[發明專利]一種用于渦輪葉片前緣冷卻的組合結構氣膜孔

在審

• 申請號: 202110508216.9
• 申請日: 2021-05-11
• 公開（公告）號: CN112922677A
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發明（設計）人: 徐世輝;蔡鵬;王海林;周江鋒;方圓;杜治能
• 申請（專利權）人: 成都中科翼能科技有限公司
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18
• 代理公司: 成都頂峰專利事務所(普通合伙) 51224
• 代理人: 郭波江

本發明公開了一種用于渦輪葉片前緣冷卻的組合結構氣膜孔，包括從進口方向到出口方向依次連通的第一通孔和錐形孔，第一通孔與錐形孔非同軸設置，錐形孔的出口的橫截面積大于第一通孔的橫截面的面積；第一通孔的軸心線為一條直線；第一通孔的內壁面與錐形孔的內壁面均無棱角。本發明能在葉片前緣形成較好的冷卻氣膜，第一通孔實現對冷卻空氣流量的控制，錐形孔增大了氣膜孔出口面積，降低了氣膜孔出口冷卻空氣的速度，提高了冷卻氣流覆蓋效果，顯著提高葉片冷卻效果，降低葉片前緣壁面溫度，并鈍化了氣膜孔出口邊緣的尖邊，改善了氣膜孔出口邊緣應力集中系數，降低氣膜孔出口邊緣應力，有利于降低葉片壁面溫度、提高葉片可靠性和使用壽命。

技術領域

本發明屬于燃氣輪機與航空發動機技術領域，具體涉及一種用于渦輪葉片前緣冷卻的組合結構氣膜孔。

背景技術

高性能燃氣輪機中渦輪前燃氣溫度遠高于渦輪葉片使用的材料溫度，特別是渦輪葉片前緣感受的燃氣溫度最高，為降低葉片前緣區域壁面的溫度，通常需要對燃氣渦輪葉片的前緣進行氣膜冷卻。為保障葉片前緣冷卻空氣在各狀態下均能通過氣膜孔排出，通常選取較高的冷氣壓力裕度，但氣膜孔排出的冷氣壓力需要與葉片外表面的燃氣壓力匹配，若冷氣壓力太低，冷氣空氣可能不能從氣膜孔中排出，甚至產生燃氣進入葉片內部，這時葉片在短時間內就會燒蝕并失效。目前燃氣渦輪葉片前緣氣膜孔普遍采用圓柱形氣膜孔，其優點是結構簡單，加工方便，但由于冷氣壓力與燃氣壓力難以匹配，存在冷卻空氣在葉片前緣區域難以形成有效氣膜覆蓋，氣膜冷卻效果較低。

為提高渦輪葉片前緣氣膜冷卻效果，需在保障葉片氣膜孔冷卻空氣壓力裕度的前提下，降低氣膜孔出口冷卻空氣的流速，使冷卻空氣能較好的覆蓋在葉片前緣壁面上。目前，在葉片前緣區域仍采用圓柱形氣膜孔，而在葉片的盆、背區域常用了擴大氣膜孔出口截面面積方法來降低氣膜孔出口處冷卻空氣的流速，即將氣膜孔出口形狀由圓柱形結構逐漸擴展成長方形結構，使冷卻氣流出口速度大幅降低，提高了冷卻氣流在葉片盆、背區域外表面的覆蓋效果。該結構氣膜孔在先進高溫燃氣輪機中得到應用，但其不適用于葉片前緣區域的氣膜冷卻。因為葉片前緣區域型面曲率較大、直徑較小，難以制成長方形結構的氣膜孔，另外，長方形孔易出現應力集中，不適用于葉片前緣，特別不適用于轉子葉片前緣氣膜冷卻。

發明內容

本發明的目的是提供一種用于渦輪葉片前緣冷卻的組合結構氣膜孔，用以提高渦輪轉子葉片前緣氣膜冷卻效果，解決葉片前緣圓柱形氣膜孔氣膜冷卻存在的問題。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種用于渦輪葉片前緣冷卻的組合結構氣膜孔，包括從進口方向到出口方向依次連通的第一通孔和錐形孔，第一通孔與錐形孔非同軸設置，且錐形孔的出口的橫截面積大于第一通孔的橫截面的面積；所述第一通孔的軸心線為一條直線；所述第一通孔的內壁面與錐形孔的內壁面均無棱角。

作為一種具體的實現方式，本實現方式中需要進一步說明的是，所述錐形孔是橫截面為圓形結構的圓錐形孔。圓形通孔加工方便，且內壁面沒有任何的棱角結構，當冷氣進入圓形通孔狀的第一通孔內時，不會產生額外的應力。

作為一種具體的實現方式，本實現方式中需要進一步說明的是，所述錐形孔的錐角不小于10°，具體可以是10°、30°、50°、70°、或80°等等，錐形孔的錐角通常是小于120°的，因此只要錐形孔的錐角在大于等于10°且小于120°的范圍內均可，可以根據實際情況而定，不做具體的限定，在同等長度內可以加大出氣口的直徑，滿足錐形孔出氣口直徑大于第一通孔的孔徑的要求，從而在葉片前緣形成較好的冷卻氣膜，顯著提高葉片冷卻效果，降低葉片前緣壁面溫度。

作為一種具體的實現方式，本實現方式中需要進一步說明的是，所述錐形孔的橫截面為橢圓形結構。橢圓形結構的錐形孔同樣方便加工，內壁面沒有任何的棱角結構，當冷氣進入橢圓形結構的錐形孔內時，不會產生額外的應力，且橢圓形結構的錐形孔的孔徑較大的一端作為其出氣端，孔徑較小的一端作為其進氣端，橢圓形結構的錐形孔的進氣端與第一通孔的出氣端相連通，在保證氣體穩定流通且氣膜孔出氣端變大的基礎上，使得加工更加方便。