鸭掌型涡轮叶片气膜孔和涡轮叶片的制作方法

1.本发明涉及航空发动机涡轮叶片冷却技术领域，具体涉及一种鸭掌型涡轮叶片气膜孔和涡轮叶片。


背景技术：

2.现代航空燃气涡轮发动机为了获得更高的推重比和热效率，不断提高涡轮入口温度，目前涡轮进口温度已经远远超过叶片材料的熔点温度，必须采用复杂的冷却技术来保持涡轮叶片的正常工作，涡轮叶片冷却技术分外部冷却和内部冷却，外部冷却是在涡轮叶片表面布置一系列气膜孔，冷气从气膜孔流出，覆盖在叶片表面，隔离叶片与燃气，从而降低叶片温度，因此提高气膜孔的气膜覆盖效果对涡轮叶片冷却设计非常重要。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本技术实施例提供一种鸭掌型涡轮叶片气膜孔和涡轮叶片，以达到提高涡轮叶片冷气气膜覆盖效果的目的。
4.本技术实施例提供以下技术方案：一种鸭掌型涡轮叶片气膜孔，包括：
5.圆柱孔段，按冷气流动方向，所述圆柱孔段的一端为上游冷气入口端，另一端为下游冷气出口端；
6.扩张段，所述扩张段与所述圆柱孔段的下游冷气出口端连通；所述扩张段为顶面开口的槽状结构，该槽状结构的槽身包括在冷气流动方向上向外延伸的凸起，以及分别位于所述凸起两侧的第一分支和第二分支，所述第一分支和所述第二分支为位于所述凸起两侧的对称结构，且所述第一分支、所述凸起和所述第二分支之间通过圆弧过渡，使所述扩张段的外型为鸭掌型；
7.半槽，所述半槽为顶面开口的半圆柱结构，该半圆柱结构的一端与所述扩张段连通，另一端向冷气流动的上游方向延伸，以形成所述半槽；并且，所述半槽的顶面与所述扩张段的顶面为同平面；
8.其中，所述半槽的顶面与所述扩张段的顶面构成的顶部面与所述圆柱孔段的轴线相交。
9.根据本技术一种实施例，所述第一分支和所述第二分支分别为在冷气流动方向上的渐缩结构。
10.根据本技术一种实施例，所述圆柱孔段与所述扩张段连通的下游冷气出口端的端面为倾斜面。
11.根据本技术一种实施例，所述圆柱孔段的直径为d；以所述圆柱孔段的轴线与所述顶部面的交点为中心，所述半槽的中心线与所述第一分支和所述第二分支的中心线的夹角分别为α，所述第一分支和所述第二分支的长度为l5，所述凸起的长度为l6；
12.其中，α为120-130
°
，l5的长度为1.5d-2.0d，l6的长度为0.8d-0.9d。
13.根据本技术一种实施例，所述第一分支和所述第二分支的外侧为圆弧结构，该圆
弧结构的圆弧半径为r，所述第一分支和所述第二分支的圆弧圆心之间的间距为l4；
14.其中，r为0.1d-0.3d，l4为2.5d-3.5d。
15.根据本技术一种实施例，所述扩张段的高度为l1，l1为0.9d-1.1d。
16.根据本技术一种实施例，所述半槽的深度为l2，所述半槽的长度为l3；l2为0.4d-0.6d，l3为2.5d-3.5d。
17.本技术还提供一种涡轮叶片，所述涡轮叶片包括如上述的鸭掌型涡轮叶片气膜孔。
18.本发明所提供的一种鸭掌型涡轮叶片气膜孔，冷气从气膜孔流出时，由于上游槽的作用，部分燃气会进入槽内，如图6，进入槽内的燃气对冷气形成冲击，将冷气往壁面上压，从而使冷气更靠近壁面。此外在鸭掌型涡轮叶片气膜孔下游的凸起位置，能让部分冷气往壁面上贴，多余的冷气则通过两侧的分支往两侧流动，从而加宽气膜覆盖范围。鸭掌型涡轮叶片气膜孔相比于圆柱形气膜孔，如图7，鸭掌型涡轮叶片气膜孔的气膜效率提升200％。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
