本發(fā)明涉及渦輪，具體地，涉及一種渦輪葉片前緣多孔曲面晶格冷卻結(jié)構(gòu)及渦輪葉片，尤其是一種渦輪葉片前緣三重周期性極小曲面(tpms)晶格冷卻結(jié)構(gòu)及渦輪葉片，特別是一種提升前緣冷卻性能的渦輪葉片及發(fā)動(dòng)機(jī)。

背景技術(shù)：

1、為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)與的熱效率，提高渦輪入口燃?xì)鉁囟纫约皦簹鈾C(jī)壓比是個(gè)重要的手段。當(dāng)前渦輪前燃?xì)鉁囟纫堰h(yuǎn)高于渦輪葉片所用的金屬材料工作溫度極限，因此渦輪葉片需要采用冷卻技術(shù)以保持葉片壁面溫度在許可的范圍之內(nèi)。

2、渦輪葉片前緣承受最高的熱負(fù)荷，并且連續(xù)承受高溫高壓高速燃?xì)獾闹苯記_刷，因此對(duì)渦輪葉片前緣冷卻和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了高要求。目前常規(guī)的渦輪葉片前緣采用沖擊冷卻，前緣壁面上布置有氣膜冷卻孔。渦輪葉片工作時(shí)，外部高溫燃?xì)鉀_刷和掠過(guò)渦輪葉片前緣，前緣壁面熱負(fù)荷很高，渦輪葉片前緣依賴內(nèi)部沖擊冷卻，和壁面上密集氣膜孔出流在前緣外壁面形成的氣膜冷卻進(jìn)行熱防護(hù)。改善渦輪葉片前緣的冷卻性能，使葉片前緣壁面溫度保持較低水平，能夠改善渦輪葉片的強(qiáng)度，提高其工作壽命和可靠性。因此，發(fā)展先進(jìn)高效的渦輪葉片冷卻性能對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)至關(guān)重要。

3、當(dāng)前的問(wèn)題在于，常規(guī)的前緣內(nèi)部沖擊冷卻，冷氣壓損大，前緣壁面冷卻不均勻，并且冷氣射流直接沖擊內(nèi)壁上氣膜孔入口影響了氣膜孔冷氣出流。因此當(dāng)前的渦輪葉片前緣沖擊-氣膜冷卻性能受到限制，已不能滿足未來(lái)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻需求。需要發(fā)展更加高效的渦輪葉片前緣冷卻技術(shù)，以及新的前緣冷卻結(jié)構(gòu)。前緣駐點(diǎn)是外部主流直接沖擊的葉片前緣部位，這個(gè)部位密集布置有氣膜冷卻孔，這些氣膜冷卻孔的入口就分布在葉片前緣駐點(diǎn)區(qū)的內(nèi)壁面上。這也導(dǎo)致渦輪葉片前緣外部氣膜冷卻性能下降，從而在葉片前緣產(chǎn)生高溫?zé)g，縮短渦輪葉片壽命。葉片前緣氣膜冷卻孔內(nèi)流動(dòng)堵塞，還會(huì)導(dǎo)致外部高溫燃?xì)馇秩霘饽た變?nèi)，造成葉片本體高溫氧化和熱損傷，減少渦輪葉片壽命。

4、渦輪葉片前緣熱負(fù)荷最高，需要非常高效的冷卻。當(dāng)前渦輪葉片前緣主要采用內(nèi)部沖擊冷卻，以及外部密集氣膜孔冷卻?，F(xiàn)有問(wèn)題在于，渦輪葉片前緣沖擊-氣膜冷卻性能不高：1、沖擊冷卻的高傳熱區(qū)局限在葉片前緣駐點(diǎn)內(nèi)壁狹窄區(qū)域，相鄰的壁面上傳熱很低；而渦輪葉片外壁面高熱負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化，并不局限在前緣駐點(diǎn)區(qū)域；2、葉片前緣壁面中存在密集的傾斜氣膜孔，導(dǎo)致前緣外壁面上的溫度梯度很大，熱應(yīng)力很大，易高溫氧化，影響工作壽命；3、葉片前緣內(nèi)部射流沖擊，在駐點(diǎn)內(nèi)壁上的氣膜孔入口，易形成分離泡或分離渦，或沖擊滯止區(qū)，阻塞了氣膜孔冷氣出流，從而惡化了前緣氣膜冷卻性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種渦輪葉片前緣多孔曲面晶格冷卻結(jié)構(gòu)及渦輪葉片。

2、根據(jù)本發(fā)明提供的一種渦輪葉片前緣多孔曲面晶格冷卻結(jié)構(gòu)，包括：葉片主體，所述葉片主體包括吸力側(cè)壁面和壓力側(cè)壁面；

