CN114687810A - 一种带有非均匀预扩张气模孔的涡轮叶片 - Google Patents

Abstract

一种带有非均匀预扩张气模孔的涡轮叶片，该涡轮叶片的气模孔采用非均匀预扩张结构；当气模孔位于涡轮叶片前缘部位时，在气模孔出口下沿设有开槽，气模孔出口上沿设有帽檐；当气模孔位于涡轮叶片中部时，仅在气模孔出口下沿设置开槽，气模孔出口上沿不设帽檐；当气模孔位于涡轮叶片尾缘部位时，在气模孔出口处仅设置开槽，通过开槽增大气模孔的出口直径；气模孔的非均匀预扩张结构需要根据热障涂层沉积的形貌结构进行确定；开槽体积大于气模孔出口平面处热障涂层沉积的体积；当气模孔位于涡轮叶片的前缘及中部时，开槽的形状与气膜孔出口截面处的热障涂层沉积形貌结构相同且方向相反；当气模孔位于涡轮叶片的前缘及中部时，开槽采用弯钩型槽。

Description

一种带有非均匀预扩张气模孔的涡轮叶片

技术领域

本发明属于燃气轮机涡轮叶片冷却技术领域，特别是涉及一种带有非均匀预扩张气模孔的涡轮叶片。

背景技术

燃气涡轮发动机通过转子叶片的转动将热能转化为机械能，涡轮转子叶片工作的高温高压环境对冷却性能和结构强度有非常高的要求，通常采用热障涂层隔热和气膜冷却相结合的冷却方式对叶片金属基体进行热防护。

然而，热障涂层的喷涂过程不可避免地造成一定程度的气膜孔出口段局部堵塞，相同的冷气量通过出口截面变小的气膜孔，会导致气膜孔射流速度增加。同时，由于堵塞物在靠近气膜孔下沿处沉积，会导致冷气射流方向和壁面之间夹角增大。

正是由于上述两种不利因素的存在，导致热障涂层喷涂后从气膜孔喷出的冷气所产生的冷却效果，反而达不到热障涂层在喷涂前从气膜孔喷出的冷气所产生的冷却效果。这种结果的产生，意味着热障涂层虽然自身起到了隔热效果，但也降低了原有的气膜冷却效果，导致热障涂层对叶片综合冷却效果的改善并不显著，甚至出现喷涂热障涂层之后综合冷却效果反而下降的情况，即热障涂层喷涂后的叶片金属基体温度反而升高。

尽管可以从热障涂层喷涂工艺着手减弱孔内沉积，以达到提高热障涂层和气膜冷却的综合冷却效果，但是从气膜孔结构设计着手，喷涂热障涂层的叶片气膜冷却可能更容易达到设计要求。

对气膜孔进行预先扩张虽然可以抵消孔内沉积形成的堵塞，但是气膜孔径过度扩大会导致冷气流量增加，对于高性能发动机设计是不容许的。同时，将气膜孔入口到出口等尺寸扩大，仍然会出现冷气在气膜孔出口喷射角度增加。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种带有非均匀预扩张气模孔的涡轮叶片，通过改变涡轮叶片上气膜孔的结构，用以改变冷气流的方向和速度，使新结构的气膜孔在热障涂层喷涂沉积后与原有气膜孔的设计参数相近，更有利于冷气贴合壁面，形成有利于气膜覆盖的流场，从而达到增加气膜效率、解决热障涂层和气膜冷却综合冷效降低的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种带有非均匀预扩张气模孔的涡轮叶片，该涡轮叶片的气模孔采用非均匀预扩张结构；当所述气模孔位于涡轮叶片的前缘部位时，在气模孔的出口下沿设有开槽，在气模孔的出口上沿设有帽檐；当所述气模孔位于涡轮叶片的中部位置时，仅在气模孔的出口下沿设置开槽，在气模孔的出口上沿不设帽檐；当所述气模孔位于涡轮叶片的尾缘部位时，在气模孔的出口处仅设置开槽，通过开槽增大气模孔的出口直径。