20.图1为本发明的鸭掌型涡轮叶片气膜孔结构示意图；
21.图2为本发明的鸭掌型涡轮叶片气膜孔俯视图；
22.图3为本发明的鸭掌型涡轮叶片气膜孔仰视图；
23.图4为本发明的鸭掌型涡轮叶片气膜孔剖视图；
24.图5为图4的a-a面剖视图；
25.图6为本发明的鸭掌型涡轮叶片气膜孔流线图；
26.图7为本发明的鸭掌型涡轮叶片气膜孔气膜效率对比图；
27.其中，1-圆柱孔段、2-半槽、3-扩张段、4-第一分支、5-凸起、6-第二分支。
具体实施方式
28.下面结合附图对本技术实施例进行详细描述。
29.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.如图1-图7所示，本发明实施例提供了一种鸭掌型涡轮叶片气膜孔，包括：
31.圆柱孔段1，按冷气流动方向，所述圆柱孔段1的一端为上游冷气入口端，另一端为下游冷气出口端；
32.扩张段3，所述扩张段3与所述圆柱孔段1的下游冷气出口端连通；所述扩张段3为顶面开口的槽状结构，该槽状结构的槽身包括在冷气流动方向上向外延伸的凸起5，以及分别位于所述凸起5两侧的第一分支4和第二分支6，所述第一分支4和所述第二分支6为位于
所述凸起5两侧的对称结构，且所述第一分支4、所述凸起5和所述第二分支6之间通过圆弧过渡，使所述扩张段3的外型为鸭掌型；
33.半槽2，所述半槽2为顶面开口的半圆柱结构，该半圆柱结构的一端与所述扩张段3连通，另一端向冷气流动的上游方向延伸，以形成所述半槽2；并且，所述半槽2的顶面与所述扩张段3的顶面为同平面；其中，所述半槽2的顶面与所述扩张段3的顶面构成的顶部面与所述圆柱孔段1的轴线相交。
34.在一种优选实施例中，所述第一分支和所述第二分支分别为在冷气流动方向上的渐缩结构。
35.在另一种优选实施例中，所述圆柱孔段与所述扩张段连通的下游冷气出口端的端面为倾斜面。
36.本实施例中圆柱孔段1的直径为d，在鸭掌型涡轮叶片气膜孔顶部，如图2所示，气膜孔的典型特征为鸭掌型，以所述圆柱孔段1的轴线与所述顶部面的交点为中心，上游的所述半槽2的中心线与第一分支4(或第二分支6)的中心线的夹角为α，第一分支4和第二分支6的长度为l5，凸起5的长度为l6，其中本实施例优选的，α为120
°
到130
°
，l5的长度为1.5d-2.0d，l6的长度为0.8d-0.9d。
37.鸭掌型涡轮叶片气膜孔的第一分支4和第二分支6的外侧为圆弧结构，圆弧半径为r，两侧圆弧圆心之间的间距为l4，如图3所示，其中本实施例优选的，r为0.1d-0.3d，l4为2.5d-3.5d。从鸭掌型涡轮叶片气膜孔对称面剖开，如图4和图5所示，扩张段的高度为l1，槽的深度为l2，槽的长度为l3，本实施例优选的l1为0.9d-1.1d，l2为0.4d-0.6d，l3为2.5d-3.5d。
38.本发明中，冷气从气膜孔流出时，由于上游的半槽2的作用，部分燃气会进入槽内，如图6，进入半槽2内的燃气对冷气形成冲击，将冷气往壁面上压，从而使冷气更靠近壁面。鸭掌型涡轮叶片气膜孔下游的凸起5的位置，能让部分冷气往壁面上贴，多余的冷气则通过两侧的分支往两侧流动，从而加宽气膜覆盖范围。并且，扩张段3可有效增大冷气展向覆盖宽度，从而提高气膜覆盖范围。
39.本发明的鸭掌型涡轮叶片气膜孔可包括多个气膜孔单元，多个气膜孔单元可将气膜孔覆盖效果最大化，本实施例中可选择不同数量的气膜孔单元，以满足不同的工作条件。
