一种基于鲁伯特之泪构型的涡轮叶片气膜冷却孔结构

1.本发明属于涡轮叶片气膜冷却技术领域，特别是涉及一种基于鲁伯特之泪构型的涡轮叶片气膜冷却孔结构。


背景技术：

2.目前，燃气轮机涡轮叶片上的气膜冷却孔仍主要采用经典的圆柱形构型。然而，圆柱形构型的气膜冷却孔出口存在迎风涡、背风涡、对旋涡对(肾形涡)、马蹄涡等流动结构，其中，肾形涡和马蹄涡都会加强主流高温燃气和冷气流的掺混，进而影响冷却效率。
3.此外，由于圆柱形构型的气膜冷却孔的展向尺寸较小，因此很难通过增加气膜冷却孔数量来提高气膜的展向覆盖率，即使可以增加气膜冷却孔数量，也会因为气膜冷却孔数量的增加造成叶片强度的下降，并且增加冷却气使用量会降低发动机涡轮效率。
4.再有，虽然可以通过添加额外结构来抑制涡强度，用以调高冷却效率，但也会大幅度增加涡轮叶片的制造成本，并且涡轮叶片的加工难度也会相应提高。
5.另外，若想在有限的展向尺寸范围内通过缩小气膜冷却孔的尺寸来提高气膜的展向覆盖率，同样也会增加涡轮叶片的加工难度，同时加工精度难以保证。
6.综上，经典圆柱形构型的气膜冷却孔在提高气膜冷却效率和冷却气膜在叶片展向的覆盖率方面已经难有作为。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于鲁伯特之泪构型的涡轮叶片气膜冷却孔结构，能够有效削弱气膜冷却孔出口的肾形涡强度，进而提高气膜冷却效率，同时有效提高冷却气膜在叶片展向的覆盖率，通过增加的冷却气储存腔，在主流剧烈变化时，能够有效提高气膜冷却的性能。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于鲁伯特之泪构型的涡轮叶片气膜冷却孔结构，包括直管段、扩散段及水滴段，直管段、扩散段及水滴段顺序布设，扩散段的小径端与直管段相接，扩散段的大径端与水滴段相接，扩散段与水滴段的相接处为平滑过渡；所述直管段的进气口作为气膜冷却孔的进气口，所述水滴段的出气口作为气膜冷却孔的出气口，水滴段的出气口内侧腔室形成冷却气缓存腔。
9.所述直管段倾斜设置，直管段的中轴线与涡轮叶片的被冷却平面或被冷却曲面的切面呈30
°
～40
°
夹角，该夹角为进气角。
10.所述直管段的直径设为d1，且d1≤5mm。
11.所述直管段的轴向长度设为l1，且l1≥3d1。
12.所述扩散段具有弯曲度，扩散段的轴向长度设为l2，且l2＝2.5d1～3d1。
13.所述水滴段的最大直径设为d3，且d3＝1.8d1～2d1。
14.所述水滴段的轴向长度设为l3，且l3＝2.5d1～3d1。
15.所述扩散段与水滴段的轴向总长度为5.5d1。
16.本发明的有益效果：
17.本发明的基于鲁伯特之泪构型的涡轮叶片气膜冷却孔结构，能够有效削弱气膜冷却孔出口的肾形涡强度，进而提高气膜冷却效率，同时有效提高冷却气膜在叶片展向的覆盖率，通过增加的冷却气储存腔，在主流剧烈变化时，能够有效提高气膜冷却的性能。
附图说明
18.图1为本发明的基于鲁伯特之泪构型的涡轮叶片气膜冷却孔结构的示意图(视角一)；
19.图2为本发明的基于鲁伯特之泪构型的涡轮叶片气膜冷却孔结构的示意图(视角二)；
20.图3为本发明的基于鲁伯特之泪构型的涡轮叶片气膜冷却孔结构的通过仿真模拟试验获取的涡轮叶片被冷却表面的温度分布图；
21.图4为经典圆柱形构型的气膜冷却孔结构的通过仿真模拟试验获取的涡轮叶片被冷却表面的温度分布图；
22.图中，i—直管段，ii—扩散段，iii—水滴段，a—冷却气缓存腔。
具体实施方式
23.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
