CN113107612A - 一种具有弯转角度的气膜孔涡轮叶片 - Google Patents

一种具有弯转角度的气膜孔涡轮叶片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有弯转角度的气膜孔涡轮叶片，包括叶片本体，所述叶片本体包括叶根、叶尖、前缘和尾缘；所述叶片本体的压力面设有第一气膜孔，所述叶片本体的前缘设有第二气膜孔；所述叶片本体的吸力面设有第三气膜孔；本发明通过第一气膜孔、第二气膜孔和第三气膜孔使冷却空气从叶片本体的冷却气流腔中流出，与外部高温燃气相遇，形成冷空气气膜，将叶片与高温燃气隔开，达到冷却目的；在第一气膜孔、第二气膜孔和第三气膜孔的孔入口均垂直于内腔内壁，方便气流从孔流出，较少阻力；而第一气膜孔和第三气膜孔内均有弯转，使第一气膜孔和第三气膜孔的孔出口与外壁叶型切线成一定角度，使冷却空气更贴合叶片外壁面形成气膜。

Description

一种具有弯转角度的气膜孔涡轮叶片
技术领域
本发明涉及涡轮叶片领域，具体涉及一种具有弯转角度的气膜孔涡轮叶片。
背景技术
航空发动机中涡轮部件是发动机中热负荷和动负荷最大的部件，涡轮前温度是影响发动机决定发动机性能的重要因素。研究表明，在其他条件不变的情况下，涡轮前温度提升100K，发动机推力可增加10％～15％。因受涡轮材料的限制，采用有效的冷却措施是发动机安全可靠工作的有力保证。据统计，涡轮前燃气温度平均每年升高大约25K，其中15％左右是依靠冷却技术的进步取得的。
涡轮叶片冷却是涡轮冷却非常重要的部分，涡轮叶片的冷却通常有对流冷却、冲击式冷却、气膜冷却等，其中气膜冷却是通过在叶片表面形成一层冷却空气气膜将高温燃气物理隔绝。气膜冷却效果比对流及冲击冷却效果好，一般冷却温度可达400～600K。
传统涡轮叶片气膜孔的加工有激光打孔(Laser)、电火花高速打孔(EDM)、电化学打孔(ECM)、激光电火花复合打孔、电解电火花复合打孔等工艺。上述工艺能实现等截面直通孔的加工制造。
为达到要求的冷却温度，需要一定量的空气，冷却用空气流量过大，影响发动机性能。传统工艺的涡轮叶片为满足足够的空气量需要较多的开孔数量，过多的开孔数量会减弱叶片的结构强度。
由于传统加工工艺只能加工等截面直通孔，在叶片叶尖及叶根部位由于位置的限制便无法布置气膜孔；
基于上述情况，本发明提出了一种具有弯转角度的气膜孔涡轮叶片，可有效解决以上问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有弯转角度的气膜孔涡轮叶片。本发明的具有弯转角度的气膜孔涡轮叶片，结构简单，使用方便，通过第一气膜孔、第二气膜孔和第三气膜孔使冷却空气从叶片本体的冷却气流腔中流出，与外部高温燃气相遇，形成冷空气气膜，将叶片与高温燃气隔开，达到冷却目的；在第一气膜孔、第二气膜孔和第三气膜孔的孔入口均垂直于内腔内壁，方便气流从孔流出，较少阻力；而第一气膜孔和第三气膜孔内均有弯转，使第一气膜孔和第三气膜孔的孔出口与外壁叶型切线成一定角度，使冷却空气更贴合叶片外壁面形成气膜。
本发明通过下述技术方案实现：
一种具有弯转角度的气膜孔涡轮叶片，包括叶片本体，所述叶片本体包括叶根、叶尖、前缘和尾缘；所述叶片本体的压力面沿叶根至叶尖整个展向区域设置有多列布置的第一气膜孔，所述叶片本体的前缘沿叶根至叶尖整个展向区域设置有多列布置的第二气膜孔；所述叶片本体的吸力面沿叶根至叶尖整个展向区域设置有多列布置的第三气膜孔；所述第一气膜孔、第二气膜孔和第三气膜孔均与所述叶片本体内的冷却气流腔连通；
所述第一气膜孔包括垂直连通所述叶片本体的冷却气流腔的第一垂直段、连通所述叶片本体的压力面的第一扩张段和连通在所述第一垂直段和第一扩张段之间的第一弯转段；
所述第二气膜孔包括垂直连通所述叶片本体的冷却气流腔的第二垂直段和连通所述叶片本体的前缘的第二扩张段；所述第二垂直段和第二扩张段相互连通；
所述第三气膜孔包括垂直连通所述叶片本体的冷却气流腔的第三垂直段、连通所述叶片本体的吸力面的第三扩张段和连通在所述第三垂直段和第三扩张段之间的第三弯转段。
