CN114893255B - 月牙型气膜孔结构和形成方法、涡轮叶片及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种月牙型气膜孔结构，所述月牙型气膜孔结构包括月牙型气膜孔型芯，所述月牙型气膜孔型芯包括月牙型扩张体和圆柱体，所述月牙型扩张体端面曲线通过曲线组光滑过渡到圆柱体端面，形成月牙型扩张。本发明提供的月牙型气膜孔结构根据涡轮叶片各区域叶型和主流流动特点布置到叶片上，叶盆区域采用β角35°～45°，叶背区域采用β角40°～50°，与常规圆形气膜孔相比，在冷气流量不变的条件下，月牙型气膜孔气膜覆盖效率提高50％以上。从而大幅度提高发动机涡轮前温度及发动机推力，同时更加均匀的气膜覆盖效果，可以有效降低叶片温度梯度，延长叶片的使用寿命。

Description

月牙型气膜孔结构和形成方法、涡轮叶片及其加工方法

技术领域

本发明属于航空发动机热端气冷涡轮叶片技术领域，具体涉及月牙型气膜孔结构和形成方法、涡轮叶片及其加工方法。

背景技术

为了提升航空发动机的推重比与热效率，涡轮段进口的温度越来越高，已经远远超过金属材料可承受的温度。为了降低热端部件的热载荷并保证其正常工作，对部件的冷却就变得尤为重要。目前常见的高温部件冷却方式有气膜冷却、对流冷却、发散冷却和复合冷却等。气膜冷却技术作为热端部件最重要的冷却方式之一，在有效降低涡轮叶片表面温度和热应力方面发挥着重要作用，对其进行持续而深入的研究是提高航空发动机性能的重要途径。在气膜孔形状方面，研究人员对圆柱孔、复合角气膜孔、异型孔等进行了大量研究，研究结果表明，与传统的圆柱形气膜孔相比，异型气膜孔在保证二次流流量不变的情况下，能够降低冷气出流动量，增加冷气出流的覆盖范围，提高气膜冷却效果。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能够有效抑制气膜孔出口处肾形对涡的发展，使冷气向叶片展向发展，提升叶片冷气出流的壁面贴覆性，能够扩大冷气覆盖范围，大大提高隔热效果，加工工艺可实现性强的异形孔，以显著提升叶片表面气膜冷却效果，节省冷气用量，提高发动机的效率和推重比，具有广泛的应用前景。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案，提供一种月牙型气膜孔结构，所述月牙型气膜孔结构包括月牙型气膜孔型芯，所述月牙型气膜孔型芯包括月牙型扩张体和圆柱体，所述月牙型扩张体端面曲线通过曲线组光滑过渡到圆柱体端面，形成月牙型扩张；其中，所述月牙型扩张体端面的正投影曲线与所述圆柱体外相切圆的部分曲线重合，正投影曲线还包括用于形成月牙型的曲线组过渡曲线和设置在两端的相同月牙型尖角倒圆曲线，则

R₄＝4*R₁，

R₂＝R₁*2/3

L₁＝2*7R₂*tan(α/2)

其中，R₁为圆柱体半径，R₂为月牙型尖角倒圆半径，R4为圆柱体外相切圆半径、L₀为两端的月牙型尖角倒圆圆心之间的距离、α为圆柱体外相切圆圆心与两端的月牙型尖角倒圆圆心连线的夹角、L₁为圆柱体圆心与两端的月牙型尖角倒圆圆心之间的距离。

本发明所提供的月牙型气膜孔结构，还具有如下的技术方案，所述R₁的取值范围为0.4mm-0.6mm。

本发明的第二目的在于，提供一种前述任一项所述的月牙型气膜孔结构形成方法，所述方法包括如下步骤：

绘制一个半径为R₁的圆，圆心O₁；

在距圆心O₁，距离为3*R₁的位置建立原点O₃，建立以O₃为圆心，半径为R₄的圆，与上述圆形成内相切；

以O₃为圆点，将轴线O₁O₃向两侧各旋转α/2角度；

在两侧旋转完成的轴线上建立与R₄相切且半径为R₂的圆，该圆的圆心为0₂，以O₂为圆心，将轴线O₂ O₃向逆时针方向旋转α₁得到交点A₁，同样利用上述方式顺时针旋转α₁得到右侧交点A₂；