40.本发明实施例通过数值计算对比了鸭掌型涡轮叶片气膜孔和传统的圆柱型气膜孔，本发明实施例的鸭掌型涡轮叶片气膜孔相比于圆柱形气膜孔，如图7所示，鸭掌型涡轮叶片气膜孔的气膜效率提升200％。
41.本技术还提供一种涡轮叶片，所述涡轮叶片包括如上述的鸭掌型涡轮叶片气膜孔。
42.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种鸭掌型涡轮叶片气膜孔，其特征在于，包括：圆柱孔段，按冷气流动方向，所述圆柱孔段的一端为上游冷气入口端，另一端为下游冷气出口端；扩张段，所述扩张段与所述圆柱孔段的下游冷气出口端连通；所述扩张段为顶面开口的槽状结构，该槽状结构的槽身包括在冷气流动方向上向外延伸的凸起，以及分别位于所述凸起两侧的第一分支和第二分支，所述第一分支和所述第二分支为位于所述凸起两侧的对称结构，且所述第一分支、所述凸起和所述第二分支之间通过圆弧过渡，使所述扩张段的外型为鸭掌型；半槽，所述半槽为顶面开口的半圆柱结构，该半圆柱结构的一端与所述扩张段连通，另一端向冷气流动的上游方向延伸，以形成所述半槽；并且，所述半槽的顶面与所述扩张段的顶面为同平面；其中，所述半槽的顶面与所述扩张段的顶面构成的顶部面与所述圆柱孔段的轴线相交。2.根据权利要求1所述的鸭掌型涡轮叶片气膜孔，其特征在于，所述第一分支和所述第二分支分别为在冷气流动方向上的渐缩结构。3.根据权利要求1所述的鸭掌型涡轮叶片气膜孔，其特征在于，所述圆柱孔段与所述扩张段连通的下游冷气出口端的端面为倾斜面。4.根据权利要求1所述的鸭掌型涡轮叶片气膜孔，其特征在于，所述圆柱孔段的直径为d；以所述圆柱孔段的轴线与所述顶部面的交点为中心，所述半槽的中心线与所述第一分支和所述第二分支的中心线的夹角分别为α，所述第一分支和所述第二分支的长度为l5，所述凸起的长度为l6；其中，α为120-130
°
，l5的长度为1.5d-2.0d，l6的长度为0.8d-0.9d。5.根据权利要求4所述的鸭掌型涡轮叶片气膜孔，其特征在于，所述第一分支和所述第二分支的外侧为圆弧结构，该圆弧结构的圆弧半径为r，所述第一分支和所述第二分支的圆弧圆心之间的间距为l4；其中，r为0.1d-0.3d，l4为2.5d-3.5d。6.根据权利要求4所述的鸭掌型涡轮叶片气膜孔，其特征在于，所述扩张段的高度为l1，l1为0.9d-1.1d。7.根据权利要求4所述的鸭掌型涡轮叶片气膜孔，其特征在于，所述半槽的深度为l2，所述半槽的长度为l3；l2为0.4d-0.6d，l3为2.5d-3.5d。8.一种涡轮叶片，其特征在于，所述涡轮叶片包括如权利要求1至7任一项所述的鸭掌型涡轮叶片气膜孔。

技术总结
本发明提供了一种鸭掌型涡轮叶片气膜孔和涡轮叶片，气膜孔包括：圆柱孔段，按冷气流动方向，所述圆柱孔段的一端为上游冷气入口端，另一端为下游冷气出口端；扩张段，所述扩张段与圆柱孔段的下游冷气出口端连通；扩张段为顶面开口的槽状结构，该槽状结构的槽身包括在冷气流动方向上向外延伸的凸起，以及分别位于凸起两侧的第一分支和第二分支，第一分支和第二分支为位于凸起两侧的对称结构，所述第一分支、凸起和第二分支之间通过圆弧过渡，使扩张段的外型为鸭掌型；半槽，所述半槽为顶面开口的半圆柱结构，该半圆柱结构的一端与扩张段连通，另一端向冷气流动的上游方向延伸，以形成所述半槽。本发明可有效提高涡轮叶片冷气气膜覆盖效果。覆盖效果。覆盖效果。


技术研发人员：程荣辉 梁津华 崔亭亭 郭文 苏云亮 邹咪 马建栋 徐连强 赵维维
受保护的技术使用者：中国航发四川燃气涡轮研究院
技术研发日：2023.02.07
技术公布日：2023/5/17