[發明專利]一種用于渦輪葉片的凹坑逆向氣膜孔結構

在審

• 申請號: 202011219526.0
• 申請日: 2020-11-04
• 公開（公告）號: CN112443361A
• 公開（公告）日: 2021-03-05
• 發明（設計）人: 朱惠人;李鑫磊;劉存良;張麗;許衛疆;徐志鵬
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 陳星

本發明公開了一種用于渦輪葉片的凹坑逆向氣膜孔結構，是在逆向氣膜孔出口設置魚鱗型凹坑。魚鱗型凹坑的橫截面為拋物線型，魚鱗型凹坑間距與氣膜孔的展向間距相同，氣膜孔出口位于魚鱗型凹坑底部，且沿氣膜孔板展向排列，氣膜孔出口下緣與魚鱗型凹坑底部平齊。二次流冷卻氣體從氣膜孔流出后與主流進行摻混，逆向射流與主流碰撞后流向速度分量減小，橫向速度分量增加，其逆向射流相比正向射流可以更好的貼附壁面并且具有較好的橫向擴散。此外，魚鱗型凹坑可以減小主流與二次流摻混造成的流動損失，增強二次流的橫向擴散，使得氣膜孔中的冷卻氣流在凹坑內展向擴散后再流過被冷卻壁面，射流的展向覆蓋能力大大提升。

技術領域

本發明涉及燃氣輪機渦輪葉片的冷卻技術，具體地說，涉及一種用于渦輪葉片的凹坑逆向氣膜孔結構。

背景技術

隨著航空發動機的快速發展，渦輪進口溫度不斷提高，先進發動機的渦輪進口溫度已達到2000K左右，這已遠遠超出了渦輪葉片材料的耐熱極限。目前，航空發動機中廣泛采用氣膜冷卻技術對渦輪葉片進行冷卻。氣膜冷卻是應用在燃氣輪機葉片上的冷卻技術，是指內部冷卻空氣通過離散的孔或槽縫流出，在葉片表面附近形成溫度較低的冷氣膜，將壁面同高溫燃氣隔離，并帶走部分高溫燃氣或明亮火焰對壁面的輻射熱量，從而起到良好的保護作用，以達到葉片不被高溫燃氣燒壞的目的。

最初的氣膜冷卻結構是離散圓柱氣膜孔，隨著渦輪進口溫度的增加，離散孔的冷卻能力已經不足，其孔與孔之間的區域是被冷卻的薄弱區域。圓柱形氣膜孔由于其易加工的特性，被廣泛用于現代渦輪葉片中。逆向氣膜孔結構是指氣膜孔射流方向與主流相反，逆向射流相比于正向射流可以提高展向擴散能力，以解決圓柱孔的氣膜射流展向覆蓋不足的問題。但位于氣膜孔出口方向與主流相反，主流與二次流碰撞大大增加了壓力損失，而凹坑會降低碰撞處的壓力，降低壓力損失。

發明內容

為了避免現有技術存在的不足，本發明提出一種用于渦輪葉片的凹坑逆向氣膜孔結構；該凹坑逆向氣膜孔結構可繼續提高橫槽孔射流的展向覆蓋范圍，并減小其流動阻力，降低壓力損失。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:包括氣膜孔板、氣膜孔、魚鱗型凹坑、內冷通道、壓力面魚鱗型凹坑氣膜孔、吸力面魚鱗型凹坑氣膜孔，在渦輪葉片的壓力面設置壓力面魚鱗型凹坑氣膜孔，吸力面設置吸力面魚鱗型凹坑氣膜孔，氣膜孔與內冷通道相通，其特征在于在逆向氣膜孔出口部位布置魚鱗型凹坑，氣膜孔出口位于魚鱗型凹坑底部，所述魚鱗型凹坑的橫截面為拋物線型，魚鱗型凹坑間距與氣膜孔的展向間距相同，且沿氣膜孔板展向排列；

所述魚鱗型凹坑的深度P取值范圍為0.3D_f～1D_f,魚鱗型凹坑的中截面寬度H取值范圍為1.5D_f～2.5D_f，魚鱗型凹坑的展向擴張角α取值范圍為20～35°；

所述氣膜孔直徑D_f的取值范圍為0.3～2mm，氣膜孔流向傾角θ的取值范圍為30～60°；魚鱗型凹坑間距S與氣膜孔的展向間距相同，取值范圍為3D_f～7D_f。

所述氣膜孔的出口下緣與魚鱗型凹坑底部平齊。

有益效果

本發明提出的一種用于渦輪葉片的凹坑逆向氣膜孔結構，是在逆向氣膜孔出口設置魚鱗型凹坑。魚鱗型凹坑的橫截面為拋物線型，魚鱗型凹坑間距與氣膜孔的展向間距相同，氣膜孔出口位于魚鱗型凹坑底部。二次流冷卻氣體從氣膜孔流出后與主流進行摻混，逆向射流與主流碰撞后流向速度分量減小，橫向速度分量增加，因此逆向射流相比正向射流可以更好的貼附壁面并且具有較好的橫向擴散；另外，魚鱗型凹坑可減小主流與二次流摻混造成的流動損失，增強二次流的橫向擴散，使得氣膜孔中的冷卻氣流在凹坑內展向擴散后再流過被冷卻壁面，射流的展向覆蓋能力大大提升。