3、所述葉片主體的前緣設(shè)置有隔板，所述吸力側(cè)壁面、所述壓力側(cè)壁面以及所述隔板之間形成前緣內(nèi)腔；

4、所述吸力側(cè)壁面與所述壓力側(cè)壁面的交界處形成前緣駐點(diǎn)區(qū)，所述前緣駐點(diǎn)區(qū)設(shè)置有帶有多個(gè)相互連通的螺旋孔的tpms結(jié)構(gòu)；tpms結(jié)構(gòu)即三重周期性極小曲面結(jié)構(gòu)；

5、所述tpms結(jié)構(gòu)的螺旋孔與所述前緣內(nèi)腔相連通，所述前緣內(nèi)腔的內(nèi)壁面上設(shè)置有突脊。

6、優(yōu)選的，所述前緣駐點(diǎn)區(qū)包括葉片前緣駐點(diǎn)區(qū)和內(nèi)腔前緣駐點(diǎn)區(qū)；

7、所述內(nèi)腔前緣駐點(diǎn)區(qū)位于所述前緣內(nèi)腔內(nèi)；

8、所述tpms結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述葉片前緣駐點(diǎn)區(qū)和/或所述內(nèi)腔前緣駐點(diǎn)區(qū)。

9、優(yōu)選的，所述葉片前緣駐點(diǎn)區(qū)的壁面定義為前緣駐點(diǎn)區(qū)壁面；

10、當(dāng)所述tpms結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述葉片前緣駐點(diǎn)區(qū)時(shí)，所述前緣駐點(diǎn)區(qū)壁面部分或整體設(shè)置為tpms結(jié)構(gòu)；所述tpms結(jié)構(gòu)具有內(nèi)部的彎曲壁面，所述彎曲壁面的厚度為0.1mm～2.0mm；所述tpms結(jié)構(gòu)內(nèi)部的彎曲壁面的厚度相同，或者所述tpms結(jié)構(gòu)內(nèi)部的彎曲壁面的厚度沿不同方向變化，從而產(chǎn)生變化的孔隙率。

11、優(yōu)選的，所述前緣駐點(diǎn)區(qū)壁面包括前緣駐點(diǎn)區(qū)外壁面和前緣駐點(diǎn)區(qū)內(nèi)壁面；

12、當(dāng)所述前緣駐點(diǎn)區(qū)壁面整體設(shè)置為tpms結(jié)構(gòu)時(shí)，所述tpms結(jié)構(gòu)在所述前緣駐點(diǎn)區(qū)外壁面上形成有多個(gè)彎曲傾斜的氣膜冷卻槽道，所述氣膜冷卻槽道與所述葉片主體的前緣彎曲外形相匹配。

13、優(yōu)選的，所述前緣駐點(diǎn)區(qū)壁面包括前緣駐點(diǎn)區(qū)外壁面和前緣駐點(diǎn)區(qū)內(nèi)壁面；

14、當(dāng)所述前緣駐點(diǎn)區(qū)壁面部分設(shè)置為tpms結(jié)構(gòu)時(shí)，所述前緣駐點(diǎn)區(qū)外壁面設(shè)置有第一前緣氣膜孔，所述第一前緣氣膜孔與所述tpms結(jié)構(gòu)的螺旋孔相連通；所述第一前緣氣膜孔的孔徑為0.1mm～3.0mm。

15、優(yōu)選的，所述葉片前緣駐點(diǎn)區(qū)的壁面定義為前緣駐點(diǎn)區(qū)壁面；

16、當(dāng)所述tpms結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述內(nèi)腔前緣駐點(diǎn)區(qū)時(shí)，所述前緣駐點(diǎn)區(qū)壁面上貫穿設(shè)置有第二前緣氣膜孔，所述第二前緣氣膜孔與所述tpms結(jié)構(gòu)的螺旋孔相連通。

17、優(yōu)選的，所述氣膜冷卻槽道的壁面是三重周期性極小曲面，三重周期性極小曲面即tpms結(jié)構(gòu)的曲面；

18、和/或，所述氣膜冷卻槽的上下兩端分別有一個(gè)氣膜孔出口，成對(duì)的氣膜孔出口分別從氣膜冷卻槽的槽道的兩端相向出流；所述氣膜冷卻槽的上端氣膜孔出口螺旋朝下，所述氣膜冷卻槽的下端氣膜孔出口螺旋朝上；

