CN113027537B - 一种气膜孔结构及涡轮叶片 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种气膜孔结构及涡轮叶片。包括：气膜孔本体；本申请将进气段作为气膜孔本体的气流进气孔部分，其靠近空间坐标系Z轴壁面竖直设置，其远离空间坐标系Z轴壁面倾斜设置，随着进气段截面面积增大，气流流动速度减慢；利用过渡段作为气流过渡孔部分，其壁面截面呈弧形形状，且开口方向相对设置，其靠近空间坐标系Z轴壁面与进气段、出气段的连接处均相切连接，减缓气流流出速度，加强冷却效果；利用出气段作为气流出气孔部分，其壁面相对空间坐标系Z轴倾斜设置，其靠近过渡段壁面平行设置，其远离过渡段的壁面结构呈簸箕形形状，由于气流出口处呈偏角形式和外界高温空气共同作用，使气膜孔本体内部形成漩涡，对气膜孔内部再次冷却。

Description

一种气膜孔结构及涡轮叶片

技术领域

本发明公开一般涉及航空发动机涡轮叶片冷却设备技术领域，具体涉及一种气膜孔结构及涡轮叶片。

背景技术

随着人们对燃气轮机整机效率和推重比等性能指标的追求不断提高，涡轮部件的热负荷也不断增加，这就对叶片材料提出了严峻的挑战。而目前涡轮叶片的材料的使用已经到了一个瓶颈的状态，材料的耐热性已经达到了一个上限的状态，不能满足涡轮前温度快速提升下的涡轮叶片的性能需求，此时，若仍需要提高发动机的整机效率，就需要燃烧室产生更高的热量，使得涡轮叶片需承受更高的温度。所以，为了保证涡轮叶片的安全性和可靠性，必须发展高效的涡轮冷却技术。

目前，现有的涡轮冷却方法中，气膜冷却是冷却效率相对较高的一种方法。而对于气膜孔的结构形态主要有：圆柱形孔、圆锥形孔、缝形孔等，但孔内的具体结构大体上为截面积一样的圆形，对于叶片内部的换热的冷却，起不到太大的效果。因此，我们提出一种气膜孔结构，用以解决上述的涡轮叶片气膜孔冷却时，冷却气流无法充分与叶片内部接触，造成对叶片内部冷却换热能力不足的问题。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种保障冷却气流对涡轮叶片外壁的冷却与隔热，增强叶片内部冷却换热效果，结构简单且易于实现的气膜孔结构及涡轮叶片。

第一方面，本申请提供一种气膜孔结构，包括：气膜孔本体；依据所述气膜孔本体建立空间坐标系，空间坐标系的X轴与所述气膜孔本体的冷气进口平面平行设置，其Z轴与所述气膜孔本体的冷气出口平面垂直设置；

所述气膜孔本体包括：沿空间坐标系Z轴延伸方向从下至上依次设置的进气段、过渡段以及出气段；所述进气段相对靠近空间坐标系Z轴的壁面竖直设置，其远离空间坐标系Z轴的壁面倾斜设置；

所述过渡段的壁面截面呈弧形形状，且弧形壁面的开口方向相对设置；所述过渡段相对靠近空间坐标系Z轴的壁面与所述进气段、所述出气段的连接处均为相切设置；

所述出气段的壁面相对空间坐标系Z轴倾斜设置，所述出气段相对靠近所述过渡段一侧的壁面平行设置，且其相对远离所述过渡段一侧的壁面的截面呈簸箕形形状；所述出气段的气流出口处呈偏角形式。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述出气段的平行壁面的中心线延长线与所述冷气出口形成的角度为30°。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述出气段的平行壁面的中心线延长线与所述出气段相对远离空间坐标系Z轴且远离所述过渡段的壁面形成的角度为10°。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述出气段的平行壁面处的直径长度等于所述进气段冷气进口处直径长度。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述进气段的倾斜壁面与空间坐标系X轴延伸方向形成的角度为60°。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述过渡段的最大直径长度等于所述进气段冷气进口处直径长度的4倍。

第二方面，本申请提供一种涡轮叶片，包括：叶片本体和交错排布在所述叶片本体上的上述的一种气膜孔结构。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述叶片本体上设置有弧形槽，且其位于相邻的两个所述气膜孔结构之间。

