[發(fā)明專(zhuān)利]一種用于渦輪葉片的氣膜冷卻復(fù)合孔結(jié)構(gòu)及渦輪葉片

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110769505.4
• 申請(qǐng)日: 2021-07-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113356932B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-04-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李躍明;高俊;楊雄偉;柴怡君;耿謙
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): F01D5/18
• 分類(lèi)號(hào): F01D5/18
• 代理公司: 西安通大專(zhuān)利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 姚詠華

本發(fā)明屬于燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的傳熱與冷卻技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于渦輪葉片的氣膜冷卻復(fù)合孔結(jié)構(gòu)，渦輪葉片包括氣膜孔板和設(shè)置在氣膜孔板上的熱障涂層，在氣膜孔板內(nèi)開(kāi)有若干個(gè)復(fù)合氣膜孔，在熱障涂層上開(kāi)有啞鈴型凹槽；復(fù)合氣膜孔包括連通的展向擴(kuò)張段和直孔段，直孔段與渦輪葉片的內(nèi)冷通道連通，展向擴(kuò)張段的出口與啞鈴型凹槽連通。啞鈴型凹槽的導(dǎo)向作用使得冷卻氣流可在凹槽內(nèi)橫向縱向均有擴(kuò)散，射流動(dòng)量被削弱，展向覆蓋能力得到較大提升；此外，啞鈴形凹槽改變了腎型渦對(duì)旋向，并在主流壓迫作用下渦對(duì)向凹槽兩側(cè)發(fā)展，使得冷氣射流更好的貼附壁面；氣膜孔在出口含展向擴(kuò)張段可進(jìn)一步減小射流動(dòng)量，加速氣膜在槽內(nèi)擴(kuò)散，具有優(yōu)異的冷卻效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的傳熱與冷卻技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于渦輪葉片的氣膜冷卻復(fù)合孔結(jié)構(gòu)及渦輪葉片。

背景技術(shù)

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的快速發(fā)展，渦輪前進(jìn)口溫度不斷提高，先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度已達(dá)到2000K左右，這已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了渦輪葉片材料的耐溫極限。為保障渦輪的安全運(yùn)行需采用各種冷卻技術(shù)對(duì)葉片進(jìn)行冷卻，主要包括內(nèi)部冷卻和外部冷卻。外部冷卻亦稱(chēng)氣膜冷卻，即從壓氣機(jī)末級(jí)抽取部分壓縮空氣并旁通燃燒室直接進(jìn)入渦輪，讓冷卻空氣從葉片內(nèi)部通過(guò)離散孔噴射到高溫燃?xì)馔ǖ纻?cè)表面，這股冷氣在主流壓迫和科恩達(dá)效應(yīng)的作用下向下游彎曲，粘附在葉片壁面附近，形成溫度較低的冷氣膜，將壁面同高溫燃?xì)飧糸_(kāi)，并帶走部分高溫燃?xì)鈱?duì)壁面的輻射熱量，從而對(duì)葉片起到良好的保護(hù)作用。冷氣的抽取造成了系統(tǒng)效率的降低，實(shí)現(xiàn)在相同或更少的冷氣流量下達(dá)到更好氣膜冷卻效果是目前異型氣膜孔研究的熱點(diǎn)。

當(dāng)前，渦輪葉片上的離散孔主要采用圓柱孔型，但圓柱孔型射流比較集中，孔與孔之間區(qū)域是被冷卻的薄弱區(qū)域，冷卻氣膜對(duì)葉片表面不能形成較好覆蓋。隨著熱障涂層在渦輪葉片的廣泛應(yīng)用，凹槽氣膜孔結(jié)構(gòu)被提出。凹槽氣膜孔結(jié)構(gòu)是指在葉片表面噴涂熱障涂層時(shí)，在氣膜孔出口的位置留出一個(gè)凹槽，冷卻氣流流出氣膜孔后，先在凹槽內(nèi)形成展向擴(kuò)散，然后再流出凹槽形成氣膜覆蓋，從而解決圓柱孔氣膜展向覆蓋度不足的問(wèn)題。傳統(tǒng)的橫槽氣膜孔將槽內(nèi)氣流的擴(kuò)散限制在兩個(gè)方向，會(huì)在凹槽內(nèi)形成回旋渦，增大流動(dòng)阻力，從而縮小了氣膜射流在展向擴(kuò)散能力的提升空間。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種用于渦輪葉片的氣膜冷卻復(fù)合孔結(jié)構(gòu)及渦輪葉片，解決了橫槽氣膜孔的氣膜射流的展向擴(kuò)散能力較低的問(wèn)題。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種用于渦輪葉片的氣膜冷卻復(fù)合孔結(jié)構(gòu)，渦輪葉片包括氣膜孔板和設(shè)置在氣膜孔板上的熱障涂層，在氣膜孔板內(nèi)開(kāi)有若干個(gè)復(fù)合氣膜孔，在熱障涂層上開(kāi)有啞鈴型凹槽；

復(fù)合氣膜孔包括連通的展向擴(kuò)張段和直孔段，直孔段與渦輪葉片的內(nèi)冷通道連通，展向擴(kuò)張段的出口與啞鈴型凹槽連通。

進(jìn)一步，啞鈴型凹槽由若干個(gè)凹槽單胞連接而成，凹槽單胞的橫截面為兩個(gè)連接的梯形，該兩個(gè)梯形公用短邊，兩個(gè)梯形連接處形成凹槽喉部。

進(jìn)一步，展向擴(kuò)張段的出口的前后緣與凹槽喉部平齊。

進(jìn)一步，展向擴(kuò)張段的直徑從出口到與直孔段連接的進(jìn)口處，直徑逐漸變小。

進(jìn)一步，直孔段直徑為Dh，長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，L1大小為（2~10）Dh；展向擴(kuò)張段長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，L2大小為6Dh；

凹槽單胞的長(zhǎng)度與復(fù)合氣膜孔的展向間距相同，凹槽單胞的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，L取值范圍為（3~5）Dh；

啞鈴型凹槽的深度為S，S取值范圍為（0.3~1.5）Dh。

進(jìn)一步，Dh的取值范圍為0.3~1.5mm。

進(jìn)一步，復(fù)合氣膜孔的流向傾角為，取值范圍為30~60°。

進(jìn)一步，展向擴(kuò)張段的展向擴(kuò)張角為β，β取值范圍為5~15°。