[發明專利]帶有表面凹陷的氣膜冷卻結構及渦輪葉片、渦輪機

有效

• 申請號: 202110229847.7
• 申請日: 2021-03-02
• 公開（公告）號: CN112780356B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 饒宇;劉宇陽
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發明提供了一種帶有表面凹陷的氣膜冷卻結構，包括：凹陷結構和氣膜孔，氣膜孔與凹陷結構平滑連接；氣流通過氣膜孔蔓延到凹陷結構形成氣膜，氣膜擴散至渦輪葉片表面；凹陷結構包括第一凹陷和第二凹陷，第一凹陷的內壁面上設置有第二凹陷，第二凹陷的內壁上設置有氣膜孔；氣膜孔的氣膜孔口上設置有倒圓結構或者斜切結構；和/或，第一凹陷的后部邊緣上設置有倒圓結構或者斜切結構。本發明還提供了一種渦輪葉片，渦輪葉片的壁面上設置有陣列排列的氣膜冷卻結構；凹陷抑制了下游壁面上氣膜流動形成的反向渦對；氣膜孔和雙凹陷結構使得氣膜孔流出的氣流緊貼壁面。本發明比常規的斜孔，具有更高的氣膜冷卻效率、加工效率和更低的加工成本。

技術領域

本發明涉及航空發電機和燃氣輪機技術領域，具體地，涉及一種帶有表面凹陷的氣膜冷卻結構及渦輪葉片、渦輪機。

背景技術

航空發動機和燃氣輪機的燃氣溫度高達1500-1900℃，遠超過金屬材料的工作允許溫度。燃氣輪機的高溫部件，如渦輪葉片、燃燒室等，需要采用內部對流冷卻以及外部氣膜冷卻，以保持高溫部件合適的工作溫度。為提高航空發動機和燃氣輪機的熱效率和做功能力，發動機的燃氣溫度還在不斷提高，迫切需要更高效的氣膜冷卻結構和氣膜冷卻技術，以維持渦輪葉片的壁面溫度在許可范圍之內，或減少冷卻空氣用量。氣膜冷卻結構冷卻效率的提高，意味著可用較少的冷卻空氣實現冷卻目標，這有利于提高發動機效率；或者用同量的冷卻空氣，能把渦輪葉片的溫度維持更低，這有利于提高渦輪部件的工作壽命和可靠性。

氣膜冷卻用于渦輪葉片外部壁面，冷氣由渦輪葉片內部從壁面上小孔噴出，并在葉片表面形成氣膜以隔離高溫燃氣與渦輪葉片壁面，以減少外部高溫燃氣對渦輪葉片的傳熱。

經過檢索，專利文獻CN104234756A公開了一種跨音速型氣膜冷卻孔，渦輪葉片吸力面氣膜冷卻孔和壓力面氣膜冷卻孔的中心線與葉片表面之間夾角為30°-60°，跨音速型氣膜冷卻孔總體結構分為收縮段、喉部和擴張段。跨音速型氣膜冷卻孔收縮段中心線長度l1為6～10倍喉部半徑，從氣膜冷卻孔入口至喉部用維托辛斯基公式來計算壁面的型線；喉部是冷氣從亞音速到超音速的過渡段，喉部截面積利用冷氣流量來確定；從喉部到擴張段進行光滑過渡，采用一個基本相同的曲率半徑，得到平滑的擴張段壁面，擴張段半頂角β為4°～6°，通過半頂角求得擴張段中心線長度l2。該現有技術采用的氣膜冷卻孔設計為收縮擴張形，其加工難度非常高，并且相當復雜。

專利文獻CN109736898A公開了一種交錯復合角的葉片前緣氣膜冷卻孔結構，包括第一組圓柱形氣膜冷卻孔和第二組圓柱形氣膜冷卻孔，第一組圓柱形氣膜冷卻孔和第二組圓柱形氣膜冷卻孔的進口固定在葉片內壁面上，出口固定在葉片外壁面上，葉頂位置布置冷氣進口，葉片冷氣前腔位于冷氣進口下方，冷卻氣體從冷氣進口進入經葉片冷氣前腔流入第一組圓柱形氣膜冷卻孔和第二組圓柱形氣膜冷卻孔的進口，該現有技術采用圓柱形的氣膜孔冷卻的效率不高。

當前氣膜冷卻的問題在于常規的傾斜圓柱形氣膜孔冷卻效率不高，尤其是高吹風比下氣膜冷卻效率很低。當前的擴散形或扇形氣膜冷卻，顯著提高了氣膜冷卻效率，尤其是在高吹風比下能夠獲得較高的氣膜冷卻效率。但是發散形氣膜冷卻的問題又在于，氣膜孔的加工效率低，加工時間長，加工成本高，孔口結構參數對氣膜冷卻效率影響較大，因此，影響氣膜冷卻的可靠性，以及渦輪葉片的加工效率和成本。而擴散形氣膜孔的孔口具有復雜的三維型面擴張，具有高度的復雜性和加工難度。

因此，亟需研發一種加工簡單且冷卻效率高的氣膜冷卻結構。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種帶有表面凹陷的氣膜冷卻結構、渦輪葉片及渦輪機，解決了現有技術中低吹風比和高吹風比情況下的氣膜冷卻效率低，加工成本高，工藝難度大的技術問題。