所述气模孔的非均匀预扩张结构需要根据热障涂层沉积的形貌结构进行确定。

所述开槽的体积大于气模孔出口平面处热障涂层沉积的体积。

当所述气模孔位于涡轮叶片的前缘部位时，所述开槽的形状与气膜孔出口截面处的热障涂层沉积形貌结构相同且方向相反。

当所述气模孔位于涡轮叶片的中部位置时，所述开槽的形状与气膜孔出口截面处的热障涂层沉积形貌结构相同且方向相反。

当所述气模孔位于涡轮叶片的前缘部位以及中部位置时，所述开槽采用弯钩型槽。

本发明的有益效果：

本发明的带有非均匀预扩张气模孔的涡轮叶片，通过改变涡轮叶片上气膜孔的结构，用以改变冷气流的方向和速度，使新结构的气膜孔在热障涂层喷涂沉积后与原有气膜孔的设计参数相近，更有利于冷气贴合壁面，形成有利于气膜覆盖的流场，从而达到增加气膜效率、解决热障涂层和气膜冷却综合冷效降低的技术问题。

附图说明

图1a为传统气膜孔出口形成热障涂层沉积前的结构示意图；

图1b为传统气膜孔出口形成热障涂层沉积后的结构示意图；

图2为在传统气膜孔出口形成热障涂层沉积后进行预扩孔设计的示意图；

图3a为本发明的气模孔位于涡轮叶片的中部位置时的结构示意图(沉积前)；

图3b为本发明的气模孔位于涡轮叶片的中部位置时的结构示意图(沉积后)；

图4a为本发明的气模孔位于涡轮叶片的前缘位置时的结构示意图(沉积前)；

图4b为本发明的气模孔位于涡轮叶片的前缘位置时的结构示意图(沉积后)；

图5a为本发明的气模孔位于涡轮叶片的尾缘位置时的结构示意图(沉积前)；

图5b为本发明的气模孔位于涡轮叶片的尾缘位置时的结构示意图(沉积后)；

图6为气膜孔出口平面处的热障涂层沉积的形貌示意图；

图7为本发明带有非均匀预扩张气模孔的涡轮叶片的结构示意图；

图中，1—气模孔，2—开槽，3—帽檐，4—热障涂层沉积，5—热障涂层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图7所示，一种带有非均匀预扩张气模孔的涡轮叶片，该涡轮叶片的气模孔1采用非均匀预扩张结构；当所述气模孔1位于涡轮叶片的前缘部位时，在气模孔1的出口下沿设有开槽2，在气模孔1的出口上沿设有帽檐3；当所述气模孔1位于涡轮叶片的中部位置时，仅在气模孔1的出口下沿设置开槽2，在气模孔1的出口上沿不设帽檐3；当所述气模孔1位于涡轮叶片的尾缘部位时，在气模孔1的出口处仅设置开槽2，通过开槽2增大气模孔1的出口直径。

所述气模孔1的非均匀预扩张结构需要根据热障涂层沉积4的形貌结构进行确定。

所述开槽2的体积大于气模孔1出口平面处热障涂层沉积4的体积。

当所述气模孔1位于涡轮叶片的前缘部位时，所述开槽2的形状与气膜孔1出口截面处的热障涂层沉积4形貌结构相同且方向相反。

当所述气模孔1位于涡轮叶片的中部位置时，所述开槽2的形状与气膜孔1出口截面处的热障涂层沉积4形貌结构相同且方向相反。

当所述气模孔1位于涡轮叶片的前缘部位以及中部位置时，所述开槽2采用弯钩型槽。

具体的，当所述气模孔1位于涡轮叶片的前缘部位时，由于从大倾角气模孔1气膜孔流出的冷气具有很大的法向速度，而在很大的射流角度下，热障涂层沉积4会使压力损失增加，这会降低冷气的覆盖面积，从而使冷却效果变差，位于涡轮叶片前缘的气膜孔1便存在这一问题。为了解决这一问题，如图4a和图4b所示，当气模孔1的出口上沿增加了帽檐3后，可以有效减小射流流出的角度，同时通过在气模孔1的出口下沿开设弯钩型的开槽2，可以与热障涂层沉积4耦合并控制气膜孔1出口的截面积。当开槽2的形状与气膜孔1出口截面处的热障涂层沉积4形貌结构相同且方向相反时，由于开槽2的存在，会使气膜孔1的出口更容易发生沉积，因此槽要开的略大一些，同时由于帽檐3减小了冷气流出的角度，因此当热障涂层5喷涂后，在气膜孔1出口下沿形成的热障涂层沉积4形貌结构，可以达到原有气膜孔1的设计参数相近，如此便达到了改善冷气喷射流场、提高气膜冷却效果的目的。

