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的側(cè)向氣膜壁冷結(jié)構(gòu)。

技術(shù)背景

燃?xì)廨啓C(jī)廣泛應(yīng)用于航空器推進(jìn)器，陸用、船用發(fā)電等各種工業(yè)用途。提高轉(zhuǎn)子進(jìn)口溫度是改善燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)特性的關(guān)鍵技術(shù)，先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)口溫度遠(yuǎn)比葉片材料的熔點(diǎn)高，因此渦輪葉片中需要先進(jìn)的冷卻技術(shù)。目前，渦輪葉片冷卻中廣泛采用沖擊冷卻、內(nèi)部對流冷卻和氣膜冷卻等冷卻方式。沖擊冷卻是指低溫氣體通過沖擊孔對葉片內(nèi)部表面進(jìn)行射流沖擊。冷卻氣流沖擊駐點(diǎn)區(qū)壁面上有很高的換熱系數(shù)，因此可利用這種冷卻方式進(jìn)行重點(diǎn)冷卻。內(nèi)部對流冷卻是指在葉片內(nèi)部冷卻氣流經(jīng)葉片內(nèi)腔，通過對流換熱吸收熱量，從而達(dá)到降低葉片溫度的目的。氣膜冷卻是指冷卻氣通過氣膜孔流出，在葉片表面形成溫度較低的冷氣膜將壁面與高溫燃?xì)飧綦x，帶走燃?xì)獾臒崃?，從而起到對葉片的保護(hù)作用。

目前，渦輪葉片氣膜冷卻中主要采用圓柱型氣膜孔，上世紀(jì)八十年代，國外學(xué)者(Goldstein,R.J.,Eckert,E.R.G.,and Burggraf,F.1974,“Effects of Hole Geometry and Density on Three-Dimensional Film Cooling,”Int.Journal of Heat&Mass Transfer,Vol.17,pp.595-607.)對圓柱型氣膜孔內(nèi)渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)冷卻氣體從供氣腔進(jìn)入氣膜孔時(shí)發(fā)生較大的氣流轉(zhuǎn)向，在氣膜孔進(jìn)口處氣體彎管效應(yīng)明顯，在氣膜孔內(nèi)會(huì)形成較強(qiáng)的分離渦，從而影響氣膜出流后的冷卻效率。

沖擊冷卻，內(nèi)部冷卻和氣膜冷卻通常在渦輪葉片中分別應(yīng)用，葉片前緣等需要較強(qiáng)冷卻的位置應(yīng)用沖擊冷卻方式，葉片內(nèi)部設(shè)置帶繞流注的內(nèi)冷通道，葉片壓力面及吸力面應(yīng)用氣膜冷卻。發(fā)明專利201410300743.0中公開了“一種應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)的沖擊冷卻結(jié)構(gòu)”，通過布置與待冷卻壁面相對的沖擊襯套形成沖擊通道，在沖擊通道內(nèi)設(shè)置氣體回流口與導(dǎo)出區(qū)域，減少了橫流作用，進(jìn)而提高冷卻效果。發(fā)明專利201510187277.4中公開了“一種箭頭型的氣膜冷卻孔”，通過改變氣膜孔型面，進(jìn)而影響氣體在氣膜孔內(nèi)及流出孔后的發(fā)展，從而提高氣膜冷卻效果。然而這些改進(jìn)結(jié)構(gòu)中，冷卻氣通常只經(jīng)過一次利用即與主流燃?xì)鈸交?，利用率較低；且氣膜孔進(jìn)氣方式基本相同，孔內(nèi)渦結(jié)構(gòu)無明顯改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了避免現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，充分利用冷卻氣，提高渦輪葉片綜合冷卻效率，本發(fā)明提出一種用于渦輪葉片的側(cè)向氣膜壁冷結(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:包括沖擊冷卻孔、壁冷腔、氣膜冷卻孔，渦輪葉片壁厚為H，其特征在于所述壁冷腔位于渦輪葉片壁內(nèi)部；壁冷腔高度H_i的取值范圍為0.4～0.6H，壁冷腔寬度W的取值范圍為3～5mm；

