本發(fā)明涉及航空發(fā)動(dòng)機(jī)/燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片冷卻技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)/燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件渦輪動(dòng)葉吸力面的氣膜孔優(yōu)化布局結(jié)構(gòu)。區(qū)別于單純針對(duì)葉片中部流動(dòng)穩(wěn)定區(qū)域的氣膜孔設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)依據(jù)不同區(qū)域的流動(dòng)特征，對(duì)渦輪動(dòng)葉吸力面從葉根到葉尖進(jìn)行了全面的復(fù)合角氣膜孔精細(xì)化設(shè)計(jì)，能夠滿(mǎn)足現(xiàn)代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)/燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)熱端部件的冷卻要求。

背景技術(shù)：

對(duì)于現(xiàn)代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，為了追求更高的推重比和熱效率，需要不斷提升渦輪進(jìn)口溫度。氣膜冷卻技術(shù)作為一種行之有效的熱防護(hù)措施變得尤為重要。氣膜冷卻是由壁面上的氣膜孔噴出冷卻氣來(lái)阻隔主燃?xì)饬鲗?duì)壁面的加熱，主要有兩個(gè)作用：一是通過(guò)冷卻氣帶走一部分熱量；二是通過(guò)冷卻氣將壁面與高溫燃?xì)飧艚^開(kāi)來(lái)，以保護(hù)壁面。

對(duì)于靜止?fàn)顟B(tài)下的渦輪葉片氣膜孔設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，葉片吸力面沿展向有指向葉尖的哥氏力和離心浮升力作用，以及通道二次流。在三者共同作用下，氣膜出流會(huì)向葉根偏轉(zhuǎn)，并且由于流動(dòng)結(jié)構(gòu)不同，從葉根到葉尖其偏轉(zhuǎn)程度不同。靠近葉根區(qū)域，主要受端壁二次流的影響較大，偏轉(zhuǎn)程度較強(qiáng)；葉片中部，流動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，只有很微弱的偏轉(zhuǎn)；靠近葉尖區(qū)域，受間隙泄漏流的影響較大，偏轉(zhuǎn)程度最強(qiáng)。與壓力面相比，吸力面整體上的偏轉(zhuǎn)程度較弱。由于這種偏轉(zhuǎn)不利于氣膜附壁，導(dǎo)致氣膜冷卻效率降低，因此應(yīng)采用相應(yīng)措施修正氣膜的偏轉(zhuǎn)。采用異形孔，在一定程度上可以降低偏轉(zhuǎn)程度，達(dá)到提高氣膜冷卻效果的目的。然而，異形孔等氣膜孔結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加工難度大，加工成本高。同時(shí)，對(duì)葉片表面的主流氣動(dòng)性能有一定影響，并增加氣動(dòng)損失。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明旨在提供一種適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)/燃?xì)廨啓C(jī)渦輪動(dòng)葉吸力面的復(fù)合角氣膜孔布局結(jié)構(gòu)，針對(duì)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下渦輪葉片吸力面氣膜出流會(huì)發(fā)生不同程度偏轉(zhuǎn)，主要從改變氣膜出流方向出發(fā)，從葉根到葉尖分別布置不同復(fù)合角氣膜孔，采用的仍是簡(jiǎn)單圓柱孔，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，加工難度與傳統(tǒng)的圓柱形氣膜孔無(wú)異，但是氣膜冷卻效果卻得到大幅提升，具有廣泛的應(yīng)用前景。

本發(fā)明為解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為：

一種渦輪動(dòng)葉吸力面的復(fù)合角氣膜孔布局結(jié)構(gòu)，適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)或地面燃?xì)廨啓C(jī)，所述渦輪動(dòng)葉包括葉根、葉尖、前緣和尾緣，渦輪動(dòng)葉的吸力面靠近前緣沿葉根至葉尖整個(gè)展向區(qū)域設(shè)置有兩排平行布置的復(fù)合角氣膜孔，所述復(fù)合角氣膜孔與渦輪動(dòng)葉內(nèi)部的冷卻氣流腔連通，其特征在于，