综上所述，本技术方案具体地公开了一种气膜孔结构的具体结构。本申请具体地利用进气段作为气膜孔本体的气流进气孔部分，其靠近空间坐标系Z轴的壁面竖直设置，进气段远离空间坐标系Z轴的壁面倾斜设置，随着气流进气孔部分内横截面面积逐渐增大，气流流动的速度也会相应地减慢；利用过渡段作为气膜孔本体的气流过渡孔部分，其壁面截面呈弧形形状，且其开口方向相对设置，其相对靠近空间坐标系Z轴的壁面与进气段、出气段的连接处均相切连接，减缓冷却气流流出速度，也改变了从主孔流出气流流场的分布，使得冷气流与高温气流更好地混合，充分地与孔内壁进行换热，加强冷却效果；本技术方案进一步地利用出气段作为气膜孔本体的气流出气孔部分，其壁面相对空间坐标系Z轴倾斜设置，其相对靠近过渡段一侧的壁面平行设置，出气段相对远离过渡段一侧的壁面的结构呈簸箕形形状，由于气流出口处呈偏角形式，以及外界高温空气的因素共同作用，会使气膜孔本体内部形成漩涡，可对气膜孔本体内部进行再次的冷却，得到更好地冷却效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为第一种气膜孔结构的结构示意图。

图2为第二种气膜孔结构的结构示意图

图3为涡轮叶片的结构示意图。

图中标号：1、气膜孔本体；2、进气段；3、过渡段；4、出气段；5、叶片本体；6、弧形槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例一

请参考图1、图2所示的本申请提供的一种气膜孔结构的结构示意图，包括：气膜孔本体1；依据所述气膜孔本体1建立空间坐标系，空间坐标系的X轴与所述气膜孔本体1的冷气进口平面平行设置，其Z轴与所述气膜孔本体1的冷气出口平面垂直设置；

所述气膜孔本体1包括：沿空间坐标系Z轴延伸方向从下至上依次设置的进气段2、过渡段3以及出气段4；所述进气段2相对靠近空间坐标系Z轴的壁面竖直设置，其远离空间坐标系Z轴的壁面倾斜设置；

所述过渡段3的壁面截面呈弧形形状，且弧形壁面的开口方向相对设置；所述过渡段3相对靠近空间坐标系Z轴的壁面与所述进气段2、所述出气段4的连接处均为相切设置；

所述出气段4的壁面相对空间坐标系Z轴倾斜设置，所述出气段4相对靠近所述过渡段3一侧的壁面平行设置，且其相对远离所述过渡段3一侧的壁面的截面呈簸箕形形状。

在本实施例中，如图1所示，进气段2，即为气膜孔本体1的气流进气孔部分，此气流进气孔部分的直径为D；进气段2相对靠近空间坐标系Z轴的壁面竖直设置，其与气流进气孔部分入口处的平面呈90°，为竖直进气壁面；进气段2远离空间坐标系Z轴的壁面倾斜设置，其与气流进气孔部分入口处的平面呈60°，为倾斜进气壁面，并且此壁面的截面母线长度为1.5D；随着气流进气孔部分内横截面面积逐渐增大，气流流动的速度也会相应地减慢，从而更好地冷却孔内壁；

过渡段3，即为气膜孔本体1的气流过渡孔部分，其壁面截面呈弧形形状，为弧形过渡壁面，并且其开口方向相对设置，此气流过渡孔部分的最大直径长度为4D；其中，气流过渡孔部分相对靠近空间坐标系Z轴的壁面与进气段2、出气段4的连接处均相切连接，减缓冷却气流流出速度，也改变了从主孔流出气流流场的分布，使得冷气流与高温气流更好地混合，充分地与孔内壁进行换热，加强冷却效果；

出气段4，即为气膜孔本体1的气流出气孔部分，其相对靠近过渡段3一侧的壁面平行设置，为平行出气壁面，此平行出气壁面构成圆柱状出气段部分，作为出气段4与过渡段3的连接段，此部分孔直径为D；其相对靠近空间坐标系Z轴的壁面向空间坐标系Z轴一侧倾斜设置，其与圆柱状出气段部分的中心延长线形成的角度为130°，圆柱状出气段部分的中心线延长线与冷气出口平面形成的角度为30°，而出气段4远离空间坐标系Z轴的壁面向远离空间坐标系Z轴一侧倾斜设置，其与圆柱状出气段部分的中心延长线形成的角度为10°，两种壁面的截面能够形成簸箕形形状，由于气流出口处呈偏角形式，以及外界高温空气的因素共同作用，会使气膜孔本体1内部形成漩涡，可对气膜孔本体1内部进行再次的冷却，得到更好地冷却效果。

如图2所示，与上述的图1的气膜孔结构相比，此气膜孔结构的出气段4有所不同；此出气段4壁面相对空间坐标系Z轴倾斜设置，出气段4相对远离过渡段3一侧的壁面的结构呈簸箕形形状，为簸箕形出气壁面；圆柱状出气段部分的中心线延长线与冷气出口平面形成的角度为30°；圆柱状出气段部分的中心线延长线与出气段4相对远离空间坐标系Z轴且远离过渡段3的壁面形成的角度为15°；由于气流出口处呈偏角形式，以及外界高温空气的因素共同作用，会使气膜孔本体1内部形成漩涡，可对气膜孔本体1内部进行再次的冷却，得到更好地冷却效果。