在轴线O₁O₃上获得距离点O₃为R₁距离的点A₃，然后利用三点做圆的方式得到月牙型貌的内弧线，然后修剪掉多余的曲线最终形成月牙形面；

在绘制完成所述月牙平面形状的基础上，将所述月牙平面形状以中心点O₁沿平面垂直方向收缩，收缩距离L₂，保证缩小后的月牙平面形状的外切圆半径为R₁，由此绘制出月牙形孔扩张段；

将月牙形状的形心O₁沿月牙形平面法线拉伸形成型芯中心轴O₄，再将外切圆沿轴O₄拉伸L₃长度，形成圆柱体，

其中，α₁＝180-α/2。

本发明的第三目的在于，提供一种涡轮叶片，所述涡轮叶片包括叶身和设置在叶身上的多个月牙型气膜孔结构，所述月牙型气膜孔结构为前述任一项所述的月牙型气膜孔结构，

所述圆柱体中轴线与所述叶身表面的夹角为β，其中，β的取值范围为35°-50°，

所述两端的月牙型尖角倒圆圆心之间的连线与所述叶身的壁面平行。

本发明所提供的涡轮叶片，还具有如下的技术特征，所述圆柱体和所述月牙型扩张段之间的过渡面中心点位于所述叶身壁厚冷气进口端的1/3处。

本发明所提供的涡轮叶片，还具有如下的技术特征，多个月牙型气膜孔结构在所述叶身上交错排列，相邻两个月牙型气膜孔结构之间的叶高方向间距的取值范围为2.2mm-3.6mm；相邻两个月牙型气膜孔结构之间的叶身弧面切线方向间距的取值范围为8mm-12mm。

本发明所提供的涡轮叶片，还具有如下的技术特征，在所述叶身有复合倾角时，以圆柱体轴心为轴线旋转月牙型气膜孔结构，使得形成的月牙型气膜孔两侧尖角形状、大小保持一致。

本发明所提供的涡轮叶片，还具有如下的技术特征，所述多个月牙型气膜孔在所述叶身表面的覆盖率不小于60％。

本发明的第四目的在于，提供一种如前述任一项所述的涡轮叶片的加工方法，所述方法包括如下步骤：

加工多个月牙型气膜孔结构；

在叶身上设置月牙型气膜孔结构的安装位置；

将月牙型气膜孔结构与叶身表面成35°放置在上述安装位置上，得到涡轮叶片，

其中，安装位置为在叶身上交错排列，叶高方向间距的取值范围为2.2mm-3.6mm、叶身弧面切线方向间距的取值范围为8mm-12mm的多个安装点。

有益效果

本发明提供的月牙型气膜孔结构根据涡轮叶片各区域叶型和主流流动特点布置到叶片上，叶盆区域采用β角35°～45°，叶背区域采用β角40°～50°，与常规圆形气膜孔相比，在冷气流量不变的条件下，月牙型气膜孔气膜覆盖效率提高50％以上。从而大幅度提高发动机涡轮前温度及发动机推力，同时更加均匀的气膜覆盖效果，可以有效降低叶片温度梯度，延长叶片的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的月牙型气膜孔结构平面图；

图2为本发明实施例提供的月牙形气膜孔结构芯立体图；

图3为本发明实施例提供的月牙形气膜孔结构芯与平板位置关系图；

图4为本发明部分实施例所提供的月牙形气膜孔结构的孔型平面图；

图5是多排气膜孔结构在涡轮叶片上的排布局部放大效果图；

图6是多排气膜孔结构在涡轮叶片上的布置效果图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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创造和简化描述，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，因此不能理解为对本发明创造的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

术语“安装”、“相连”、“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；可以是机械连接，也可以是电连接；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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

如图1-2所示，本实施例提供提供一种月牙型气膜孔结构，所述月牙型气膜孔结构包括月牙型气膜孔型芯，所述月牙型气膜孔型芯包括月牙型扩张体5和圆柱体6，所述月牙型扩张体5端面曲线通过曲线组光滑过渡到圆柱体端面，形成月牙型扩张；其中，所述月牙型扩张体5端面的正投影曲线与所述圆柱体外相切圆的部分曲线1重合，正投影曲线还包括用于形成月牙型的曲线组过渡曲线3和设置在两端的相同月牙型尖角倒圆曲线2和4，则

