配置有扩张型气膜孔的冷却结构及涡轮叶片

本公开的至少一种实施例涉及燃气轮机，更具体地，涉及一种配置有扩张型气膜孔的冷却结构及涡轮叶片。

背景技术：

1、提高涡轮进口温度是提高航空发动机效率的最直接方法，目前，民用大涵道比航空发动机涡轮的进口温度已超过2000k(开尔文)，该温度远高于叶片所用材料可承受的最高温度，为此，现有涡轮叶片多利用气膜冷却技术以维持叶片在高温状态下的正常工作。

2、现有的气膜冷却技术中，常用的离散式的气膜孔多被构造成圆柱形，但被构造成圆柱形结构的气膜孔在应用过程中，由于通过气膜孔的射流过于集中，易在流场中的出气口附近形成较强的肾形涡对，从而导致由叶片表面通过的主流从肾形涡的两侧被卷吸至射流底下，使得气膜的附壁能力降低，进而导致气膜孔的冷却效果较差。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的所述以及其他方面的至少一种技术问题，本公开提供一种配置有扩张型气膜孔的冷却结构及涡轮叶片。通过被构造成扇形的孔结构的出气口，以及被构造成扩张结构的出气口，可使通过气膜孔的射流在较大的区域进行扩散，即可削弱所形成的肾形涡的强度，又限制肾形涡的发展，有利于增加气膜的附壁能力。

2、本公开的实施例一方面提供一种配置有扩张型气膜孔的冷却结构，包括基体，上述基体内设置有多个沿上述基体的厚度方向倾斜延伸的气膜孔；上述气膜孔的进气口形成于上述基体的内表面上，上述气膜孔的出气口形成于上述基体的外表面上，上述出气口被构造成沿与通过上述气膜孔的气体的气流流向相正交的气流展向、向两侧扩张的扇形的孔结构；上述进气口及上述出气口之间顺次设置有过渡段及扩张段，上述扩张段被构造成由上述过渡段向上述出气口形成沿出气口的宽度方向渐缩且沿上述出气口的长度方向渐宽的扩张结构，以削弱流场中形成于上述出气口附近的肾形涡的强度，并诱导产生反肾形涡对。

3、在一种示意性的实施例中，上述出气口被构造成沿上述气膜孔的中线轴对称。

4、在一种示意性的实施例中，在上述基体的厚度方向的正投影中，上述出气口的靠近上述进气口的一侧形成向上述进气口凹陷的第一弧形部，上述出气口的远离上述进气口的一侧形成于上述第一弧形部的凹陷方向相同的第二弧形部，上述第一弧形部及上述第二弧形部之间通过直线部连接。

5、在一种示意性的实施例中，上述第一弧形部和/或第二弧形部与上述直线部的连接部分被构造成圆角结构。

6、在一种示意性的实施例中，上述过渡段被构造成圆柱形的孔结构。

7、在一种示意性的实施例中，在上述基体的厚度方向的正投影中，上述扩张段的长度被构造成上述过渡段的孔径的2.5至5倍。

8、在一种示意性的实施例中，上述第一弧形部的半径被构造成上述过渡段的孔径的4至6倍。

9、在一种示意性的实施例中，上述第二弧形部的半径被构造成上述过渡段的孔径的3至5倍。

10、在一种示意性的实施例中，上述第一弧形部和/或第二弧形部与上述直线部的连接部分被构造成圆角的半径被构造成上述过渡段的孔径的0.1至0.3倍。

11、在一种示意性的实施例中，多个上述气膜孔沿上述气流流向和/或上述气流展向间隔排布，以形成气膜孔阵列。

12、本公开的实施例另一方面还提供一种涡轮叶片，包括由基体形成的叶片，上述叶片内设置有容纳冷却气通过的气体流道，上述基体上设置有多个气膜孔，上述气膜孔的进气口与上述气体流道连通，以容纳上述冷却气经上述气膜孔流出，使上述叶片的外表面的至少一部分区域形成气膜。

13、根据本公开提供的配置有扩张型气膜孔的冷却结构及涡轮叶片，通过被构造成扇形的孔结构的出气口，以及由过渡段向出气口延伸的扩张段，可使通过气膜孔的射流在较大的区域进行扩散，即可削弱所形成的肾形涡的强度，又可限制肾形涡的进一步发展，有利于增加气膜的附壁能力，提高对叶片的冷却效果。

技术特征：

1.一种配置有扩张型气膜孔的冷却结构，其特征在于，包括基体(2)，所述基体(2)内设置有多个沿所述基体的厚度方向倾斜延伸的气膜孔(1)；

2.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于，所述出气口(11)被构造成沿所述气膜孔(1)的中线轴对称。

3.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于，在所述基体(2)的厚度方向的正投影中，所述出气口的靠近所述进气口(11)的一侧形成向所述进气口(11)凹陷的第一弧形部，所述出气口的远离所述进气口的一侧形成于所述第一弧形部的凹陷方向相同的第二弧形部，所述第一弧形部及所述第二弧形部之间通过直线部连接。

4.根据权利要求3所述的冷却结构，其特征在于，所述第一弧形部和/或第二弧形部与所述直线部的连接部分被构造成圆角结构。

5.根据权利要求4所述的冷却结构，其特征在于，所述过渡段(12)被构造成圆柱形的孔结构。

6.根据权利要求5所述的冷却结构，其特征在于，在所述基体(2)的厚度方向的正投影中，所述扩张段(13)的长度被构造成所述过渡段(12)的孔径的2.5至5倍。

7.根据权利要求5所述的冷却结构，其特征在于，所述第一弧形部的半径被构造成所述过渡段(12)的孔径的4至6倍。

8.根据权利要求5所述的冷却结构，其特征在于，所述第二弧形部的半径被构造成所述过渡段(12)的孔径的3至5倍。

9.根据权利要求5所述的冷却结构，其特征在于，所述第一弧形部和/或第二弧形部与所述直线部的连接部分被构造成圆角的半径被构造成所述过渡段(12)的孔径的0.1至0.3倍。

10.根据权利要求1至9中任一所述的冷却结构，其特征在于，多个所述气膜孔(1)沿所述气流流向和/或所述气流展向间隔排布，以形成气膜孔阵列。

11.一种具有如权利要求1至10中任一所述的冷却结构的涡轮叶片，其特征在于，包括由基体(2)形成的叶片，所述叶片内设置有容纳冷却气通过的气体流道，所述基体(2)上设置有多个气膜孔(1)，所述气膜孔(1)的进气口(11)与所述气体流道连通，以容纳所述冷却气经所述气膜孔(1)流出，使所述叶片的外表面的至少一部分区域形成气膜。

技术总结
本公开提供一种配置有扩张型气膜孔的冷却结构及涡轮叶片。冷却机构包括基体及形成于基体上的气膜孔。气膜孔的出气口被构造成沿通过气膜孔的射流的气体流向相正交的气体展向向两侧扩张，以形成扇形的孔结构。气膜孔的进气口及出气口之间顺次设置有过渡段及扩张段，扩张段被构造成由过渡段向出气口沿出气口的宽度方向渐缩，沿出气口的长度方向渐宽的扩张结构，以削弱流场中形成于出气口附近的肾形涡的强度，并诱导产生反肾形涡对。涡轮叶片包括由基体形成的叶片，叶片内设置有容纳冷却气通过的气体流道，基体上设置有多个气膜孔与气体流道连通，这样的涡轮叶片兼具冷却结构的优点，具有较好的冷却效果。

技术研发人员：李国庆,张深,李昂,李辉,刘浩,张燕峰,卢新根
受保护的技术使用者：中国科学院工程热物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23