本發(fā)明涉及航空發(fā)動機/燃氣輪機渦輪葉片冷卻技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于航空發(fā)動機/燃氣輪機熱端部件渦輪動葉壓力面及頂部的氣膜孔優(yōu)化布局結(jié)構(gòu)。區(qū)別于單純針對葉片中部流動穩(wěn)定區(qū)域的氣膜孔設(shè)計，該結(jié)構(gòu)依據(jù)不同區(qū)域的流動特征，對渦輪動葉壓力面從葉根到葉尖以及頂部進行了全方位的分區(qū)域復(fù)合角氣膜孔設(shè)計，能夠滿足現(xiàn)代高性能航空發(fā)動機/燃氣輪機對熱端部件的冷卻要求。

背景技術(shù)：

對于現(xiàn)代高性能航空發(fā)動機來說，為了追求更高的推重比和熱效率，需要不斷提升渦輪進口溫度。氣膜冷卻技術(shù)作為一種行之有效的熱防護措施變得尤為重要。氣膜冷卻是由壁面上的氣膜孔噴出冷卻氣來阻隔主燃氣流對壁面的加熱，主要有兩個作用：一是通過冷卻氣帶走一部分熱量；二是通過冷卻氣將壁面與高溫燃氣隔絕開來，以保護壁面。

對于靜止?fàn)顟B(tài)下的渦輪葉片氣膜孔設(shè)計相對簡單。旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，葉片壓力面沿展向分別有指向葉根的哥氏力和指向葉尖的離心浮升力作用，以及通道二次流。在三者共同作用下，氣膜出流會向葉尖偏轉(zhuǎn)，并且由于流動結(jié)構(gòu)不同，從葉根到葉尖其偏轉(zhuǎn)程度不同。靠近葉根區(qū)域，主要受端壁二次流的影響較大；葉片中部，受旋轉(zhuǎn)附加力的影響較大；靠近葉尖區(qū)域及頂部，受間隙泄漏流的影響較大。與吸力面相比，壓力面整體上的偏轉(zhuǎn)程度較大，并且這種偏轉(zhuǎn)不利于氣膜附壁，導(dǎo)致氣膜冷卻效率降低。采用異形孔，在一定程度上可以降低偏轉(zhuǎn)程度，達到提高氣膜冷卻效果的目的。然而，異型孔等氣膜孔結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加工難度大，加工成本高。同時，對葉片表面的主流氣動性能有一定影響，并增加氣動損失。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點和不足，本發(fā)明旨在提供一種適用于航空發(fā)動機/燃氣輪機渦輪動葉壓力面及頂部的復(fù)合角氣膜孔布局結(jié)構(gòu)，針對旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下渦輪葉片壓力面及頂部氣膜出流會發(fā)生不同程度偏轉(zhuǎn)，主要從改變氣膜出流方向出發(fā)，針對葉根到葉尖及頂部分別布置不同復(fù)合角氣膜孔，采用的仍是簡單圓柱孔，結(jié)構(gòu)比較簡單，加工難度與傳統(tǒng)的圓柱形氣膜孔無異，但是氣膜冷卻效果卻得到大幅提升，具有廣泛的應(yīng)用前景。

本發(fā)明提供了一種渦輪動葉壓力面及頂部的復(fù)合角氣膜孔布局結(jié)構(gòu)，適用于航空發(fā)動機/燃氣輪機，所述渦輪動葉包括葉根、葉尖、前緣和尾緣，渦輪動葉的壓力面沿葉根至葉尖整個展向區(qū)域設(shè)置有若干排平行布置的復(fù)合角氣膜孔，渦輪動葉頂部依據(jù)從前緣到尾緣的順序設(shè)置1排復(fù)合角氣膜孔，所述復(fù)合角氣膜孔與渦輪動葉內(nèi)部的冷卻氣流腔連通，其特征在于，

將所述渦輪動葉壓力面從葉根至葉尖劃分為5個葉片區(qū)，依次為葉根區(qū)、葉根-葉中過渡區(qū)、葉中區(qū)、葉中-葉尖過渡區(qū)、葉尖區(qū)，每個所述葉片區(qū)分別設(shè)置不同的復(fù)合角氣膜孔，

其中，所述氣膜復(fù)合角定義如下：首先氣膜孔中心線在葉片垂直截面上與葉片表面過該孔中心的切向平面形成一定的夾角，在此基礎(chǔ)上，氣膜孔中心線在展向上與葉片垂直截面具有一定的夾角，最終形成復(fù)合角，指向葉尖為負，指向葉根為正；

