【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于航空发动机涡轮叶片冷却，涉及涡轮叶片气膜冷却孔的设计和优化，具体涉及一种中间扩张、两侧收缩三孔组合的涡轮叶片气膜冷却结构，可以有效地提高涡轮叶片的气膜冷却效果和降低气动损失。
技术介绍
1、航空发动机是飞机的动力源，其性能的提高直接影响飞机的飞行性能和安全性。为了提高航空发动机的燃烧效率和推力，必须提高涡轮进口温度，从而提高循环效率。然而，涡轮进口温度的提高也给涡轮叶片的冷却带来了巨大的挑战。涡轮叶片是航空发动机的核心部件之一，其工作环境极为恶劣，承受着高温、高压、高速旋转等多重负荷。先进的民用大涵道比航空发动机涡轮进口温度已经超过2000k，这一温度远高于涡轮叶片材料所能承受的最高耐温极限。在这种极端的工作环境下，如果没有有效的冷却措施，涡轮叶片很容易因为高温而发生蠕变或者损伤，导致发动机性能下降或失效。
2、为了保护涡轮叶片在高温下的工作寿命，目前广泛采用的冷却方法是气膜冷却技术。气膜冷却技术是利用从叶片内部引入的低温冷却气体，在叶片表面形成一层气膜，阻隔高温主燃气流对叶片的热辐射和对流传热，从而降低叶片表面温度。气膜冷却技术的优点是冷却效率高，冷却气体消耗少，对发动机性能影响小。气膜冷却效率的高低直接关系到涡轮叶片的冷却效果和发动机的整体性能。气膜冷却效率不仅受吹风比、密度比、主流雷诺数等流动参数的影响，还与气膜孔的几何形状参数关系密切。
3、目前，在气膜孔形状方面，研究人员对复合角气膜孔(即气膜孔在轴向和周向上都有一定的倾角)、异形孔(即气膜孔的出口面积与入口面积不同，如扩张孔、收缩
4、然而，改善气膜孔形状也存在一些问题和挑战。首先，异型孔等改进后的气膜孔结构比较复杂，加工难度大，加工成本高。特别是对于叶片前缘和后缘等曲率较大的区域，气膜孔的加工更加困难。同时，对叶片表面的主流气动性能有一定影响，并可能增加气动损失，从而影响整个发动机的效率。例如，复合角气膜孔会在叶片表面产生一定的侧向力，影响叶片的稳定性。此外，异形孔会改变叶片表面的粗糙度，影响叶片的阻力和升力。
5、综上所述，尽管当前的气膜冷却技术已经取得了一定的进展，但如何在确保气膜冷却效率的同时，简化气膜孔的结构、降低加工难度与成本，以及减少对叶片气动性能的影响，仍然是亟待解决的技术问题。解决这些问题，将对提升航空发动机的性能与可靠性产生重要影响。
技术实现思路
1、(一)专利技术目的
2、针对现有技术中气膜冷却效率受限于传统圆柱形气膜孔诱发的肾形涡以及这些涡流导致的冷却效率降低和气动损失增加的问题，本专利技术目的在于提出一种中间扩张两侧收缩三孔组合的涡轮叶片气膜冷却结构，通过利用流体力学理论，从速度和压力分布对气膜出流与主流掺混后的涡系结构进行重构，实现提高气膜冷却效果和降低气动损失的目的。本专利技术的核心在于中间扩张、两侧收缩的三孔组合设计，其中间孔的扩张设计有助于降低射流速度、增大出口处压力，从而有效抑制高温主流的穿透能力，增强气膜的稳定性。两侧孔的收缩设计则通过提升射流速度、降低压力，促进反肾形涡的形成，有效抑制传统肾形涡的负面作用，增强气膜与主流的掺混效果，从而提高气膜冷却效率。本专利技术的中间扩张两侧收缩三孔组合的涡轮叶片气膜冷却结构，具有结构独特和功能性强的优点，气膜冷却效果提升明显，可以有效提升涡轮叶片的冷却性能，延长其工作寿命，具有广泛的应用前景，特别是在高性能航空发动机涡轮叶片的冷却
3、(二)技术方案
4、为实现该专利技术目的，解决其技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
