一种用于涡轮叶片气膜冷却的边倒圆孔结构的制作方法

本发明涉及燃气轮机涡轮叶片的冷却技术，具体地说，涉及一种用于涡轮叶片气膜冷却的边倒圆孔结构。

技术背景

随着航空发动机的快速发展，涡轮进口温度不断提高，推重比10的一级发动机的涡轮进口温度已达到1900K～2000K，这已远远超出了涡轮叶片材料的耐热极限。目前，航空发动机中广泛采用气膜冷却技术对涡轮叶片进行冷却。气膜冷却是应用在燃气轮机叶片上的冷却技术，是指内部冷却空气通过分散的孔或槽缝流出，在叶片表面附近形成温度较低的冷气膜，将壁面同高温燃气隔离，并带走部分高温燃气或明亮火焰对壁面的辐射热量，从而起到良好的保护作用，以达到叶片不被高温燃气烧坏的目的。

目前，涡轮叶片上主要采用圆柱孔形，但是圆柱孔形的射流比较集中，形成的气膜不能很好地覆盖所有展向区域，而且大吹风比下圆柱孔形射流容易冲出壁面不能形成有效的气膜覆盖。为了满足日益提高的现代燃气轮机性能要求，燃气温度不断升高，必须采用更高效的冷却技术，因而在气膜冷却技术中采用圆柱形孔的不足就显得越来越突出。

二十世纪70年代，国外学者首次发现在圆柱孔形的出口进行扩张设计能增强气膜冷却效率，且随吹风比增大扩张孔形冷却效率降低相对较小，这是因为一方面出口扩张降低了气膜孔出口射流垂直方向动量分量，使得射流更不容易喷射渗透进入主流，另一方面气流流过扩张处时出现科恩达效应，使得气流在拐角处能附于表面。从此之后，异形孔气膜冷却特性研究成为了气膜冷却技术研究的一个重要分支。很多不同形状的异形孔形逐渐被提出并研究分析。专利US20020090295中提出的孔形是一种出口扩张结构，是在出口上游和下游分别进行了扩张，US20050042074中提出的也是类似结构，并且在出口上游进行了二次扩张，截面呈现圆形形状。它们虽然能够改善冷却效率，但加工难度较大、成本相对较高，因而目前并不能应用于实际叶片。

技术实现要素：

为了有效提高圆柱孔形的气膜冷却效率，并克服现有技术中异形孔加工困难、成本高的缺点，本发明提出一种用于涡轮叶片气膜冷却的边倒圆孔结构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括压力面气膜孔、吸力面气膜孔、叶片内冷却通道、倾斜圆柱孔，在叶片的压力面上设有压力面气膜孔，在吸力面上设有吸力面气膜孔，压力面气膜孔和吸力面气膜孔的两端分别形成气流的出口和入口,且与内冷却通道相通,其特征在于所述倾斜圆柱孔在出口进行边倒圆扩大成形，倾斜圆柱孔进口截面为椭圆，出口截面为边倒圆形成的大于进口截面的椭圆，所述倾斜圆柱孔具有流向倾角α＝35°，不具有展向倾角，倾斜圆柱孔直径为D＝0.5～2mm，边倒圆半径R与流向倾斜圆柱孔直径D之比取值范围为R/D＝0.11～0.33。

所述倾斜圆柱孔流向倾角与边倒圆扩大成形后流向倾角相同。

有益效果

本发明用于涡轮叶片气膜冷却的边倒圆孔结构，通过对单孔径倾斜圆柱孔在出口进行边倒圆扩大成形，倾斜圆柱孔进口截面为椭圆，出口截面为边倒圆形成的大于进口截面的椭圆。涡轮叶片上的气膜孔中心线与叶片表面之间的夹角为35°，边倒圆的半径R与倾斜圆柱孔直径D之比取值范围为R/D＝0.11～0.33。

本发明用于涡轮叶片气膜冷却的边倒圆孔结构，冷气射流在孔出口流动均匀，且喷出的冷气沿着展向覆盖面积较宽，冷气核心更靠近壁面，在不同动量比或吹风比下都有较好的冷却效果，而且流动损失小、换热系数低。涡轮叶片气膜冷却的边倒圆孔结构具有加工简单便捷，成本较低的特点。利用边倒圆孔结构的适用性，可提高气膜冷却效率，提高涡轮叶片工作可靠性及寿命。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种用于涡轮叶片气膜冷却的边倒圆孔结构作进一步的详细说明。

图1为本发明用于涡轮叶片气膜冷却的边倒圆孔结构在叶片上位置示意图。

图2为本发明的气膜孔结构示意图。

图3为本发明的气膜孔结构主视图。

图4为本发明的气膜孔结构俯视图。

图中:

1.压力面气膜孔 2.吸力面气膜孔 3.叶片内冷却通道 4.倾斜圆柱孔

具体实施方式

本实施例是一种用于涡轮叶片气膜冷却的边倒圆孔结构。

研究发现，影响气膜冷却效率的是气膜孔出口下游的对转涡对，对转涡对有两个形成原因:一是气膜孔中的流向涡，二是主流与射流的速度不匹配引起的剪切效应。一方面涡对在垂直方向上把射流抬升，脱离表面，使得气膜的覆盖效果变差，另一方面涡对把热的主流从气膜两侧带到气膜的下面，降低气膜冷却效率。边倒圆孔内流动较均匀，出口涡强度更低，导致主流通道中对转涡对强度更小，边倒圆孔的扩张作用使得二次流法向动量降低，展向动量变大，气膜更贴近壁面且覆盖面积更大，提高了气膜冷却效率。此外，边倒圆孔还具有流动损失小，换热系数低的特点。