葉根區(qū)，氣膜復(fù)合角α1指向葉根，取值30～45°；

葉根-葉中過渡區(qū)，氣膜復(fù)合角β1指向葉根，β1介于α1和α2之間，取值20～40°，保證氣膜出流由葉根區(qū)逐漸向葉中區(qū)過渡；

葉中區(qū)，氣膜復(fù)合角α2指向葉根，取值15～30°；

葉中-葉尖過渡區(qū)，氣膜復(fù)合角γ1指向葉根，γ1介于α2和α3之間，取值30～50°，保證氣膜出流由葉中區(qū)逐漸向葉尖區(qū)過渡；

葉尖區(qū)，氣膜復(fù)合角α3指向葉根，取值40～60°；

所述渦輪動葉頂部靠近壓力面?zhèn)仍O(shè)置1排復(fù)合角氣膜孔，氣膜復(fù)合角α4指向壓力面，取值45～65°；

優(yōu)選地，所述葉根區(qū)，沿展向跨度為1/5葉高；所述葉根-葉中過渡區(qū)，沿展向跨度為1/8葉高；所述葉中區(qū)，沿展向跨度為3/5葉高；所述葉中-葉尖過渡區(qū)，沿展向跨度為1/6葉高；所述葉尖區(qū)，沿展向跨度為1/5葉高；所述頂部，氣膜孔中心距離壓力面2d，其中，d為氣膜孔直徑。

優(yōu)選地，在所述葉根-葉中過渡區(qū)，氣膜復(fù)合角β1指向葉根，且從α1逐漸減小到α2。

優(yōu)選地，在所述葉中-葉尖過渡區(qū)，氣膜復(fù)合角γ1指向葉根，且從α2逐漸增大到α3。

優(yōu)選地，各所述葉片區(qū)及頂部的氣膜孔均為圓柱形氣膜孔。

優(yōu)選地，第1排孔位于0.12倍弦長，第2排孔位于0.25倍弦長，第3排孔位于0.42倍弦長，第4排孔位于0.64倍弦長。壓力面氣膜覆蓋范圍比吸力面大，主要由于吸力面宜發(fā)生分離，氣動損失大，后端不宜布置太多氣膜孔。

優(yōu)選地，各所述葉片區(qū)的氣膜孔直徑d相同，由于復(fù)合角設(shè)置不同，在葉片展向上的氣膜孔出口面積的大小有所不同。

優(yōu)選地，第1排和第2排氣膜孔間距較小，約為4d；第2排和第3排氣膜孔間距稍大，約為6d；第3排和第4排氣膜孔間距較大，約為8d。這樣可以保證葉片表面溫度均勻。

同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的渦輪動葉壓力面及頂部的復(fù)合角氣膜孔布局結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于：(1)從改變氣膜出流方向出發(fā)，在壓力面葉根到葉尖每個不同的葉片區(qū)，分別設(shè)置不同的復(fù)合角氣膜孔，克服了氣膜出流在指向葉根的哥氏力、指向葉尖的離心浮升力以及通道二次流的影響下而向葉尖偏轉(zhuǎn)，從而不利于氣膜附壁的技術(shù)問題；(2)從改變氣膜出流方向出發(fā)，在頂部靠近壓力面?zhèn)仍O(shè)置了復(fù)合角氣膜孔，克服了間隙泄漏流的不利影響，增大了氣膜覆蓋面積；(3)將葉片壓力面分為5個區(qū)，通過分別設(shè)計不同的復(fù)合角，使氣膜覆蓋更均勻；(4)結(jié)合流動特征設(shè)置了過渡區(qū)，保證了不同區(qū)域復(fù)合角的平滑過渡，盡可能降低摻混帶來的氣動損失；(5)結(jié)構(gòu)簡單，布局合理，加工方便，成本可控；。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的渦輪動葉壓力面及頂部的復(fù)合角氣膜孔布局結(jié)構(gòu)示意圖，其中，(a)為渦輪動葉頂部的氣膜孔布局結(jié)構(gòu)，(b)為渦輪動葉壓力面的氣膜孔布局結(jié)構(gòu)；

