[发明专利]涡轮叶片的V型气膜孔和涡轮叶片

说明书

本发明公开了一种涡轮叶片的V型气膜孔和涡轮叶片，涡轮叶片的V型气膜孔包括冷气入口、冷气出口，V型气膜孔相对于空间坐标系具有空间倾斜角度的倾斜主圆柱孔，倾斜主圆柱孔的一端连通至冷气入口，另一端连通至冷气出口；V型气膜孔还包括由冷气出口处向冷气入口方向开设的倾斜副圆柱孔，冷气出口沿展向扩张以构成倾斜副圆柱孔的副冷气出口；倾斜副圆柱孔与倾斜主圆柱孔之间呈夹角布设，倾斜主圆柱孔和倾斜副圆柱孔组合构成V型孔结构。本发明的涡轮叶片的V型气膜孔，在倾斜主圆柱孔基础上，引入倾斜副圆柱孔形成V型孔结构，二者都具有空间角，即具有流向倾斜角，又具有展向倾斜角，能将冷却气流分流，使得冷气覆盖范围增大。

技术领域

本发明涉及燃气轮机涡轮叶片的冷却技术领域，特别地，涉及一种涡轮叶片的V型气膜孔。此外，本发明还涉及一种包括上述涡轮叶片的V型气膜孔的涡轮叶片。

背景技术

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级的航空发动机涡轮前进口温度已经达到1900K～2000K，这远远超出了涡轮叶片材料的耐温极限。目前，航空发动机中广泛采用气膜冷却对叶片进行冷却，这已经占据先进冷却方案的60％。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孔或缝槽流出，在主流压力和科恩达效应下贴附在叶片外表面形成温度较低的气膜层，将叶片表面同高温燃气隔离开，并带走部分高温燃气或明亮火焰对叶片表面的辐射热量，对叶片起到良好的保护作用。

目前，受制于加工工艺，涡轮叶片上大多采用圆柱形孔，但圆柱形孔的射流比较集中，形成的气膜覆盖能力有限，而且大吹风比下冷却气流容易冲出壁面至较远处，无法形成有效气膜保护。为了满足日益提高的现代燃气轮机性能要求，必须采用更高效的冷却技术，圆柱形孔气膜冷却的不足就显得越来越突出。

二十世纪七十年代，国外学者首次发现在圆柱形孔的出口进行扩张设计能增强气膜冷却效率，并且随着吹风比增大，冷效降低较慢。一方面出口扩张降低了冷却气流在气膜孔出口的垂直动量，使得冷气射流不容易射穿主流，另一方面在科恩达效应下冷气贴附在叶片表面。此后，异形气膜孔逐渐成为气膜冷却研究的重要分支。US20020090295提出了一种出口扩张结构，是在出口上游和下游分别进行了扩张。US9988933B2在气膜孔正下游及两侧分别扩张，形成树杈形状的孔结构。这些结构在冷却效果上有一定益处，但同时加工工艺困难、复杂，成本比较高，因此应用非常受限。现有的技术中，圆柱形孔在冷却覆盖性能上存在不足，而水滴形孔、簸箕形孔加工工艺存在较大难度，可操作性差，成本比较高。

发明内容

本发明提供了一种涡轮叶片的V型气膜孔和涡轮叶片，以解决现有技术中异型孔加工困难，成本高，冷却覆盖性能不足的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种涡轮叶片的V型气膜孔，包括冷气入口、冷气出口，依据涡轮叶片建立空间坐标系，空间坐标系的Z轴与V型气膜孔开设所在平面平行，X轴沿涡轮叶片的尾缘方向延伸，V型气膜孔包括相对于空间坐标系具有空间倾斜角度的倾斜主圆柱孔，倾斜主圆柱孔的一端连通至冷气入口，另一端连通至冷气出口；V型气膜孔还包括由冷气出口处向冷气入口方向开设的倾斜副圆柱孔，冷气出口沿展向扩张以构成倾斜副圆柱孔的副冷气出口；倾斜副圆柱孔与倾斜主圆柱孔之间呈夹角布设，倾斜主圆柱孔和倾斜副圆柱孔组合构成V型孔结构。

进一步地，倾斜主圆柱孔中轴线与倾斜副圆柱孔中轴线之间的夹角为θ角，θ角为12°～18°。

进一步地，倾斜主圆柱孔的中轴线在X-Y平面的投影与-Y轴呈β角，倾斜副圆柱孔的中轴线在X-Y平面的投影与-Y轴呈β角；涡轮叶片的V型气膜孔开设所在平面与Y-Z平面呈β角；β角为16°～20°。

进一步地，倾斜主圆柱孔中轴线与Z轴呈α角；α角为40°～50°。

进一步地，α角与β角之间的关系为α＝-2.5β+90。

进一步地，α角与θ角之间的关系为θ＝0.6α-12。