本发明通过所述第一气膜孔、第二气膜孔和第三气膜孔使冷却空气从所述叶片本体的冷却气流腔中流出，与外部高温燃气相遇，形成冷空气气膜，将叶片与高温燃气隔开，达到冷却目的；在所述第一气膜孔、第二气膜孔和第三气膜孔的孔入口均垂直于内腔内壁，方便气流从孔流出，较少阻力；而所述第一气膜孔和第三气膜孔内均有弯转，使所述第一气膜孔和第三气膜孔的孔出口与外壁叶型切线成一定角度，使冷却空气更贴合叶片外壁面形成气膜。
本发明中所述第一气膜孔、第二气膜孔和第三气膜孔的分布是根据所述叶片本体上的温度场进行布置，确保由所述第一气膜孔、第二气膜孔和第三气膜孔形成的空气气膜能达到最好的冷却效果。
所述第一气膜孔、第二气膜孔和第三气膜孔的数量和排列均按照冷却需求设置。
进一步地，叶尖叶根处位置处于叶片边缘，传统气膜孔直通孔加工工艺会造成壁面穿透，故此位置不设置气膜孔，但随着涡轮前温度的提高，叶根处高温对强度的影响越来越大，本发明带弯转的气膜孔可以突破受限的位置设置，特别是叶尖，叶根部位，可实现其温度的显著降低。
优选的，所述叶片本体从叶根至叶尖划分为叶根区和叶尖区；所述叶根区内的第一气膜孔、第二气膜孔和第三气膜孔的开口均倾斜指向所述叶尖区；所述叶尖区内的第一气膜孔、第二气膜孔和第三气膜孔的开口均倾斜指向所述叶根区。
所述叶根区内的气膜孔出口指向所述叶尖区，而所述叶尖区内的气膜孔出口指向所述叶根区，可以更好的引导冷却空气聚集在所述叶片本体，防止冷却气流外泄，与外部高温燃气相遇，聚集后的冷却空气，形成更好的冷空气气膜，更好的将叶片与高温燃气隔开，达到更好的冷却效果。
进一步的，本发明所述第一气膜孔、第二气膜孔和第三气膜孔的开口均由低温区指向高温区，更好的将冷却空气聚集到高温区，增强气孔膜在高温区的隔离效果，保证所述叶片本体上每一处均具有较好的冷却效果。
优选的，所述第一扩张段在所述叶片本体的压力面上的开口与压力面叶型切线的角度为α1，且α1＝10°～30°；所述第一弯折段的弯折角度为β1，且β1＝α1+90°，即β1＝100°～120°；所述第一扩张段的扩张角为θ1，且θ1＝5°～20°。
将所述第一气膜孔的孔出口，即所述第一扩张段在所述叶片本体的压力面上的开口与压力面叶型切线的角度控制在10°～30°，可以使冷却空气更好的贴合在所述叶片本体的压力面形成气膜；将所述第一扩张段的扩张角控制在5°～20°，实现较少流量的冷却空气在所述叶片本体的压力面均匀扩散，达到冷却温度的要求。
优选的，所述第二扩张段的扩张角为θ2，且θ2＝5°～15°。
将所述第而扩张段的扩张角控制在5°～15°，实现较少流量的冷却空气在所述叶片本体的前缘均匀扩散，达到冷却温度的要求。
优选的，所述第三扩张段在所述叶片本体的吸力面上的开口与吸力面叶型切线的角度为α3，且α3＝10°～30°；所述第三弯折段的弯折角度为β3，且β3＝α3+90°，即β3＝100°～120°；所述第三扩张段的扩张角为θ3，且θ3＝5°～20°。
将所述第三气膜孔的孔出口，即所述第三扩张段在所述叶片本体的吸力面上的开口与吸力面叶型切线的角度控制在10°～30°，可以使冷却空气更好的贴合在所述叶片本体的吸力面形成气膜；将所述第三扩张段的扩张角控制在5°～20°，实现较少流量的冷却空气在所述叶片本体的吸力面均匀扩散，达到冷却温度的要求。
优选的，所述叶片本体采用增材制造技术一体成型。
本发明的第一气膜孔、第二气膜孔和第三气膜孔的弯转和扩张都需依靠增材制造技术制造；且采用增材制造技术一体成型可以确保所述叶片本体具有更好的结构强度。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明的具有弯转角度的气膜孔涡轮叶片，结构简单，使用方便，通过第一气膜孔、第二气膜孔和第三气膜孔使冷却空气从叶片本体的冷却气流腔中流出，与外部高温燃气相遇，形成冷空气气膜，将叶片与高温燃气隔开，达到冷却目的；在第一气膜孔、第二气膜孔和第三气膜孔的孔入口均垂直于内腔内壁，方便气流从孔流出，较少阻力；而第一气膜孔和第三气膜孔内均有弯转，使第一气膜孔和第三气膜孔的孔出口与外壁叶型切线成一定角度，使冷却空气更贴合叶片外壁面形成气膜。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的正视结构示意图；
图3为本发明所述第一气膜孔的剖视结构示意图；
图4为本发明所述第二气膜孔的剖视结构示意图；