5、一种中间扩张两侧收缩三孔组合的涡轮叶片气膜冷却结构，用于提高涡轮叶片的冷却性能和降低气动损失，包括在周向上均匀分布的多个涡轮叶片，相邻各所述涡轮叶片之间形成为主燃气流通道，每一所述涡轮叶片中均设有与外部冷却气源连通的中空腔体，其特征在于，
6、每一所述涡轮叶片的吸力面和/或压力面的基体表面上均设置有沿叶片展向由叶根至叶尖分布的多个气膜孔组合体，每一所述气膜孔组合体均由三个弦向位置一致且在叶片展向上紧邻布置的气膜射流通道组成，分别为一中间气膜射流通道以及在叶片展向上位于所述中间气膜射流通道两侧并对称分布的第一侧气膜射流通道及第二侧气膜射流通道，其中，
7、所述中间气膜射流通道、第一侧气膜射流通道及第二侧气膜射流通道的进气端口均形成在涡轮叶片基体表面的内侧并与所述涡轮叶片的充注有冷却气的中空腔体连通、出气端口均形成在涡轮叶片基体表面的外侧并与所述主燃气流通道连通，且各所述进气端口均形成为圆形孔，各所述出气端口均形成为异形孔，并且每一所述气膜孔组合体的三个呈异形孔的出气端口在涡轮叶片基体表面上沿叶片展向排列呈月牙形，并且其中，
8、所述中间气膜射流通道由其进气端口至出气端口整体形成为逐渐扩张的形状，其通道中心线在涡轮叶片基体表面上的投影的延伸方向与叶片弦向保持一致，且其呈异形孔的出气端口面积大于呈圆形孔的进气端口面积，以降低出口处的气膜射流速度，增大气膜射流出口压力，从而利于形成稳定的低速高压冷却气膜区域，抑制高温主燃气流的穿透能力，
9、所述第一侧气膜射流通道及第二侧气膜射流通道由其进气端口至出气端口整体形成为逐渐收缩的形状，其呈异形孔的出气端口面积小于呈圆形孔的进气端口面积，以增加出口处的气膜射流速度，降低气膜射流出口压力，从而利于在所述中间气膜射流通道的低速高压区域两侧形成高速低压区域，促进形成反肾形涡流而削弱肾形涡流的负面作用，从而增强气膜附壁效果，提高气膜冷却能力。
10、优选地，每一所述气膜孔组合体中，所述中间气膜射流通道、第一侧气膜射流通道及第二侧气膜射流通道的出气端口的异形孔均包括一在叶片弦向上位于上游的上游椭圆弧、一在叶片弦向上位于下游的下游椭圆弧、用于连接所述上游椭圆弧及下游椭圆弧并在叶片展向上分别位于椭圆弧两端的两过渡圆弧，所述上游椭圆弧、下游椭圆弧的长轴方向均与叶片弦向保持一致，所述上游椭圆弧、下游椭圆弧的短轴方向均与叶片展向保持一致。
11、进一步地，每一所述气膜孔组合体中，所述中间气膜射流通道、第一侧气膜射流通道及第二侧气膜射流通道的进气端口的圆形孔具有相同一致的直径d，圆形孔直径d的范围在0.6mm～4mm之间；所述上游椭圆弧的长轴半径为a1，短轴半径为b1，a1的范围在4d～6d之间，b1的范围在2d～4d之间；所述下游椭圆弧的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种中间扩张两侧收缩三孔组合的涡轮叶片气膜冷却结构，用于提高涡轮叶片的冷却性能和降低气动损失，包括在周向上均匀分布的多个涡轮叶片，相邻各所述涡轮叶片之间形成为主燃气流通道，每一所述涡轮叶片中均设有与外部冷却气源连通的中空腔体，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的中间扩张两侧收缩三孔组合的涡轮叶片气膜冷却结构，其特征在于，每一所述气膜孔组合体中，所述中间气膜射流通道、第一侧气膜射流通道及第二侧气膜射流通道的出气端口的异形孔均包括一在叶片弦向上位于上游的上游椭圆弧、一在叶片弦向上位于下游的下游椭圆弧、用于连接所述上游椭圆弧及下游椭圆弧并在叶片展向上分别位于椭圆弧两端的两过渡圆弧，所述上游椭圆弧、下游椭圆弧的长轴方向均与叶片弦向保持一致，所述上游椭圆弧、下游椭圆弧的短轴方向均与叶片展向保持一致。