所述渦輪動(dòng)葉吸力面從葉根至葉尖劃分為5個(gè)葉片區(qū)，依次為葉根區(qū)、葉根-葉中過(guò)渡區(qū)、葉中區(qū)、葉中-葉尖過(guò)渡區(qū)、葉尖區(qū)，每個(gè)所述葉片區(qū)分別設(shè)置不同的氣膜孔復(fù)合角，

其中，所述氣膜復(fù)合角定義如下：首先氣膜孔中心線(xiàn)在葉片垂直截面上與葉片表面過(guò)該孔中心的切向平面形成一定的夾角，在此基礎(chǔ)上，氣膜孔中心線(xiàn)在展向上與葉片垂直截面具有一定的夾角，最終形成復(fù)合角，指向葉尖為負(fù)，指向葉根為正；

葉根區(qū)，氣膜孔復(fù)合角α1指向葉尖，取值-(25～40°)；

葉根-葉中過(guò)渡區(qū)，氣膜孔復(fù)合角β1指向葉尖，β1介于α1和α2之間，取值-(15～30°)，保證氣膜出流由葉根區(qū)逐漸向葉中區(qū)過(guò)渡；

葉中區(qū)，氣膜孔復(fù)合角α2指向葉尖，取值-(5～15°)；

葉中-葉尖過(guò)渡區(qū)，氣膜孔復(fù)合角γ1指向葉尖，γ1介于α2和α3之間，取值-(20～35°)，保證氣膜出流由葉中區(qū)逐漸向葉尖區(qū)過(guò)渡；

葉尖區(qū)，氣膜孔復(fù)合角α3指向葉尖，取值-(30～45°)。

優(yōu)選地，所述葉根區(qū)，沿展向跨度為1/5葉高；所述葉根-葉中過(guò)渡區(qū)，沿展向跨度為1/10葉高；所述葉中區(qū)，沿展向跨度為3/5葉高；所述葉中-葉尖過(guò)渡區(qū)，沿展向跨度為1/6葉高；所述葉尖區(qū)，沿展向跨度為1/5葉高。

優(yōu)選地，在所述葉根-葉中過(guò)渡區(qū)，氣膜復(fù)合角β1指向葉尖，且從α1逐漸減小到α2。

優(yōu)選地，在所述葉中-葉尖過(guò)渡區(qū)氣膜復(fù)合角γ1指向葉尖，且從α2逐漸增大到α3。

優(yōu)選地，各所述葉片區(qū)的氣膜孔均為圓柱形氣膜孔。

優(yōu)選地，兩排氣膜孔均布置在靠近前緣位置，第1排孔位于0.14倍弦長(zhǎng)，第2排孔位于0.32倍弦長(zhǎng)，考慮到吸力面后端易分離，一般不布置氣膜孔。

優(yōu)選地，各所述葉片區(qū)的氣膜孔直徑相同，由于復(fù)合角設(shè)置不同，在葉片展向上的氣膜孔出口面積的大小有所不同。

同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的渦輪動(dòng)葉吸力面的復(fù)合角氣膜孔布局結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)從改變氣膜出流方向出發(fā)，在葉根到葉尖每個(gè)不同的葉片區(qū)，分別設(shè)置不同的復(fù)合角氣膜孔，克服了氣膜出流在指向葉尖的哥氏力、離心浮升力以及通道二次流的影響下而向葉根偏轉(zhuǎn)，從而不利于氣膜附壁的技術(shù)問(wèn)題；(2)將葉片吸力面分為5個(gè)葉片區(qū)，結(jié)合吸力面氣膜出流的偏轉(zhuǎn)情況，分別設(shè)計(jì)了不同的朝向葉尖的復(fù)合角，使氣膜覆蓋更均勻；(3)設(shè)置了過(guò)渡區(qū)，保證了不同區(qū)域復(fù)合角的平滑過(guò)渡；(4)氣膜孔的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布局合理，加工方便，成本可控。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的渦輪動(dòng)葉吸力面的復(fù)合角氣膜孔布局結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為渦輪動(dòng)葉吸力面的區(qū)域劃分示意圖；