图5为本发明所述第三气膜孔的剖视结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1：
如图1至5所示，一种具有弯转角度的气膜孔涡轮叶片，包括叶片本体1，所述叶片本体1包括叶根、叶尖、前缘和尾缘；所述叶片本体1的压力面沿叶根至叶尖整个展向区域设置有多列布置的第一气膜孔11，所述叶片本体1的前缘沿叶根至叶尖整个展向区域设置有多列布置的第二气膜孔12；所述叶片本体1的吸力面沿叶根至叶尖整个展向区域设置有多列布置的第三气膜孔13；所述第一气膜孔11、第二气膜孔12和第三气膜孔13均与所述叶片本体1内的冷却气流腔连通；
所述第一气膜孔11包括垂直连通所述叶片本体1的冷却气流腔的第一垂直段111、连通所述叶片本体1的压力面的第一扩张段112和连通在所述第一垂直段111和第一扩张段112之间的第一弯转段113；
所述第二气膜孔12包括垂直连通所述叶片本体1的冷却气流腔的第二垂直段121和连通所述叶片本体1的前缘的第二扩张段122；所述第二垂直段121和第二扩张段122相互连通；
所述第三气膜孔13包括垂直连通所述叶片本体1的冷却气流腔的第三垂直段131、连通所述叶片本体1的吸力面的第三扩张段132和连通在所述第三垂直段131和第三扩张段132之间的第三弯转段133。
进一步地，在另一个实施例中，所述叶片本体1从叶根至叶尖划分为叶根区14和叶尖区15；所述叶根区14内的第一气膜孔11、第二气膜孔12和第三气膜孔13的开口均倾斜指向所述叶尖区15；所述叶尖区15内的第一气膜孔11、第二气膜孔12和第三气膜孔13的开口均倾斜指向所述叶根区14。
进一步地，在另一个实施例中，所述第一扩张段112在所述叶片本体1的压力面上的开口与压力面叶型切线的角度为α1，且α1＝10°～30°；所述第一弯折段113的弯折角度为β1，且β1＝α1+90°，即β1＝100°～120°；所述第一扩张段112的扩张角为θ1，且θ1＝5°～20°。
进一步地，在另一个实施例中，所述第二扩张段122的扩张角为θ2，且θ2＝5°～15°。
进一步地，在另一个实施例中，所述第三扩张段132在所述叶片本体1的吸力面上的开口与吸力面叶型切线的角度为α3，且α3＝10°～30°；所述第三弯折段133的弯折角度为β3，且β3＝α3+90°，即β3＝100°～120°；所述第三扩张段132的扩张角为θ3，且θ3＝5°～20°。
进一步地，在另一个实施例中，所述叶片本体1采用增材制造技术一体成型。
实施例2：
如图1至5所示，一种具有弯转角度的气膜孔涡轮叶片，包括叶片本体1，所述叶片本体1包括叶根、叶尖、前缘和尾缘；所述叶片本体1的压力面沿叶根至叶尖整个展向区域设置有多列布置的第一气膜孔11，所述叶片本体1的前缘沿叶根至叶尖整个展向区域设置有多列布置的第二气膜孔12；所述叶片本体1的吸力面沿叶根至叶尖整个展向区域设置有多列布置的第三气膜孔13；所述第一气膜孔11、第二气膜孔12和第三气膜孔13均与所述叶片本体1内的冷却气流腔连通；
所述第一气膜孔11包括垂直连通所述叶片本体1的冷却气流腔的第一垂直段111、连通所述叶片本体1的压力面的第一扩张段112和连通在所述第一垂直段111和第一扩张段112之间的第一弯转段113；
所述第二气膜孔12包括垂直连通所述叶片本体1的冷却气流腔的第二垂直段121和连通所述叶片本体1的前缘的第二扩张段122；所述第二垂直段121和第二扩张段122相互连通；
所述第三气膜孔13包括垂直连通所述叶片本体1的冷却气流腔的第三垂直段131、连通所述叶片本体1的吸力面的第三扩张段132和连通在所述第三垂直段131和第三扩张段132之间的第三弯转段133。
进一步地，在另一个实施例中，所述叶片本体1从叶根至叶尖划分为叶根区14和叶尖区15；所述叶根区14内的第一气膜孔11、第二气膜孔12和第三气膜孔13的开口均倾斜指向所述叶尖区15；所述叶尖区15内的第一气膜孔11、第二气膜孔12和第三气膜孔13的开口均倾斜指向所述叶根区14。
进一步地，在另一个实施例中，所述第一扩张段112在所述叶片本体1的压力面上的开口与压力面叶型切线的角度为α1，且α1＝20°；所述第一弯折段113的弯折角度为β1，且β1＝α1+90°，即β1＝110°；所述第一扩张段112的扩张角为θ1，且θ1＝15°。