24.如图1、2所示，一种基于鲁伯特之泪构型的涡轮叶片气膜冷却孔结构，包括直管段i、扩散段ii及水滴段iii，直管段i、扩散段ii及水滴段iii顺序布设，扩散段ii的小径端与直管段i相接，扩散段ii的大径端与水滴段iii相接，扩散段ii与水滴段iii的相接处为平滑过渡；所述直管段i的进气口作为气膜冷却孔的进气口，所述水滴段iii的出气口作为气膜冷却孔的出气口，水滴段iii的出气口内侧腔室形成冷却气缓存腔a。
25.所述直管段i倾斜设置，直管段i的中轴线与涡轮叶片的被冷却平面或被冷却曲面的切面呈30
°
～40
°
夹角，该夹角为进气角。
26.所述直管段i的直径设为d1，且d1≤5mm。
27.所述直管段i的轴向长度设为l1，且l1≥3d1。
28.所述扩散段ii具有弯曲度，扩散段ii的轴向长度设为l2，且l2＝2.5d1～3d1。
29.所述水滴段iii的最大直径设为d3，且d3＝1.8d1～2d1。
30.所述水滴段iii的轴向长度设为l3，且l3＝2.5d1～3d1。
31.所述扩散段ii与水滴段iii的轴向总长度为5.5d1。
32.下面结合附图说明本发明的一次使用过程：
33.本实施例中，所述的基于鲁伯特之泪构型的涡轮叶片气膜冷却孔结构的设计方法为：
34.步骤一：先确定气膜冷却孔的总轴向长度，且直管段i、扩散段ii及水滴段iii处于同轴分布且扩散段ii不具有弯曲度的初始状态，之后在绘图软件中利用样条曲线绘制初始状态下的气膜冷却孔的母线；
35.步骤二：在绘图软件中选中气膜冷却孔的中轴线，绕中轴线旋转母线，用以形成不具有弯曲度的气膜冷却孔三维模型；
36.步骤三：在绘图软件中对不具有弯曲度的气膜冷却孔三维模型进行弯曲，且仅选择扩散段ii进行弯曲，在弯曲扩散段ii时，需要保持扩散段ii的孔壁表面各点与中轴线垂直距离不变，直到形成具有设定弯曲度的气膜冷却孔三维模型；
37.步骤四：将建立好的具有设定弯曲度的气膜冷却孔三维模型与涡轮叶片三维模型进行结合，保证水滴段iii的中轴线与涡轮叶片的被冷却平面或被冷却曲面的切面以及主流方向相平行，水滴段iii与涡轮叶片的外壁面相交用以形成出气口，直管段i与涡轮叶片的内壁面相交用以形成进气口，同时保证直管段i的中轴线与涡轮叶片的被冷却平面或被冷却曲面的切面呈30
°
～40
°
夹角，即进气角处于设定范围内；
38.步骤五：通过数值仿真模拟试验对水滴段iii的中轴线与被冷却平面或被冷却曲面的切面之间的距离进行优化，并选择在设计工况下冷却效果最佳的距离。
39.当涡轮叶片采用了本发明的基于鲁伯特之泪构型的涡轮叶片气膜冷却孔结构后，冷却气体首先从进气口进入直管段i内，并在直管段i内实现整流，之后进入扩散段ii中实现减速，然后进入水滴段iii，一部分冷却气体直接从出气口射出，用以在涡轮叶片的外壁面形成冷却气膜，另一部分冷却气体会先途径冷却气缓存腔a，之后在射流卷吸作用下离开冷却气缓存腔a，最后也从出气口射出，并与直接从出气口射出的那一部分冷却气体共同作用，对涡轮叶片进行冷却。
40.当涡轮叶片利用本发明的基于鲁伯特之泪构型的涡轮叶片气膜冷却孔结构进行气膜冷却时，能够有效减少出气口的肾形涡强度，从而增加气膜的展向覆盖率，由于水滴段iii中形成了冷却气缓存腔a，在主流剧烈变化时，冷却气缓存腔a的存在可以有效提高气膜冷却的性能。
41.为了更好的说明本发明的基于鲁伯特之泪构型的涡轮叶片气膜冷却孔结构优于经典圆柱形构型的气膜冷却孔结构，在相同吹风比条件和相同主流条件下，对二者开展了仿真模拟试验，具体仿真结果如图3和图4所示，在图3中可以看出，本发明的基于鲁伯特之泪构型的涡轮叶片气膜冷却孔结构，在气膜冷却孔的出口处实现了肾形涡强度的显著下降，且冷却气膜的展向分布范围也明显扩大，从而使气膜冷却效率得到进一步提升。反观经典圆柱形构型的气膜冷却孔结构，在图4中可以看出，其在气膜冷却孔的出口处形成了较为明显的肾形涡，并且冷却气膜的展向分布范围也更窄，从而严重制约了气膜冷却效率的提升。
42.实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