具体的，当所述气模孔1位于涡轮叶片的中部位置时，由于涡轮叶片中部位置的气膜孔1倾角与前缘部位的气膜孔1倾角更小，这会使热障涂层5在喷涂过程中更易发生沉积，在堵塞比较大的情况下，因此气模孔1采用非均匀预扩张结构则非常有助于提高冷却效果，故涡轮叶片中部位置的气膜孔1未设置帽檐3，仅在气膜孔1出口下沿设置弯钩型的开槽2，如图3a和图3b所示。通过测量热障涂层沉积4形貌结构，便可预先在气膜孔1出口处设置开槽2，开槽2的形状和热障涂层沉积4的形貌结构相当，可保证热障涂层5喷涂后的沉积与原有气膜孔的设计参数相近，通过预设的开槽2需要保证沉积后气膜孔内表面相对变平，即开槽2的结构与热障涂层沉积4的形貌相契合。这种结构和现有的出口扩张孔或将整个气膜孔径扩大在功能上是不同的，弯钩型的开槽结构主要是保证热障涂层沉积4的形貌达到原有孔型设计参数。由于在沉积位置之外的气膜孔1其它位置的孔径并没有扩大，沉积位置的孔径也和原设计参数相当，因此冷气流通能力必然相当，同时利用沉积后的孔下沿变平这一特点，又会提高冷却效率。

具体的，当所述气模孔1位于涡轮叶片的尾缘部位时，气模孔1的倾角较小并且孔通道很长，增大气膜孔1出口截面积并不会明显增加冷气流量，故仅在气模孔1的出口设置开槽2，通过开槽2增大气模孔1的出口直径，进而增大了气模孔1出口的截面积，如图5a和图5b所示。由于在气模孔1的出口处设置了开槽2，则可以通过直接增大气模孔1出口直径的方式，增大尾缘处较长的孔通道，避免了出口截面过大而过多增加冷气流量的问题，改变直径增大部分的深度，可使热障涂层5在沉积后的气膜孔出口结构与外壁面的夹角更小，同时扩孔深度不能太深，防止破坏结构强度较低的叶片尾缘，这种结构利用热障涂层5改善了冷气喷射流场以达到提高气膜冷却效果的目的。

如图6所示，为气膜孔1出口平面处的热障涂层沉积4的形貌，其堵塞比一般在0.1～0.4之间，对冷气流的方向和速度影响较大，同时也会减小冷气流量。热障涂层沉积4的存在会使冷气流出的动量和角度增大，在确定开槽2的大小和形状时，需要综合考虑沉积量、冷气流量和结构强度几种因素，开槽2的体积不能小于出口平面处热障涂层沉积4的体积，同时为了冷气流量不会过度增加，以及结构强度不遭到破坏，气膜孔1出口截面积与开槽2体积不能太大。为了在开槽2最小的情况下使沉积后的气膜孔结构与原有气膜孔设计参数相似，形成了如图2所示的非均匀预扩张结构，这种结构根据沉积量设计，沉积量越大，开槽2的体积越大，有帽檐3时的气膜孔1出口的开槽2体积要比无帽檐3时的气膜孔1出口的开槽2体积更大。

气膜冷却的机理是冷气流从气膜孔1流出覆盖到高温的壁面上，冷气流与主流掺混，并且在主流的压力和摩擦力影响下，附着在壁面一定区域上，形成温度较低的冷气膜将壁面同高温燃气隔离，从而对壁面起到良好的冷却保护作用。气膜孔1孔型会对冷气与壁面的贴合产生一定影响，孔径越大，冷气流速越小，与壁面夹角越小，则冷气贴合越好，冷却效率越高。同时，气膜孔1孔型还会对气膜覆盖面积产生一定影响，冷气以小角度流出时，流场的覆盖面积会增加，但一般影响较小。由图6可以看出，气膜孔1出口上沿几乎没有沉积，因此对气膜孔1出口上沿影响很小，但气膜孔1出口下沿几乎填平，这会使冷气流以高速大角度流出，不利于叶片冷却。而当气膜孔1采用了非均匀预扩张结构后，能够很好的契合热障涂层5的沉积，使沉积后的结构与喷涂热障涂层之前的气膜孔1设计工况基本相同。扩孔解决了喷涂过程中堵塞气膜孔1出口的问题，同时喷涂热障涂层后气膜孔1出口的角度比喷涂前更小，这对气膜形成更加有利，以此达成冷却叶片外表面的目的。