圖2為渦輪動葉壓力面的區(qū)域劃分示意圖；

圖3為氣膜孔沿葉片橫截面剖視圖；

圖4為葉根區(qū)的復(fù)合角氣膜孔布局結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為葉根-葉中過渡區(qū)的復(fù)合角氣膜孔布局結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為葉中區(qū)的復(fù)合角氣膜孔布局結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為葉中-葉尖過渡區(qū)的復(fù)合角氣膜孔布局結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為葉尖區(qū)的復(fù)合角氣膜孔布局結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為頂部的復(fù)合角氣膜孔布局結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)得到的冷卻效率對比圖。

附圖中的附圖標(biāo)記說明如下：

1.渦輪動葉

2.復(fù)合角氣膜孔

3.葉根區(qū)

4.葉根-葉中過渡區(qū)

5.葉中區(qū)

6.葉中-葉尖過渡區(qū)

7.葉尖區(qū)

8.主燃氣流

9.氣膜

10.葉根

11.葉尖

12.前緣

13.尾緣

14.壓力面

15.頂部

16.吸力面

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖作進一步詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明的適用于航空發(fā)動機渦輪動葉壓力面及頂部的復(fù)合角氣膜孔布局結(jié)構(gòu)，渦輪動葉1包括葉根10、葉尖11、前緣12和尾緣13，渦輪動葉1的壓力面14沿葉根至葉尖整個展向區(qū)域設(shè)置有4排平行布置的復(fù)合角氣膜孔2，渦輪動葉1的頂部15設(shè)置了一排復(fù)合角氣膜孔2，復(fù)合角氣膜孔2與渦輪動葉1內(nèi)部的冷卻氣流腔連通。第1排孔位于0.12倍弦長，第2排孔位于0.25倍弦長，第3排孔位于0.42倍弦長，第4排孔位于0.64倍弦長。這主要由壓力面的形狀決定，可以避免氣膜脫離壁面，保證氣膜覆蓋的連續(xù)性和均勻性。壓力面上，第1排和第2排氣膜孔間距較小，約為4d；第2排和第3排氣膜孔間距稍大，約為6d；第3排和第4排氣膜孔間距較大，約為8d。考慮到靠近葉片前緣位置的溫度較高，這樣設(shè)計可以保證葉片表面溫度更均勻。頂部15復(fù)合角氣膜孔2布置靠近壓力面14側(cè)，中心距離壓力面2d。在間隙泄漏流的作用下，氣膜可以覆蓋整個葉片頂部區(qū)域。其中，d為氣膜孔直徑。

如圖2所示，本發(fā)明將渦輪動葉1的壓力面從葉根至葉尖劃分為5個葉片區(qū)，依次包括葉根區(qū)3、葉根-葉中過渡區(qū)4、葉中區(qū)5、葉中-葉尖過渡區(qū)6、葉尖區(qū)7。所述葉根區(qū)，沿展向跨度為1/5葉高；所述葉根-葉中過渡區(qū)，沿展向跨度為1/8葉高；所述葉中區(qū)，沿展向跨度為3/5葉高；所述葉中-葉尖過渡區(qū)，沿展向跨度為1/6葉高；所述葉尖區(qū)，沿展向跨度為1/5葉高。為克服壓力面氣膜出流在指向葉根的哥氏力、指向葉尖的離心浮升力以及通道二次流的影響下而向葉尖偏轉(zhuǎn)，以及頂部氣膜出流在間隙泄漏流作用下向吸力面偏轉(zhuǎn)，從而不利于氣膜附壁的技術(shù)問題，本發(fā)明從改變氣膜出流方向出發(fā)，針對葉根到葉尖每個不同的葉片區(qū)及頂部分別設(shè)置不同的氣膜孔復(fù)合角。其中，渦輪動葉1壓力面14不同區(qū)域及頂部15設(shè)置不同的復(fù)合角氣膜孔2是本發(fā)明區(qū)別于其它氣膜孔結(jié)構(gòu)的突出特征。