技术特征：
1.一种基于鲁伯特之泪构型的涡轮叶片气膜冷却孔结构，其特征在于：包括直管段、扩散段及水滴段，直管段、扩散段及水滴段顺序布设，扩散段的小径端与直管段相接，扩散段的大径端与水滴段相接，扩散段与水滴段的相接处为平滑过渡；所述直管段的进气口作为气膜冷却孔的进气口，所述水滴段的出气口作为气膜冷却孔的出气口，水滴段的出气口内侧腔室形成冷却气缓存腔。2.根据权利要求1所述的一种基于鲁伯特之泪构型的涡轮叶片气膜冷却孔结构，其特征在于：所述直管段倾斜设置，直管段的中轴线与涡轮叶片的被冷却平面或被冷却曲面的切面呈30
°
～40
°
夹角，该夹角为进气角。3.根据权利要求2所述的一种基于鲁伯特之泪构型的涡轮叶片气膜冷却孔结构，其特征在于：所述直管段的直径设为d1，且d1≤5mm。4.根据权利要求3所述的一种基于鲁伯特之泪构型的涡轮叶片气膜冷却孔结构，其特征在于：所述直管段的轴向长度设为l1，且l1≥3d1。5.根据权利要求4所述的一种基于鲁伯特之泪构型的涡轮叶片气膜冷却孔结构，其特征在于：所述扩散段具有弯曲度，扩散段的轴向长度设为l2，且l2＝2.5d1～3d1。6.根据权利要求5所述的一种基于鲁伯特之泪构型的涡轮叶片气膜冷却孔结构，其特征在于：所述水滴段的最大直径设为d3，且d3＝1.8d1～2d1。7.根据权利要求6所述的一种基于鲁伯特之泪构型的涡轮叶片气膜冷却孔结构，其特征在于：所述水滴段的轴向长度设为l3，且l3＝2.5d1～3d1。8.根据权利要求7所述的一种基于鲁伯特之泪构型的涡轮叶片气膜冷却孔结构，其特征在于：所述扩散段与水滴段的轴向总长度为5.5d1。

技术总结
一种基于鲁伯特之泪构型的涡轮叶片气膜冷却孔结构，包括直管段、扩散段及水滴段，直管段、扩散段及水滴段顺序布设，扩散段的小径端与直管段相接，扩散段的大径端与水滴段相接，扩散段与水滴段的相接处为平滑过渡；直管段的进气口作为气膜冷却孔的进气口，水滴段的出气口作为气膜冷却孔的出气口，水滴段的出气口内侧腔室形成冷却气缓存腔；直管段倾斜设置，直管段的中轴线与涡轮叶片的被冷却平面或被冷却曲面的切面呈30


技术研发人员：王建明 王文宗 王一攀
受保护的技术使用者：沈阳航空航天大学
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/8/16