R₄＝4*R₁，

R₂＝R₁*2/3

L₁＝2*7R₂*tan(α/2)

其中，R₁为圆柱体半径，R₂为月牙型尖角倒圆半径，R₄为圆柱体外相切圆半径、L₀为两端的月牙型尖角倒圆圆心之间的距离、α为圆柱体外相切圆圆心与两端的月牙型尖角倒圆圆心连线的夹角、L₁为圆柱体圆心与两端的月牙型尖角倒圆圆心之间的距离。

在部分实施例中，所述R₁的取值范围为0.4mm-0.6mm。

在部分实施例中，提供一种月牙型气膜孔结构形成方法，所述方法包括如下步骤：

绘制一个半径为R₁的圆，圆心O₁；

在距圆心O₁，距离为3*R₁的位置建立原点O₃，建立以O₃为圆心，半径为R₄的圆，与上述圆形成内相切；

以O₃为圆点，将轴线O₁O₃向两侧各旋转α/2角度；

在两侧旋转完成的轴线上建立与R₄相切且半径为R₂的圆，该圆的圆心为0₂，以O₂为圆心，将轴线O₂ O₃向逆时针方向旋转α₁得到交点A₁，同样利用上述方式顺时针旋转α₁得到右侧交点A₂；

在轴线O₁O₃上获得距离点O₃为R₁距离的点A₃，然后利用三点做圆的方式得到月牙型貌的内弧线，然后修剪掉多余的曲线最终形成月牙形面；

在绘制完成所述月牙平面形状的基础上，将所述月牙平面形状以中心点O₁沿平面垂直方向收缩，收缩距离L₂，保证缩小后的月牙平面形状的外切圆半径为R₁，由此绘制出月牙形孔扩张段；

将月牙形状的形心O₁沿月牙形平面法线拉伸形成型芯中心轴O₄，再将外切圆沿轴O₄拉伸L₃长度，形成圆柱体，

其中，α₁＝180-α/2。

在部分实施例中，月牙型气膜孔结构形成方法具体如下：

步骤一，绘制一个半径为R₁＝0.20mm的圆，圆心O₁，在距圆心O₁，距离为0.60mm的位置建立原点O₃，以O₃为圆心，R₁＝0.80mm为半径画圆，与上述圆形成内相切；再以O₃为圆点，将轴线O₁O₃向两侧各旋转70°角度；在两侧旋转完成的轴线上建立与R₄相切且半径为R₂＝0.13mm的圆，以O₂为圆心，将轴线O₂O₃向逆时针方向旋转α₁＝180°-α/2得到交点A₁，同样利用上述方式将轴线顺时针旋转α₁＝180°-α/2得到右侧交点A₂；然后，在轴线O₁O₃上获得距离点O₃为R₁距离的点A₃，然后利用三点做圆的方式得到月牙型貌的内弧线，然后修剪掉多余的曲线最终形成月牙形面。如图1所示。

步骤二，在绘制完成月牙平面形状1的基础上，将月牙平面形状1以中心点O₁沿平面1垂直方向，以γ＝15°角度收缩，收缩距离L₂＝2.2mm，保证缩小后的月牙平面形状的外切圆半径为R₁＝0.20mm，由此绘制出月牙形孔扩张段，将月牙形状的形心O₁沿月牙形平面法线拉伸形成型芯中心轴O₄，再将外切圆沿轴O₄拉伸L₃＝1.5mm长度，形成圆柱体6。如图2所示。

步骤三，将月牙型异型气膜孔型芯与叶片表面8成β＝35°角放置，月牙形尖角倒圆圆心连线与壁面保持平行，叶片壁厚度H₁＝1.2mm，如图3所示，用叶片模型与月牙型气膜孔型芯求差，得到叶片上月牙型气膜孔。该扩展形状可以有效提高气膜孔覆盖效率，如图4所示。