以往的设计方法都是通过从整体上改变气膜孔直径的方式进行扩孔，把气膜孔做成一个从内径至外径缓慢增大或是部分扩大的形状，这种设计虽然可以降低冷气的动量，使冷气以较小的流速流出，并在混入主流时更好的贴合壁面，但这种扩孔方式会增加沉积量，并且这种沉积会进一步增大喷射角度。本发明采用的非均匀预扩张结构的气膜孔，几种孔型皆扩孔较小，保证了涡轮叶片的结构强度，且流过气膜孔1的冷气量不会发生较大变化，涡轮叶片前缘和中部的气膜孔1在经过测量沉积形貌后，设计的弯钩型开槽2在沉积后近乎达到原有的孔型设计参数，故能保证其在工作时达到最佳冷却效果，涡轮叶片尾缘部位的气膜孔1倾角小、孔通道长，进行扩孔对冷气量影响较小，测量沉积形貌决定扩孔深度，使沉积后的气膜孔1出口下沿与壁面夹角尽量减小。一般来说，靠近涡轮叶片前缘的气膜孔1倾角较大，堵塞比较低，沉积量较小，但要在有帽檐3的情况下保证出口截面积，要使开槽2略大，这样才能保证喷涂后的气膜孔更加接近原孔型设计参数，从而达到最佳冷却效果。

以往的预扩孔结构采用的是缓慢增加气膜孔直径的设计思路，虽然可以减小冷气与壁面夹角并减小冷气射流的速度，从而达到冷却的目的，但这种结构会使流过气膜孔的冷气量大幅度增加，进而影响发动机的性能，同时还会使气膜孔通道体积增大，这会影响叶片的结构强度。本发明采用的非均匀预扩张结构的气膜孔，是以降低冷气射流速度和角度以达到提高气膜冷却效果的目的，在开槽2最小的情况下，使喷涂后的冷气量及冷却效果都和喷涂热障涂层之前的气膜孔1设计工况基本相同，这样可以在解决涂层沉积堵塞气膜孔的同时不破坏叶片的结构强度。

有帽檐3时，可以使冷气以较小的角度流出；在热障涂层5喷涂前，开槽2可以增大气膜孔出口截面积，从而降低冷气流速，在热障涂层5喷涂后，可使气膜孔结构与其初始设计相似，这可以使冷气更加贴近壁面，形成有利于气膜覆盖的流场，这种利用气膜孔预扩孔与涂层沉积耦合的设计思想与现有的设计思想方向完全不同。

在设计开槽2和帽檐3的形状和大小时，要结合气膜孔的倾角，越靠近叶片前缘部位，气膜孔与壁面的夹角越大，冷气具有更大的纵向动量，冷气很难贴合壁面，而帽檐3可以使冷气流出的角度变小，略大的开槽2可以在设置帽檐3的情况下进一步增大气膜孔出口截面积，进而降低冷气的流速，使处于高温环境下的叶片前缘具有更好的冷却效果。在靠近叶片尾缘的气膜孔倾角较小，采用增大气膜孔出口直径的方法来增大气膜孔出口截面积，这种结构能避免叶片尾缘气膜孔被沉积堵塞，同时沉积后的结构能减小射流的流出角度，并且不破坏强度相对较低的叶片尾缘结构，进而达到利用预扩孔结构和涂层沉积增大气膜效率的目的。

如图1a和图1b所示，为传统气膜孔出口形成热障涂层沉积前和形成热障涂层沉积后的结构，冷气流出后与主流掺混从而与壁面贴合，为了让气膜更好的贴合壁面，就要减小冷气的流速和流出的角度，而整体上减小气膜孔与壁面的夹角会导致气膜孔通道过长，这会导致叶片的结构强度遭到破坏。沉积会导致气膜孔出口截面积减小，从而使冷气的动量增大，这会导致冷气在与主流掺混后不易贴合壁面，涂层沉积还会导致冷气射流的角度增大，从而进一步增大其贴合壁面的难度。

如图2所示，为根据沉积结构设计的气模孔1非均匀预扩张结构，根据热障涂层沉积4的形貌来设计开槽2，再根据当地沉积厚度H得到预扩孔基础上的沉积结构。

如图3a和图3b所示，该设计适用于气模孔1位于涡轮叶片的中部位置时的情况，仅在气模孔1的出口下沿设置开槽2，在气模孔1的出口上沿不设帽檐3，开槽2的形状与叶片表面之下沉积的形状相同，与沉积相对于下沿轴线对称，考虑到开槽2会略微增加沉积量，开槽2的尺寸要略大于热障涂层沉积4的尺寸，这种设计可以使冷气流以更小的动量流出，从而使得冷气与主流掺混时具有更小的流速和更小的角度，同时不破坏叶片前缘的结构强度。

