu)的適用性，使氣膜孔質(zhì)量流量穩(wěn)定，必然導(dǎo)致出口氣膜覆蓋較穩(wěn)定，對(duì)提高壁面氣膜冷卻效率，提高渦輪葉片工作可靠性及壽命非常有益。