进一步地，在另一个实施例中，所述第二扩张段122的扩张角为θ2，且θ2＝10°。
进一步地，在另一个实施例中，所述第三扩张段132在所述叶片本体1的吸力面上的开口与吸力面叶型切线的角度为α3，且α3＝20°；所述第三弯折段133的弯折角度为β3，且β3＝α3+90°，即β3＝110°；所述第三扩张段132的扩张角为θ3，且θ3＝15°。
进一步地，在另一个实施例中，所述叶片本体1采用增材制造技术一体成型。
依据本发明的描述及附图，本领域技术人员很容易制造或使用本发明的具有弯转角度的气膜孔涡轮叶片，并且能够产生本发明所记载的积极效果。
如无特殊说明，本发明中，若有术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此本发明中描述方位或位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以结合附图，并根据具体情况理解上述术语的具体含义。
除非另有明确的规定和限定，本发明中，若有术语“设置”、“相连”及“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有弯转角度的气膜孔涡轮叶片，其特征在于：包括叶片本体(1)，所述叶片本体(1)包括叶根、叶尖、前缘和尾缘；所述叶片本体(1)的压力面沿叶根至叶尖整个展向区域设置有多列布置的第一气膜孔(11)，所述叶片本体(1)的前缘沿叶根至叶尖整个展向区域设置有多列布置的第二气膜孔(12)；所述叶片本体(1)的吸力面沿叶根至叶尖整个展向区域设置有多列布置的第三气膜孔(13)；所述第一气膜孔(11)、第二气膜孔(12)和第三气膜孔(13)均与所述叶片本体(1)内的冷却气流腔连通；
所述第一气膜孔(11)包括垂直连通所述叶片本体(1)的冷却气流腔的第一垂直段(111)、连通所述叶片本体(1)的压力面的第一扩张段(112)和连通在所述第一垂直段(111)和第一扩张段(112)之间的第一弯转段(113)；
所述第二气膜孔(12)包括垂直连通所述叶片本体(1)的冷却气流腔的第二垂直段(121)和连通所述叶片本体(1)的前缘的第二扩张段(122)；所述第二垂直段(121)和第二扩张段(122)相互连通；
所述第三气膜孔(13)包括垂直连通所述叶片本体(1)的冷却气流腔的第三垂直段(131)、连通所述叶片本体(1)的吸力面的第三扩张段(132)和连通在所述第三垂直段(131)和第三扩张段(132)之间的第三弯转段(133)。
2.根据权利要求1所述的一种具有弯转角度的气膜孔涡轮叶片，其特征在于：所述叶片本体(1)从叶根至叶尖划分为叶根区(14)和叶尖区(15)；所述叶根区(14)内的第一气膜孔(11)、第二气膜孔(12)和第三气膜孔(13)的开口均倾斜指向所述叶尖区(15)；所述叶尖区(15)内的第一气膜孔(11)、第二气膜孔(12)和第三气膜孔(13)的开口均倾斜指向所述叶根区(14)。
3.根据权利要求1所述的一种具有弯转角度的气膜孔涡轮叶片，其特征在于：所述第一扩张段(112)在所述叶片本体(1)的压力面上的开口与压力面叶型切线的角度为α1，且α1＝10°～30°；所述第一弯折段(113)的弯折角度为β1，且β1＝α1+90°，即β1＝100°～120°；所述第一扩张段(112)的扩张角为θ1，且θ1＝5°～20°。
4.根据权利要求1所述的一种具有弯转角度的气膜孔涡轮叶片，其特征在于：所述第二扩张段(122)的扩张角为θ2，且θ2＝5°～15°。
5.根据权利要求1所述的一种具有弯转角度的气膜孔涡轮叶片，其特征在于：所述第三扩张段(132)在所述叶片本体(1)的吸力面上的开口与吸力面叶型切线的角度为α3，且α3＝10°～30°；所述第三弯折段(133)的弯折角度为β3，且β3＝α3+90°，即β3＝100°～120°；所述第三扩张段(132)的扩张角为θ3，且θ3＝5°～20°。
6.根据权利要求1所述的一种具有弯转角度的气膜孔涡轮叶片，其特征在于：所述叶片本体(1)采用增材制造技术一体成型。
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