如图4a和图4b所示，该设计适用于气模孔1位于涡轮叶片的前缘部位时的情况，在气模孔1的出口下沿设有开槽2，在气模孔1的出口上沿设有帽檐3，帽檐3的切面为斜面，帽檐3的存在使开槽2可以开的更大而不至于增加冷气流量进而影响到发动机性能。这种结构的气膜孔1出口上沿几乎不会发生沉积，气膜孔1出口下沿在沉积后的结构会使冷气以更小的角度流出，使冷气更容易贴合壁面，从而达到提高气膜效率的目的。

如图5a和图5b所示，该设计适用于气模孔1位于涡轮叶片的尾缘部位时的情况，这种结构通过增大气膜孔1出口处直径，可以大幅度增加气膜孔1出口截面积，其较长的孔通道使气膜孔1出口扩孔对冷气流量的影响很小，而较大的出口截面积可以让冷气流速得到大幅度降低，进而达到提高冷却效果的目的。这种预扩孔结构在沉积后出口截面积与传统气膜孔大致相同，而出射角度略有降低，冷却效率较普通气膜孔更高。

如图7所示，为带有非均匀预扩张气模孔的涡轮叶片，其叶身呈流线型，叶片前缘的气膜孔倾角接近九十度，叶片中部的气膜孔倾角适中，尾缘气膜孔的孔通道较长。总的来说，当涡轮叶片的前缘、中部和尾缘的气膜孔采用了合适的带有非均匀预扩张结构后，可以有效提高冷却效率，并且可以利用涂层沉积，在沉积后进一步提高叶片的冷却效率，同时不破坏叶片的结构强度。叶片端壁上气膜孔喷出的射流速度和角度相比原结构更低，与叶片表面之间更加贴合，从而达到更好的冷却效果。在实际应用时，不同位置的气膜孔出口结构会因为沉积的具体情况有一定差异，但基本结构不变，按照具体情况缩扩气膜孔的直径和改变角度。在靠近叶片前缘的气膜孔与端壁夹角较大的位置增大开槽2的宽度，最高达到0.35mm，使叶片前缘地冷气更容易贴合壁面，使冷却效率达到最佳。

以弦长为40mm、叶身高度为50mm的涡轮叶片举例说明。针对位于叶片中部的气模孔1来说，图3中所示线段边长为L，气模孔1的直径为0.508mm，气模孔1的长度为3mm，气模孔1与端壁夹角为70°，开槽2的大小分别为1.1L、1.2L，开槽2的角度相较气模孔1出口下沿的内壁切线与热障涂层沉积4形状对称。针对位于叶片前缘的气模孔1来说，气模孔1的直径为0.508mm，气模孔1的长度为3mm，气模孔1与端壁夹角为85°，帽檐3的长度0.2mm，开槽2的深度分别为1.2L、1.3L。针对位于叶片尾缘的气模孔1来说，气模孔1的直径为0.508mm，气模孔1与端壁夹角30°，气膜孔1出口处的半径增加0.2mm且深度为0.5mm。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (6)

1.一种带有非均匀预扩张气模孔的涡轮叶片，其特征在于：该涡轮叶片的气模孔采用非均匀预扩张结构；当所述气模孔位于涡轮叶片的前缘部位时，在气模孔的出口下沿设有开槽，在气模孔的出口上沿设有帽檐；当所述气模孔位于涡轮叶片的中部位置时，仅在气模孔的出口下沿设置开槽，在气模孔的出口上沿不设帽檐；当所述气模孔位于涡轮叶片的尾缘部位时，在气模孔的出口处仅设置开槽，通过开槽增大气模孔的出口直径。

2.根据权利要求1所述的一种带有非均匀预扩张气模孔的涡轮叶片，其特征在于：所述气模孔的非均匀预扩张结构需要根据热障涂层沉积的形貌结构进行确定。

3.根据权利要求1所述的一种带有非均匀预扩张气模孔的涡轮叶片，其特征在于：所述开槽的体积大于气模孔出口平面处热障涂层沉积的体积。

4.根据权利要求1所述的一种带有非均匀预扩张气模孔的涡轮叶片，其特征在于：当所述气模孔位于涡轮叶片的前缘部位时，所述开槽的形状与气膜孔出口截面处的热障涂层沉积形貌结构相同且方向相反。

5.根据权利要求1所述的一种带有非均匀预扩张气模孔的涡轮叶片，其特征在于：当所述气模孔位于涡轮叶片的中部位置时，所述开槽的形状与气膜孔出口截面处的热障涂层沉积形貌结构相同且方向相反。

6.根据权利要求1所述的一种带有非均匀预扩张气模孔的涡轮叶片，其特征在于：当所述气模孔位于涡轮叶片的前缘部位以及中部位置时，所述开槽采用弯钩型槽。

Images