圖3為氣膜孔沿葉片橫截面的剖視圖；

圖4為葉根區(qū)的復(fù)合角氣膜孔布局結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為葉根-葉中過(guò)渡區(qū)的復(fù)合角氣膜孔布局結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為葉中區(qū)的復(fù)合角氣膜孔布局結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為葉中-葉尖過(guò)渡區(qū)的復(fù)合角氣膜孔布局結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為葉尖區(qū)的復(fù)合角氣膜孔布局結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)得到的冷卻效率對(duì)比圖。

附圖中的附圖標(biāo)記說(shuō)明如下：

1.渦輪動(dòng)葉

2.復(fù)合角氣膜孔

3.葉根區(qū)

4.葉根-葉中過(guò)渡區(qū)

5.葉中區(qū)

6.葉中-葉尖過(guò)渡區(qū)

7.葉尖區(qū)

8.主燃?xì)饬?/p>

9.氣膜

10.葉根

11.葉尖

12.前緣

13.尾緣

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明的適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪動(dòng)葉吸力面的復(fù)合角氣膜孔布局結(jié)構(gòu)，渦輪動(dòng)葉1包括葉根10、葉尖11、前緣12和尾緣13，渦輪動(dòng)葉片1的吸力面沿葉根至葉尖整個(gè)展向區(qū)域靠近葉片前緣12設(shè)置有兩排平行布置的復(fù)合角氣膜孔2，復(fù)合角氣膜孔2與渦輪動(dòng)葉內(nèi)部的冷卻氣流腔連通。第1排復(fù)合角氣膜孔位于0.14倍弦長(zhǎng)，第2排復(fù)合角氣膜孔位于0.32倍弦長(zhǎng)。整個(gè)復(fù)合角氣膜孔設(shè)置依據(jù)吸力面的型線(xiàn)，考慮到吸力面后端易分離，將氣膜孔主要布置在靠近前緣的高溫區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)溫度的均勻分布。

如圖2所示，本發(fā)明將渦輪動(dòng)葉1的吸力面從葉根至葉尖劃分為5個(gè)葉片區(qū)，依次包括葉根區(qū)3、葉根-葉中過(guò)渡區(qū)4、葉中區(qū)5、葉中-葉尖過(guò)渡區(qū)6、葉尖區(qū)7。其中，葉根區(qū)3，沿展向跨度為1/5葉高；葉根-葉中過(guò)渡區(qū)4，沿展向跨度為1/10葉高；葉中區(qū)5，沿展向跨度為3/5葉高；葉中-葉尖過(guò)渡區(qū)6，沿展向跨度為1/6葉高；葉尖區(qū)7，沿展向跨度為1/5葉高。為克服氣膜出流在指向葉尖的哥氏力、離心浮升力以及通道二次流的影響下而向葉根偏轉(zhuǎn)，從而不利于氣膜附壁的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明從改變氣膜出流方向出發(fā)，針對(duì)葉根到葉尖每個(gè)不同的葉片區(qū)分別設(shè)置不同的氣膜孔復(fù)合角。其中，在渦輪動(dòng)葉1不同的區(qū)域設(shè)置不同的復(fù)合角氣膜孔2是本發(fā)明區(qū)別于其它氣膜孔結(jié)構(gòu)的突出特征。

如圖1、3所示，渦輪動(dòng)葉1表面被高溫主燃?xì)饬?包圍著，高溫主燃?xì)饬?從葉片的前緣12流向尾緣13，冷卻氣流沿著氣膜孔2以復(fù)合角從葉片內(nèi)部射出，體現(xiàn)在：在垂直葉片的橫截面上，氣膜孔2中心線(xiàn)與與渦輪動(dòng)葉1表面過(guò)該孔中心的切向平面成一定角度θ，如圖3所示；同時(shí)，在展向上，氣膜孔2軸向與流線(xiàn)方向形成一定角度，朝葉根10方向?yàn)檎?，朝葉尖11方向?yàn)樨?fù)，形成復(fù)合角。