所述沖擊冷卻孔位于渦輪葉片內(nèi)冷卻通道與壁冷腔底面處,且沖擊冷卻孔垂直于冷氣側(cè)葉片壁面與壁冷腔相連通；沖擊冷卻孔直徑D_i的取值范圍為0.2～0.3mm，沖擊冷卻孔長度L_i的取值范圍為0.2～0.3H，兩排沖擊冷卻孔間距為1/3W；

所述氣膜冷卻孔位于壁冷腔側(cè)壁面與冷氣側(cè)葉片壁面處,氣膜冷卻孔入口設(shè)置在壁冷腔側(cè)壁面上且與壁冷腔相連通,入口中心位置沿壁冷腔高度取值范圍為0.3～0.7H_i，氣膜冷卻孔直徑D_f的取值范圍為0.2～0.3mm，氣膜冷卻孔流向傾角θ的取值范圍為20～60°。

所述沖擊冷卻孔與所述氣膜冷卻孔沿葉片展向間距相同。

有益效果

本發(fā)明提出的一種用于渦輪葉片的側(cè)向氣膜壁冷結(jié)構(gòu),相對于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于:

(1)氣膜冷卻孔位于壁冷腔側(cè)壁面，氣膜孔進(jìn)氣方式的改變使得冷卻氣流在氣膜孔內(nèi)靠近氣膜孔下壁面，使得氣膜出流后更容易貼附壁面，氣膜冷卻效率大大提升。

(2)由于沖擊、內(nèi)冷、氣膜三種冷卻方式逐級分開的設(shè)計(jì)方法，冷卻氣體被充分利用，提高了渦輪葉片的綜合冷卻效率，具有較好的冷卻效果。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對本發(fā)明一種用于渦輪葉片的側(cè)向氣膜壁冷結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1為本發(fā)明用于渦輪葉片的側(cè)向氣膜壁冷結(jié)構(gòu)軸測圖。

圖2為本發(fā)明用于渦輪葉片的側(cè)向氣膜壁冷結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明用于渦輪葉片的側(cè)向氣膜壁冷結(jié)構(gòu)俯視圖。

圖中

1.冷氣側(cè)葉片壁面 2.燃?xì)鈧?cè)葉片壁面 3.沖擊冷卻孔 4.壁冷腔 5.壁冷腔內(nèi)壁面 6.壁冷腔側(cè)壁面 7.壁冷腔底面 8.氣膜冷卻孔

A.主流燃?xì)?B.冷卻氣流 C.沖擊冷卻氣 D.對流換熱冷卻氣 E.冷卻氣膜 D_i.沖擊孔直徑 L_i.沖擊孔長度 H_i.壁冷腔高度 W.壁冷腔寬度 D_f.氣膜孔直徑 θ.氣膜孔流向傾角 S.氣膜孔展向間距 H.渦輪葉片厚度

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例是一種用于渦輪葉片的側(cè)向氣膜壁冷結(jié)構(gòu)。

側(cè)向氣膜壁冷結(jié)構(gòu)位于渦輪葉片壁面內(nèi)部，渦輪葉片厚度為H，在渦輪葉片中部設(shè)置壁冷腔4；在沖擊腔底面7垂直于渦輪葉片壁面冷氣側(cè)1沿葉高方向設(shè)置沖擊冷卻孔3與壁冷腔4相連通；在壁冷腔側(cè)壁面6上設(shè)置氣膜冷卻孔8，由沖擊冷卻孔3、壁冷腔4以及氣膜冷卻孔8組合形成側(cè)向氣膜壁冷結(jié)構(gòu)。其中，壁冷腔高度為H_i，壁冷腔寬度為W。沖擊孔孔徑為D_i，沖擊孔長度為L_i，兩排沖擊孔間距為1/3W，位于沖擊腔底面7中部。氣膜冷卻孔直徑為D_f，氣膜孔流向傾角為θ。沖擊冷卻孔與氣膜冷卻孔沿葉片展向間距相同，同為S。