参阅图1～图4，本实施例用于涡轮叶片气膜冷却的边倒圆孔结构，由压力面气膜孔1、吸力面气膜孔2、叶片内冷却通道3、倾斜圆柱孔4组成，在叶片的压力面上设有压力面气膜孔1，在吸力面上设有吸力面气膜孔2，压力面气膜孔1和吸力面气膜孔2的两端分别形成气流的出口和入口，且与叶片内冷却通道3内冷却通道相通；其中,倾斜圆柱孔4在出口进行边倒圆扩大成形，倾斜圆柱孔4进口截面为椭圆，出口截面为边倒圆形成的大于进口截面的椭圆，倾斜圆柱孔4流向倾角与边倒圆扩大成形后流向倾角相同。倾斜圆柱孔4具有流向倾角α＝35°，不具有展向倾角，倾斜圆柱孔直径为D＝0.5～2mm，边倒圆半径R与流向倾斜圆柱孔直径D之比取值范围为R/D＝0.11～0.33。

实施例一

本实施例是应用于某型涡轮叶片上的气膜冷却的边倒圆孔结构，在叶片的压力面上设置有压力面气膜孔1，在叶片的吸力面上设有吸力面气膜孔2，压力面气膜孔1和吸力面气膜孔2的两端分别形成气流的出口和入口,且与叶片内冷却通道3相通供气；其中,流向倾斜圆柱孔4在出口进行边倒圆扩大成形，倾斜圆柱孔4进口截面为椭圆，出口截面为边倒圆形成的大于进口截面的椭圆。倾斜圆柱孔4流向倾角为α，倾斜圆柱孔直径为D，边倒圆半径为R。

倾斜圆柱孔4具有流向倾角α＝35°,不具有展向倾角，其直径D＝1mm，以倾斜圆柱孔4的出口中心为原点，流向为X轴向，展向为Z轴向；在Y轴向上，圆柱的高度H＝3D＝3mm，其外轮廓长L＝5.23mm。边倒圆的半径R＝0.11D＝0.11mm，在孔形的剖视图中，孔前缘小段圆弧的半径为0.11mm。本实施例为边倒圆半径最小的实例，所以孔出口截面扩张最小，出口截面面积为圆柱孔出口面积的1.4倍。

实施例二

本实施例是应用于某型涡轮叶片上的气膜冷却的边倒圆孔结构，在叶片的压力面上设置有压力面气膜孔1，在叶片的吸力面上设有吸力面气膜孔2，压力面气膜孔1和吸力面气膜孔2的两端分别形成气流的出口和入口,且与叶片内冷却通道3相通供气；其中,流向倾斜圆柱孔4在出口进行边倒圆扩大成形，倾斜圆柱孔4进口截面为椭圆，出口截面为边倒圆形成的大于进口截面的椭圆。倾斜圆柱孔4流向倾角为α，倾斜圆柱孔直径为D，边倒圆半径为R。

倾斜圆柱孔4具有流向倾角α＝35°,不具有展向倾角，其直径D＝1mm，以倾斜圆柱孔4的出口中心为原点，流向为X轴向，展向为Z轴向；在Y轴向上，圆柱的高度H＝3D＝3mm，其外轮廓长L＝5.23mm。边倒圆的半径R＝0.22D＝0.22mm，在孔形的剖视图中，孔前缘小段圆弧的半径为0.22mm。本实施例中，孔出口截面面积为圆柱孔出口面积的2倍。

实施例三

本实施例是应用于某型涡轮叶片上的气膜冷却的边倒圆孔结构，在叶片的压力面上设置有压力面气膜孔1，在叶片的吸力面上设有吸力面气膜孔2，压力面气膜孔1和吸力面气膜孔2的两端分别形成气流的出口和入口,且与叶片内冷却通道3相通供气；其中,流向倾斜圆柱孔4在出口进行边倒圆扩大成形，倾斜圆柱孔4进口截面为椭圆，出口截面为边倒圆形成的大于进口截面的椭圆。倾斜圆柱孔4流向倾角为α，倾斜圆柱孔直径为D，边倒圆半径为R。

倾斜圆柱孔4具有流向倾角α＝35°,不具有展向倾角，其直径D＝1mm，以倾斜圆柱孔4的出口中心为原点，流向为X轴向，展向为Z轴向；在Y轴向上，圆柱的高度H＝3D＝3mm，其外轮廓长L＝5.23mm。边倒圆的半径R＝0.33D＝0.33mm，在孔形的剖视图中，孔前缘小段圆弧的半径为0.33mm。本实施例为边倒圆半径最大的实例，所以孔出口截面扩张最大，出口截面面积为圆柱孔出口面积的2.6倍。

本实施例以及实施例一、实施例二两个实施例都具有较好的冷却性能。研究发现，边倒圆的半径并非越大越好，而是存在一个最优值。利用边倒圆孔结构的适用性，使气膜孔质量流量稳定，必然导致出口气膜覆盖较稳定，对提高壁面气膜冷却效率，提高涡轮叶片工作可靠性及寿命非常有益。