3.根据权利要求2所述的中间扩张两侧收缩三孔组合的涡轮叶片气膜冷却结构，其特征在于，每一所述气膜孔组合体中，所述中间气膜射流通道、第一侧气膜射流通道及第二侧气膜射流通道的进气端口的圆形孔具有相同一致的直径D，圆形孔直径D的范围在0.6mm～4mm之间；所述上游椭圆
4.根据权利要求1所述的中间扩张两侧收缩三孔组合的涡轮叶片气膜冷却结构，其特征在于，每一所述气膜孔组合体中，所述中间气膜射流通道、第一侧气膜射流通道及第二侧气膜射流通道的进气端口的圆形孔具有相同一致的弦向位置，且相邻两圆形孔中心之间的孔间距L的范围在1.8D～3D之间，所述中间气膜射流通道、第一侧气膜射流通道及第二侧气膜射流通道的出气端口的异形孔中，相邻两异形孔的临近边缘之间的距离t的范围在0.16D～0.25D之间，其中D为圆形孔直径。
5.根据权利要求1所述的中间扩张两侧收缩三孔组合的涡轮叶片气膜冷却结构，其特征在于，每一所述气膜孔组合体中，各气膜射流通道的中心线与涡轮叶片基体表面之间在叶片弦向上的夹角为θ，射流通道夹角θ的范围在20°～60°之间，并基于涡轮叶片基体表面的气动特性和冷却需求进行优化设置，以确保气膜射流能够有效覆盖叶片表面并形成稳定的冷却气膜。
6.根据权利要求1所述的中间扩张两侧收缩三孔组合的涡轮叶片气膜冷却结构，其特征在于，每一所述气膜孔组合体中，所述中间气膜射流通道的扩张形状设计采用变径比逐步增加的方式，使得从进气端口至出气端口，通道的直径逐渐增大且增大的速率逐渐加快，从而在所述中间气膜射流通道内形成更加稳定的流速分布，以优化气膜射流的动力学特性并确保低速高压区域的形成更加稳定并抑制高温主流气体的穿透。
7.根据权利要求1所述的中间扩张两侧收缩三孔组合的涡轮叶片气膜冷却结构，其特征在于，每一所述气膜孔组合体中，所述第一侧气膜射流通道和第二侧气膜射流通道的收缩形状设计采用线性收缩方式，使得从进气端口至出气端口，通道直径以恒定比例逐渐减小，从而确保气流在通过侧气膜射流通道时速度逐渐增加并在出气端口形成稳定的高速低压射流，而在中间气膜射流通道形成的低速高压区域的两侧产生强烈的剪切效应以促进反肾形涡流的形成并抑制肾形涡流的形成，从而增强气膜附壁效果。
8.根据权利要求7所述的中间扩张两侧收缩三孔组合的涡轮叶片气膜冷却结构，其特征在于，沿叶片展向分布设置的若干排气膜孔组合体中，所述第一侧气膜射流通道和第二侧气膜射流通道的收缩比例根据涡轮叶片不同展向部位的热负荷和气动特性进行调整，以适应涡轮叶片的工作环境，提高气膜冷却效果和降低气动损失。
9.根据权利要求8所述的中间扩张两侧收缩三孔组合的涡轮叶片气膜冷却结构，其特征在于，在叶片根部，所述第一侧气膜射流通道和第二侧气膜射流通道的收缩比例设置得相对较小，以保持气膜射流的出口压力相对较高以抑制高温主流的穿透能力，同时避免过大的收缩比例导致气膜射流的速度过高而增加气动损失；在叶尖部位，通过设置更大的收缩比例，以增加气膜射流的出口速度而降低气膜射流的出口压力，从而利于形成高速低压的冷却气膜区域并促进气膜射流与主流的掺混，提高气膜的冷却效果，同时优化气膜射流的动力学特性，降低气动损失。
10.根据权利要求1所述的中间扩张两侧收缩三孔组合的涡轮叶片气膜冷却结构，其特征在于，每一所述涡轮叶片的吸力面和/或压力面的基体表面上沿叶片弦向分布设置有若干排气膜孔组合体，每排气膜孔组合体包括多个沿叶片展向由叶根至叶尖分布的气膜孔组合体，同排相邻两所述气膜孔组合体在叶片展向上...