冷卻氣流B沿著沖擊冷卻孔3從渦輪葉片內(nèi)冷通道流入壁冷腔4，沖擊到壁冷腔上壁面，在壁冷腔內(nèi)部形成沖擊冷卻。經(jīng)過沖擊換熱后，沖擊冷卻氣C流經(jīng)位于壁冷腔側(cè)壁面6處的氣膜冷卻孔8，在氣膜孔內(nèi)部，冷卻氣流與氣膜孔壁面形成內(nèi)部對流冷卻。對流換熱冷卻氣D流出氣膜孔后與主流燃?xì)釧相互作用，在渦輪葉片表面形成冷卻氣膜。側(cè)向氣膜冷卻孔位于壁冷腔側(cè)壁面，冷卻氣流的進(jìn)氣方式與傳統(tǒng)氣膜冷卻相比有較大改變，冷卻氣流經(jīng)偏轉(zhuǎn)后于氣膜孔上壁面處形成分離渦，冷氣集中靠近下壁面，冷氣流出氣膜孔后在主流壁面上貼附能力較強(qiáng)，氣膜冷卻效率有較大提高。冷卻氣經(jīng)由沖擊、內(nèi)冷、氣膜三種冷卻逐級分開的設(shè)計(jì)方法，冷卻氣經(jīng)過多次換熱，冷卻氣體被充分利用，提高了渦輪葉片的綜合冷卻效率，具有較好的冷卻效果。

參閱圖1、圖2、圖3，本實(shí)施例用于渦輪葉片的側(cè)向氣膜壁冷結(jié)構(gòu)由沖擊冷卻孔3、壁冷腔4、氣膜冷卻孔8組成，渦輪葉片壁厚為H。壁冷腔4位于渦輪葉片壁內(nèi)部；壁冷腔高度H_i的取值范圍為0.4～0.6H，壁冷腔寬度W的取值范圍為3～5mm。沖擊冷卻孔3位于渦輪葉片內(nèi)冷卻通道與壁冷腔底面7處,且沖擊冷卻孔垂直于冷氣側(cè)葉片壁面與壁冷腔4相連通；沖擊冷卻孔直徑D_i的取值范圍為0.2～0.3mm，沖擊冷卻孔長度L_i的取值范圍為0.2～0.3H，兩排沖擊冷卻孔間距為1/3W。氣膜冷卻孔8位于壁冷腔側(cè)壁面6與冷氣側(cè)葉片壁面1處,氣膜冷卻孔8入口設(shè)置在壁冷腔側(cè)壁面上且與壁冷腔4相連通,入口中心位置沿壁冷腔高度取值范圍為0.3～0.7H_i，氣膜冷卻孔直徑D_f的取值范圍為0.2～0.3mm，氣膜冷卻孔流向傾角θ的取值范圍為20～60°。沖擊冷卻孔3與所述氣膜冷卻孔8沿葉片展向間距相同。

實(shí)施例一

本實(shí)施例是應(yīng)用于某型渦輪葉片上的側(cè)向氣膜壁冷結(jié)構(gòu)。由沖擊冷卻孔3、壁冷腔4和側(cè)向氣膜冷卻孔8共同組合形成，沖擊冷卻孔3位于渦輪葉片內(nèi)冷卻通道與壁冷腔底面7處,且沖擊冷卻孔垂直于冷氣側(cè)葉片壁面與壁冷腔4相連通。氣膜冷卻孔8位于壁冷腔側(cè)壁面6與冷氣側(cè)葉片壁面1處,氣膜冷卻孔8入口設(shè)置在壁冷腔側(cè)壁面上且與壁冷腔4相連通,由壁冷腔4供氣。

其中，渦輪葉片壁厚為H為4mm，壁冷腔4位于渦輪葉片壁內(nèi)部，壁冷腔高度H_i為0.5H，壁冷腔寬度W為4mm。沖擊冷卻孔3連接渦輪葉片內(nèi)冷供氣腔與壁冷腔，直徑D_i為0.25mm，沖擊孔長度L_i為0.25H。氣膜冷卻孔入口位于壁冷腔側(cè)壁面上，入口中心位于壁冷腔高度0.3H_i處。氣膜冷卻孔直徑D_f為0.25mm，氣膜冷卻孔流向傾角θ為30°。應(yīng)用實(shí)例中，氣膜冷卻孔8及沖擊冷卻孔3直徑均為0.25mm，在渦輪葉片冷卻孔直徑取值范圍內(nèi)屬常規(guī)取值范圍，壁冷腔高度及寬度適中，沖擊冷卻效果良好。氣膜孔入口中心位置在壁冷腔側(cè)壁靠近冷氣側(cè)，有部分冷氣未經(jīng)沖擊即進(jìn)入氣膜冷卻孔8，造成沖擊冷卻效率有所降低。氣膜冷卻孔8內(nèi)流體流向偏轉(zhuǎn)較小，孔內(nèi)渦結(jié)構(gòu)較弱，出口氣膜貼附性較強(qiáng)，氣膜冷卻效率有提升。