步骤四，将步骤三得到的月牙型气膜孔，沿Z方向，按间距2.2mm，沿X方向，按间距8mm进行排列，最终得到叶片表面上的多排月牙型气膜孔。如图5和图6所示。

部分实施例中，月牙型气膜孔结构形成方法具体如下：

步骤一，绘制一个半径为R₁＝0.30mm的圆，圆心O₁，在距圆心O₁，距离为0.90mm的位置建立原点O₃，以O₃为圆心，R₁＝1.20mm为半径画圆，与上述圆形成内相切；再以O₃为圆点，将轴线O₁O₃向两侧各旋转70°角度；在两侧旋转完成的轴线上建立与R₄相切且半径为R₂＝0.20mm的圆，以O₂为圆心，将轴线O₂O₃向逆时针方向旋转α₁＝180°-α/2得到交点A₁，同样利用上述方式将轴线顺时针旋转α₁＝180°-α/2得到右侧交点A₂；然后，在轴线O₁O₃上获得距离点O₃为R₁距离的点A₃，然后利用三点做圆的方式得到月牙型貌的内弧线，然后修剪掉多余的曲线最终形成月牙形面。如图1所示。

步骤二，在绘制完成月牙平面形状1的基础上，将月牙平面形状1以中心点O₁沿平面1垂直方向，以γ＝15°角度收缩，收缩距离L₂＝2.5mm，保证缩小后的月牙平面形状的外切圆半径为R₁＝0.30mm，由此绘制出月牙形孔扩张段，将月牙形状的形心O₁沿月牙形平面法线拉伸形成型芯中心轴O₄，再将外切圆沿轴O₄拉伸L₃＝1.8mm长度，形成圆柱体6。如图2所示。

步骤三，将月牙型异型气膜孔型芯与叶片表面8成β＝35°角放置，月牙形尖角倒圆圆心连线与壁面保持平行，叶片壁厚度H₁＝1.8mm，如图3所示，用叶片模型与月牙型气膜孔型芯求差，得到叶片上月牙型气膜孔。该扩展形状可以有效提高气膜孔覆盖效率，如图4所示。

步骤四，将步骤三得到的月牙型气膜孔，沿Z方向，按间距2.2mm，沿X方向，按间距8mm进行排列，最终得到叶片表面上的多排月牙型气膜孔。如图5和图6所示。

部分实施例中，提供一种涡轮叶片，所述涡轮叶片包括叶身8和设置在叶身8上的多个月牙型气膜孔结构，所述月牙型气膜孔结构为前述任一项所述的月牙型气膜孔结构，所述圆柱体中轴线O₄与所述叶身8表面的夹角为β，其中，β的取值范围为35°-50°，所述两端的月牙型尖角倒圆圆心之间的连线与所述叶身8的壁面平行，叶身8的厚度H₁＝6*R₃。所述圆柱体和所述月牙型扩张段之间的过渡面中心点位于所述叶身壁厚冷气进口端的1/3处。所述月牙型气膜孔结构与所述叶身8壁面求差后，得到中间略突起的月牙型弧面11，冷气出流燃气侧遮挡面9，孔型两侧圆滑凹槽面10。

在部分实施例中，如图5-6所示，多个月牙型气膜孔结构在所述叶身8上交错排列，相邻两个月牙型气膜孔结构之间的叶高方向即Z方向间距的取值范围为2.2mm-3.6mm；相邻两个月牙型气膜孔结构之间的叶身弧面切线方向即X方向间距的取值范围为8mm-12mm。在所述叶身8有复合倾角时，以圆柱体轴心为轴线旋转月牙型气膜孔结构，使得形成的月牙型气膜孔两侧尖角形状、大小保持一致。

在部分实施例中，所述多个月牙型气膜孔在所述叶身表面的覆盖率不小于60％。

在部分实施例中，提供一种如前述任一项实施例所述的涡轮叶片的加工方法，所述方法包括如下步骤：

加工多个月牙型气膜孔结构；

在叶身上设置月牙型气膜孔结构的安装位置；

将月牙型气膜孔结构与叶身表面成35°放置在上述安装位置上，得到涡轮叶片，

其中，安装位置为在叶身上交错排列，叶高方向间距的取值范围为2.2mm-3.6mm、叶身弧面切线方向间距的取值范围为8mm-12mm的多个安装点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种月牙型气膜孔结构，其特征在于，所述月牙型气膜孔结构包括月牙型气膜孔型芯，所述月牙型气膜孔型芯包括月牙型扩张体和圆柱体，所述月牙型扩张体端面曲线通过曲线组光滑过渡到圆柱体端面，形成月牙型扩张；