【技术特征摘要】
1.一种中间扩张两侧收缩三孔组合的涡轮叶片气膜冷却结构，用于提高涡轮叶片的冷却性能和降低气动损失，包括在周向上均匀分布的多个涡轮叶片，相邻各所述涡轮叶片之间形成为主燃气流通道，每一所述涡轮叶片中均设有与外部冷却气源连通的中空腔体，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的中间扩张两侧收缩三孔组合的涡轮叶片气膜冷却结构，其特征在于，每一所述气膜孔组合体中，所述中间气膜射流通道、第一侧气膜射流通道及第二侧气膜射流通道的出气端口的异形孔均包括一在叶片弦向上位于上游的上游椭圆弧、一在叶片弦向上位于下游的下游椭圆弧、用于连接所述上游椭圆弧及下游椭圆弧并在叶片展向上分别位于椭圆弧两端的两过渡圆弧，所述上游椭圆弧、下游椭圆弧的长轴方向均与叶片弦向保持一致，所述上游椭圆弧、下游椭圆弧的短轴方向均与叶片展向保持一致。
3.根据权利要求2所述的中间扩张两侧收缩三孔组合的涡轮叶片气膜冷却结构，其特征在于，每一所述气膜孔组合体中，所述中间气膜射流通道、第一侧气膜射流通道及第二侧气膜射流通道的进气端口的圆形孔具有相同一致的直径d，圆形孔直径d的范围在0.6mm～4mm之间；所述上游椭圆弧的长轴半径为a1，短轴半径为b1，a1的范围在4d～6d之间，b1的范围在2d～4d之间；所述下游椭圆弧的长轴半径为a2，短轴半径为b2，a2的范围在4d～6d之间，b2的范围在2d～4d之间；所述过渡圆弧的半径为r，r的范围在0.1d～0.2d之间。
4.根据权利要求1所述的中间扩张两侧收缩三孔组合的涡轮叶片气膜冷却结构，其特征在于，每一所述气膜孔组合体中，所述中间气膜射流通道、第一侧气膜射流通道及第二侧气膜射流通道的进气端口的圆形孔具有相同一致的弦向位置，且相邻两圆形孔中心之间的孔间距l的范围在1.8d～3d之间，所述中间气膜射流通道、第一侧气膜射流通道及第二侧气膜射流通道的出气端口的异形孔中，相邻两异形孔的临近边缘之间的距离t的范围在0.16d～0.25d之间，其中d为圆形孔直径。
5.根据权利要求1所述的中间扩张两侧收缩三孔组合的涡轮叶片气膜冷却结构，其特征在于，每一所述气膜孔组合体中，各气膜射流通道的中心线与涡轮叶片基体表面之间在叶片弦向上的夹角为θ，射流通道夹角θ的范围在20°～60°之间，并基于涡轮叶片基体表面的气动特性和冷却需求进行优化设置，以确保气膜射流能够有效覆盖叶片表面并形成稳定的冷却气膜。
6.根据权利要求1...
【专利技术属性】
技术研发人员：李国庆，白晓辉，刘佳林，李年强，卢新根，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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