各葉片區(qū)的氣膜孔復(fù)合角的具體布局如下：

在葉根區(qū)3(如圖4所示)，受指向葉根11的端壁二次流的影響，從氣膜孔2的出流向葉根11發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)，因此將氣膜復(fù)合角α1指向葉尖10，取值在-(25～40°)范圍內(nèi)，抑制端壁二次流引起的偏轉(zhuǎn)。

在葉根-葉中過(guò)渡區(qū)4(如圖5所示)，端壁二次流的作用逐漸減弱，氣膜出流偏轉(zhuǎn)相應(yīng)減弱，但仍指向葉根11。因此，設(shè)置葉根-葉中過(guò)渡區(qū)4，氣膜復(fù)合角β1指向葉尖10，且從α1逐漸減小到α2，取值在-(15～30°)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)氣膜出流由葉根區(qū)3逐漸向葉中區(qū)5平緩過(guò)渡。

葉中區(qū)5(如圖6所示)，由于離心浮升力和哥氏力相互平衡，偏轉(zhuǎn)非常弱，但仍指向葉根11。因此，氣膜復(fù)合角α2指向葉尖10，取值在-(5～15°)范圍內(nèi)。

葉中-葉尖過(guò)渡區(qū)6(如圖7所示)，間隙泄漏流的作用逐漸增強(qiáng)，氣膜出流偏轉(zhuǎn)相應(yīng)增強(qiáng)，且指向葉根11。因此，氣膜復(fù)合角γ1指向葉尖10，且從α2逐漸增大到α3，取值在-(20～35°)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)從氣膜孔2的出流由葉中區(qū)5逐漸向葉尖區(qū)7過(guò)渡。

葉尖區(qū)7(如圖8所示)，間隙泄漏流起主導(dǎo)作用，氣膜出流朝葉根11方向的偏轉(zhuǎn)非常劇烈。因此，氣膜復(fù)合角α3指向葉尖10，取值在-(30～45°)范圍內(nèi)，抑制間隙泄漏流引起的偏轉(zhuǎn)。整體上，通過(guò)上述分區(qū)域復(fù)合角氣膜孔2優(yōu)化布局，保證了氣膜覆蓋更均勻，冷卻效果最佳。如圖9所示(其中num1和exp1分別為已有技術(shù)得到的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，num2和exp2分別為本發(fā)明得到的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果)，本發(fā)明經(jīng)過(guò)了cfd和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在給定吹風(fēng)比條件下，其冷卻效果比傳統(tǒng)氣膜孔的氣膜冷卻效果提高了90％～145％。

通過(guò)上述論述，完全有效地實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的。一般情況下，渦輪動(dòng)葉1吸力面按上述5個(gè)區(qū)域劃分，復(fù)合角氣膜孔2分區(qū)域布置。該領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解本發(fā)明包括但不限于附圖和以上具體實(shí)施方式中描述的內(nèi)容，葉根區(qū)氣膜復(fù)合角α1、葉根-葉中過(guò)渡區(qū)氣膜復(fù)合角β1、葉中區(qū)氣膜復(fù)合角α2、葉中-葉尖過(guò)渡區(qū)氣膜復(fù)合角γ1和葉尖區(qū)氣膜復(fù)合角α3等均可以改變，任何不偏離本發(fā)明的功能和結(jié)構(gòu)原理的修改都將包括在權(quán)利要求書(shū)的范圍中。

本發(fā)明中所描述的具體實(shí)施例，其零、部件的形狀、所取名稱(chēng)等可以不同。凡依本發(fā)明專(zhuān)利構(gòu)思所述的構(gòu)造、特征及原理所做的等效或簡(jiǎn)單變化，均包括于本發(fā)明專(zhuān)利的保護(hù)范圍內(nèi)。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類(lèi)似的方式替代，只要不偏離本發(fā)明的結(jié)構(gòu)或者超越本權(quán)利要求書(shū)所定義的范圍，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。