如圖1、3所示，渦輪動葉片表面被高溫主燃氣流8包圍著，氣膜9以復(fù)合角從葉片內(nèi)部射出，體現(xiàn)在：在垂直葉片的橫截面上，氣膜孔2中心線與葉片1表面過該孔中心的切向平面成一定角度θ，如圖3所示；同時，在展向上，氣膜孔2中心線與垂直葉片截面形成一定角度，朝葉根10方向為正，朝葉尖11方向為負，最終形成復(fù)合角。具體布局如下：葉根區(qū)3(如圖4所示)，受指向葉尖11的端壁二次流的影響，復(fù)合角氣膜孔2的出流向葉尖11發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)，因此氣膜復(fù)合角α1指向葉根10，取值在30～45°范圍內(nèi)，用于抑制端壁二次流引起的偏轉(zhuǎn)；葉根-葉中過渡區(qū)4(如圖5所示)，端壁二次流的作用逐漸減弱，氣膜出流偏轉(zhuǎn)相應(yīng)減弱，但仍指向葉尖11。因此，設(shè)置過渡區(qū)，氣膜復(fù)合角β1指向葉根10，且從α1逐漸減小到α2，取值在20～40°范圍內(nèi)，實現(xiàn)氣膜出流由葉根區(qū)3逐漸向葉中區(qū)5平緩過渡；葉中區(qū)5(如圖6所示)，氣膜孔2的出流由離心浮升力和哥氏力等旋轉(zhuǎn)附加力主導(dǎo)，偏轉(zhuǎn)相對較弱，但仍指向葉尖11。因此，氣膜復(fù)合角α2指向葉根10，取值在15～30°范圍內(nèi)；葉中-葉尖過渡區(qū)6(如圖7所示)，間隙泄漏流的作用逐漸增強，氣膜出流偏轉(zhuǎn)相應(yīng)增強，且仍指向葉尖11。因間隙泄漏流的影響較大，葉中-葉尖過渡區(qū)6較葉根-葉中過渡區(qū)4范圍要寬。該區(qū)域，氣膜復(fù)合角γ1指向葉根10，且從α2逐漸增大到α3，取值在30～50°范圍內(nèi)，實現(xiàn)復(fù)合角氣膜孔2的出流由葉中區(qū)5逐漸向葉尖區(qū)7過渡；葉尖區(qū)7如圖8所示，間隙泄漏流起主導(dǎo)作用，氣膜9朝葉尖11方向的偏轉(zhuǎn)非常劇烈。因此，氣膜復(fù)合角α3指向葉根10，取值在40～60°范圍內(nèi)，抑制間隙泄漏流引起的偏轉(zhuǎn)；葉片頂部15如圖9所示，主要受間隙泄漏流的影響，氣膜出流從壓力面14指向吸力面16，氣膜復(fù)合角α4指向壓力面14，取值在45～65°范圍內(nèi)，可以大幅降低間隙泄漏流的影響，增大氣膜覆蓋面積。整體上，通過上述分區(qū)域復(fù)合角氣膜孔2優(yōu)化布局，保證了氣膜覆蓋更均勻，冷卻效果最佳。如圖10所示(其中num1和exp1分別為已有技術(shù)得到的計算結(jié)果和實驗結(jié)果，num2和exp2分別為本發(fā)明得到的計算結(jié)果和實驗結(jié)果)，本發(fā)明經(jīng)過了cfd和實驗驗證，在給定吹風(fēng)比條件下，其冷卻效果比傳統(tǒng)氣膜孔的氣膜冷卻效果提高了100％～150％。

通過上述論述，完全有效地實現(xiàn)了本發(fā)明的目的。一般情況下，渦輪動葉1壓力面按上述5個區(qū)域劃分，復(fù)合角氣膜孔2分區(qū)域布置，同時頂部15也設(shè)置復(fù)合角氣膜孔2。該領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解本發(fā)明包括但不限于附圖和以上具體實施方式中描述的內(nèi)容，葉根區(qū)氣膜復(fù)合角α1、葉根-葉中過渡區(qū)氣膜復(fù)合角β1、葉中區(qū)氣膜復(fù)合角α2、葉中-葉尖過渡區(qū)氣膜復(fù)合角γ1、葉尖區(qū)氣膜復(fù)合角α3和頂部氣膜復(fù)合角α4等均可以改變，任何不偏離本發(fā)明的功能和結(jié)構(gòu)原理的修改都將包括在權(quán)利要求書的范圍中。

本發(fā)明中所描述的具體實施例，其零、部件的形狀、所取名稱等可以不同。凡依本發(fā)明專利構(gòu)思所述的構(gòu)造、特征及原理所做的等效或簡單變化，均包括于本發(fā)明專利的保護范圍內(nèi)。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，只要不偏離本發(fā)明的結(jié)構(gòu)或者超越本權(quán)利要求書所定義的范圍，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。