19、和/或，所述氣膜冷卻槽的槽道按預(yù)設(shè)傾角交替的朝向所述葉片主體的壓力側(cè)和吸力側(cè)。

20、優(yōu)選的，所述前緣駐點(diǎn)區(qū)下游的所述吸力側(cè)壁面和所述壓力側(cè)壁面上設(shè)置有氣膜孔；

21、所述吸力側(cè)壁面上的氣膜孔個(gè)數(shù)大于所述壓力側(cè)壁面上的氣膜孔個(gè)數(shù)；

22、和/或，所述tpms結(jié)構(gòu)的中間孔隙率大于所述tpms結(jié)構(gòu)的兩側(cè)孔隙率。

23、優(yōu)選的，所述吸力側(cè)壁面包括吸力側(cè)內(nèi)壁面與吸力側(cè)外壁面；所述壓力側(cè)壁面包括壓力側(cè)內(nèi)壁面與壓力側(cè)外壁面；

24、所述吸力側(cè)內(nèi)壁面和所述壓力側(cè)內(nèi)壁面為所述前緣內(nèi)腔的內(nèi)壁面。

25、優(yōu)選的，所述突脊包括第一突脊和第二突脊；所述第一突脊設(shè)置在所述吸力側(cè)內(nèi)壁面上，所述第二突脊設(shè)置在所述壓力側(cè)內(nèi)壁面上；所述第一突脊和所述第二突脊鄰近所述前緣駐點(diǎn)區(qū)設(shè)置；

26、所述隔板上設(shè)置有多個(gè)第一內(nèi)部冷氣射流孔和多個(gè)第二內(nèi)部冷氣射流孔，所述第一內(nèi)部冷氣射流孔和所述第二內(nèi)部冷氣射流孔與所述前緣內(nèi)腔相連通，所述第一內(nèi)部冷氣射流孔和所述第二內(nèi)部冷氣射流孔交錯(cuò)地位于所述第一突脊的一側(cè)和所述第二突脊的一側(cè)。

27、優(yōu)選的，所述tpms結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述內(nèi)腔前緣駐點(diǎn)區(qū)；

28、所述隔板上設(shè)置有多個(gè)冷氣射流孔，所述冷氣射流孔與所述前緣內(nèi)腔相連通，所述冷氣射流孔靠近所述壓力側(cè)壁面設(shè)置；

29、所述吸力側(cè)壁面上設(shè)置有氣膜排氣孔，所述氣膜排氣孔與所述前緣內(nèi)腔相連通，所述突脊設(shè)置在所述吸力側(cè)內(nèi)壁面上。

30、本發(fā)明還提供一種渦輪葉片，包括上述的渦輪葉片前緣多孔曲面晶格冷卻結(jié)構(gòu)。所述葉片前緣多孔曲面晶格冷卻結(jié)構(gòu)可通過(guò)增材制造加工，也可以通過(guò)熔模鑄造工藝加工。

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

32、1、本發(fā)明采用tpms結(jié)構(gòu)和突脊結(jié)合的方式提高冷卻性能，冷氣射流與壁面突脊相互作用后，在靠近前緣駐點(diǎn)區(qū)內(nèi)壁面的前緣腔體的內(nèi)部區(qū)域形成低速回流渦，該低速流動(dòng)使得冷氣可以更好地進(jìn)入tpms結(jié)構(gòu)的多孔螺旋微流道中，tpms結(jié)構(gòu)具有超大比表面積，提供了極高的前緣駐點(diǎn)內(nèi)部冷卻性能。

33、2、本發(fā)明通過(guò)在前緣駐點(diǎn)區(qū)壁面上設(shè)置tpms結(jié)構(gòu)，極大的提高了內(nèi)部冷卻性能，因此葉片主體的前緣外壁面上可以少開氣膜孔，進(jìn)而可以減少前緣壁面的熱應(yīng)力，減少外部高溫高速燃?xì)馊肭謿饽た變?nèi)部，可以提高葉片前緣壁面的結(jié)構(gòu)完整性，強(qiáng)度和冷卻性能，提高渦輪葉片壽命。

34、3、本發(fā)明通過(guò)設(shè)置tpms結(jié)構(gòu)，在前緣駐點(diǎn)區(qū)外壁面上形成多個(gè)彎曲的深度較淺的氣膜冷卻槽道，與葉片主體的前緣彎曲外形相匹配，彎曲槽道的壁面是三周期極小曲面，具有低應(yīng)力特征，并且，彎曲槽道的兩端分別有氣膜孔出口，彎曲槽道的上端氣膜孔口螺旋且朝下，而彎曲槽道的下端氣膜孔口螺旋且朝上進(jìn)而降低了冷氣出口動(dòng)量，上、下相對(duì)的氣膜射流匯聚在淺氣膜冷卻槽道中，并在外部主流作用下能夠?yàn)槿~片前緣外壁面提供大面積的連續(xù)冷氣覆蓋和高氣膜冷卻性能。

35、4、本發(fā)明的葉片前緣外壁面上具有多個(gè)彎曲傾斜的淺槽道，成對(duì)的氣膜孔出口分別從槽道的兩端相向出流，為葉片前緣外壁面提供氣膜冷卻。