其中，所述月牙型扩张体端面的正投影曲线与所述圆柱体外相切圆的部分曲线重合，正投影曲线还包括用于形成月牙型的曲线组过渡曲线和设置在两端的相同月牙型尖角倒圆曲线，则

R₄＝4*R₁，

R₂＝R₁*2/3

L₁＝2*7R₂*tan(α/2)

其中，R₁为圆柱体半径，R₂为月牙型尖角倒圆半径，R4为圆柱体外相切圆半径、L₀为两端的月牙型尖角倒圆圆心之间的距离、α为圆柱体外相切圆圆心与两端的月牙型尖角倒圆圆心连线的夹角、L₁为圆柱体圆心与两端的月牙型尖角倒圆圆心之间的距离。

2.根据权利要求1所述的月牙型气膜孔结构，其特征在于，所述R₁的取值范围为0.4mm-0.6mm。

3.一种如权利要求1-2任一项所述的月牙型气膜孔结构形成方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

绘制一个半径为R₁的圆，圆心O₁；

在距圆心O₁，距离为3*R₁的位置建立原点O₃，建立以O₃为圆心，半径为R₄的圆，与上述圆形成内相切；

以O₃为圆点，将轴线O₁O₃向两侧各旋转α/2角度；

在两侧旋转完成的轴线上建立与R₄相切且半径为R₂的圆，该圆的圆心为0₂，以O₂为圆心，将轴线O₂ O₃向逆时针方向旋转α₁得到交点A₁，同样利用上述方式顺时针旋转α₁得到右侧交点A₂；

在轴线O₁O₃上获得距离点O₃为R₁距离的点A₃，然后利用三点做圆的方式得到月牙型貌的内弧线，然后修剪掉多余的曲线最终形成月牙形面；

在绘制完成月牙平面形状的基础上，将月牙平面形状以中心点O₁沿平面垂直方向收缩，收缩距离L₂，保证缩小后的月牙平面形状的外切圆半径为R₁，由此绘制出月牙形孔扩张段；

将月牙形状的形心O₁沿月牙形平面法线拉伸形成型芯中心轴O₄，再将外切圆沿轴O₄拉伸L₃长度，形成圆柱体，

其中，α₁＝180-α/2。

4.一种涡轮叶片，其特征在于，所述涡轮叶片包括叶身和设置在叶身上的多个月牙型气膜孔结构，所述月牙型气膜孔结构为权利要求1-2所述的月牙型气膜孔结构，

所述圆柱体中轴线与所述叶身表面的夹角为β，其中，β的取值范围为35°-50°，

所述两端的月牙型尖角倒圆圆心之间的连线与所述叶身的壁面平行。

5.根据权利要求4所述的涡轮叶片，其特征在于，所述圆柱体和所述月牙型扩张段之间的过渡面中心点位于所述叶身壁厚冷气进口端的1/3处。

6.根据权利要求4所述的涡轮叶片，其特征在于，多个月牙型气膜孔结构在所述叶身上交错排列，相邻两个月牙型气膜孔结构之间的叶高方向间距的取值范围为2.2mm-3.6mm；相邻两个月牙型气膜孔结构之间的叶身弧面切线方向间距的取值范围为8mm-12mm。

7.根据权利要求4所述的涡轮叶片，其特征在于，在所述叶身有复合倾角时，以圆柱体轴心为轴线旋转月牙型气膜孔结构，使得形成的月牙型气膜孔两侧尖角形状、大小保持一致。

8.根据权利要求4所述的涡轮叶片，其特征在于，所述多个月牙型气膜孔在所述叶身表面的覆盖率不小于60％。

9.一种如权利要求4-8任一项所述的涡轮叶片的加工方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

加工多个月牙型气膜孔结构；

在叶身上设置月牙型气膜孔结构的安装位置；

将月牙型气膜孔结构与叶身表面成35°放置在上述安装位置上，得到涡轮叶片，

其中，安装位置为在叶身上交错排列，叶高方向间距的取值范围为2.2mm-3.6mm、叶身弧面切线方向间距的取值范围为8mm-12mm的多个安装点。

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