实施例二

如图3所示，一种涡轮叶片，包括：叶片本体5和交错排布在所述叶片本体5上的实施例一所述的一种气膜孔结构。

在本实施例中，上述实施例一中的气膜孔结构交错排布在叶片本体5上，避免叶片由于气膜孔内部设置的过渡段3结构形式，而产生孔强度不足的现象；并且，保证在气膜孔内部有过渡段3结构的情况下，整体涡轮叶片的强度不会减弱，冷却气流从发动机流出后进入涡轮叶片的底端，再由叶片底端进入叶片内部，而在气流进入叶片后会随着压差进入气膜孔，当气流从孔内流出时，受到外部高温、高速的空气流的力作用，使得冷却气流可以覆盖到涡轮叶片外表面上，对叶片起到降温和隔热的作用，从而能更好地保证涡轮叶片的工作；

其中，气膜孔结构在叶片本体5上交错排布的方式，例如，如图3所示，以排布14个气膜孔为例，

在叶片本体5的高度方向设置7个气膜孔组，并将7个气膜孔组从高度方向由上至下依次编号为1、2、3、4、5、6、7；奇数编号的气膜孔组位于同一竖直线上，偶数编号的气膜孔组位于同一竖直线上，且两条竖直线不重合，而每个气膜孔组有两个在水平方向上相邻设置的气膜孔，从而形成交错排布，以保证在气膜孔内部有凹槽的情况下，整体叶片的强度仍不会减弱。并且，使冷却气流尽量多地覆盖到叶片外壁上。

在任一优选的实施例中，所述叶片本体5上设置有弧形槽6，且其位于相邻的两个所述气膜孔结构之间。

在本实施例中，如图1、图2所示，弧形槽6，设置在所述叶片本体5上，且其位于相邻的两个所述气膜孔结构之间，用于增大气膜孔覆盖的面积，从而增大涡轮叶片外表面的冷却程度，提高冷却效果。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (6)

1.一种气膜孔结构，其特征在于，包括：气膜孔本体（1）；依据所述气膜孔本体（1）建立空间坐标系，空间坐标系的X轴与所述气膜孔本体（1）的冷气进口平面平行设置，其Z轴与所述气膜孔本体（1）的冷气出口平面垂直设置；

所述气膜孔本体（1）包括：沿空间坐标系Z轴延伸方向从下至上依次设置的进气段（2）、过渡段（3）以及出气段（4）；所述进气段（2）相对靠近空间坐标系Z轴的壁面竖直设置，其远离空间坐标系Z轴的壁面倾斜设置；

所述过渡段（3）的壁面截面呈弧形形状，且弧形壁面的开口方向相对设置；所述过渡段（3）相对靠近空间坐标系Z轴的壁面与所述进气段（2）、所述出气段（4）的连接处均为相切设置；

所述出气段（4）的壁面相对空间坐标系Z轴倾斜设置，所述出气段（4）相对靠近所述过渡段（3）一侧的壁面平行设置，为平行出气壁面，所述平行出气壁面构成圆柱状出气段部分；

所述出气段（4）远离所述过渡段（3）的一侧呈簸箕形形状；所述出气段（4）远离所述过渡段（3）的一侧相对靠近空间坐标系Z轴的壁面向空间坐标系Z轴一侧倾斜设置，且其与圆柱状出气段部分的中心延长线形成的角度为130°；所述圆柱状出气段部分的中心线延长线与冷气出口平面形成的角度为30°；所述出气段（4）远离所述过渡段（3）的一侧远离空间坐标系Z轴的壁面向远离空间坐标系Z轴一侧倾斜设置，且其与圆柱状出气段部分的中心延长线形成的角度为10°；所述出气段（4）的气流出口处呈偏角形式。

2.根据权利要求1所述的一种气膜孔结构，其特征在于，所述出气段（4）的平行壁面处的直径长度等于所述进气段（2）冷气进口处直径长度。

3.根据权利要求1所述的一种气膜孔结构，其特征在于，所述进气段（2）的倾斜壁面与空间坐标系X轴延伸方向形成的角度为60°。

4.根据权利要求1所述的一种气膜孔结构，其特征在于，所述过渡段（3）的最大直径长度等于所述进气段（2）冷气进口处直径长度的4倍。

5.一种涡轮叶片，其特征在于，包括：叶片本体（5）和交错排布在所述叶片本体（5）上的权利要求1至4任一项所述的一种气膜孔结构。

6.根据权利要求5所述的一种涡轮叶片，其特征在于，所述叶片本体（5）上设置有弧形槽（6），且其位于相邻的两个所述气膜孔结构之间。

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