實(shí)施例二

本實(shí)施例是應(yīng)用于某型渦輪葉片上的側(cè)向氣膜壁冷結(jié)構(gòu)。在靠近渦輪葉片內(nèi)冷卻通道一側(cè)布置沖擊冷卻孔3。渦輪葉片壁面內(nèi)部布置壁冷腔4，由沖擊冷卻孔3供氣。在壁冷腔側(cè)壁面6布置氣膜冷卻孔8，由壁冷腔4供氣。由沖擊冷卻孔3、壁冷腔4和側(cè)向氣膜冷卻孔8共同組合形成側(cè)向氣膜壁冷結(jié)構(gòu)。

其中，渦輪葉片壁厚為H為4mm，壁冷腔4位于渦輪葉片壁內(nèi)部，壁冷腔高度H_i為0.4H，壁冷腔寬度W為3mm。沖擊冷卻孔3連接渦輪葉片內(nèi)冷供氣腔與壁冷腔，直徑D_i為0.2mm，沖擊孔長度L_i為0.3H。氣膜冷卻孔入口位于壁冷腔側(cè)壁面上，入口中心位于壁冷腔高度0.5H_i處。氣膜冷卻孔直徑D_f為0.2mm，氣膜冷卻孔流向傾角θ為20°。與實(shí)施例一結(jié)構(gòu)相比，本實(shí)施例中氣膜冷卻孔及沖擊冷卻孔直徑較小，壁冷腔高度及寬度也有所減少，沖擊冷卻冷卻效果略有降低。氣膜冷卻孔入口中心位置位于壁冷腔側(cè)壁中心位置，當(dāng)?shù)貕毫^低，冷氣不易進(jìn)入氣膜冷卻孔。氣膜冷卻孔流向傾角較小，氣膜貼附性有所增強(qiáng)，氣膜冷卻效率得到提升。

實(shí)施例三

本實(shí)施例是應(yīng)用于某型渦輪葉片上的側(cè)向氣膜壁冷結(jié)構(gòu)。在靠近渦輪葉片內(nèi)冷卻通道一側(cè)布置沖擊冷卻孔3。渦輪葉片壁面內(nèi)部布置壁冷腔4，由沖擊冷卻孔3供氣。在壁冷腔側(cè)壁面6布置氣膜冷卻孔8，由壁冷腔4供氣。由沖擊冷卻孔3、壁冷腔4和側(cè)向氣膜冷卻孔8共同組合形成側(cè)向氣膜壁冷結(jié)構(gòu)。渦輪葉片壁厚為H為4mm，壁冷腔4位于渦輪葉片壁內(nèi)部，壁冷腔高度H_i為0.6H，壁冷腔寬度W為5mm。沖擊冷卻孔3連接渦輪葉片內(nèi)冷供氣腔與壁冷腔，直徑D_i為0.3mm，沖擊孔長度L_i為0.2H。氣膜冷卻孔入口位于壁冷腔側(cè)壁面上，入口中心位于壁冷腔高度0.7H_i處。氣膜冷卻孔直徑D_f為0.3mm，氣膜冷卻孔流向傾角θ為60°。與實(shí)施例一和實(shí)施例二中的結(jié)構(gòu)相比，本實(shí)施例中氣膜冷卻孔及沖擊冷卻孔直徑較大，壁冷腔高度及寬度也較大，沖擊冷卻效果有很大提升。氣膜冷卻孔入口中心位置在壁冷腔側(cè)壁靠近燃?xì)鈧?cè)，冷氣進(jìn)入氣膜孔后流向偏轉(zhuǎn)較小，孔內(nèi)渦結(jié)構(gòu)較弱，出口氣膜貼附性較強(qiáng)，能有效提高氣膜冷卻效率。