一种适用于发动机涡轮动叶的局部点阵气膜冷却布局结构

本发明属于航空发动机涡轮叶片冷却，涉及涡轮叶片的热管理和冷却技术，具体涉及一种新型的适用于发动机涡轮动叶的局部点阵气膜冷却布局结构，通过在叶片表面温度较高区域局部集中布置气膜孔，解决通道二次流、旋转诱导的气膜出流分布不均和局部烧蚀问题，实现对涡轮动叶的有效热防护。

背景技术：

1、在航空发动机技术领域，高推重比涡扇发动机的性能提升是实现更高飞行速度、更低燃油消耗和更远航程的关键。涡轮是发动机中最为关键的部件之一，其叶片承受着极高的温度和压力，这对材料和冷却技术提出了极高的要求。近年来，随着航空发动机技术的快速发展，先进的高推重比涡扇发动机涡轮进口温度已经达到2200k，而目前二代单晶材料的耐温在1350k左右，远远不能满足涡轮叶片在如此高温环境下的使用需求。因此，如何有效保护涡轮叶片免受高温损害，成为航空发动机设计和制造中亟待解决的技术难题。

2、气膜冷却技术是一种广泛应用于涡轮叶片热防护的高效技术。利用气膜冷却技术对涡轮叶片进行热防护，能够保护叶片在高温下正常工作，避免叶片因为高温发生蠕变或损伤。气膜冷却通过叶片壁面上设置的气膜孔喷出冷却气来阻隔高温主燃气流对壁面的直接加热，主要有两个作用：一是通过冷却气带走叶片表面的一部分热量；二是通过冷却气将叶片壁面与高温燃气隔绝开来，以保护壁面。气膜冷却技术的关键是如何设计气膜孔的位置、数量、形状、大小、方向等参数，以实现最佳的冷却效果和最小的冷却气消耗。

3、然而，在实际应用中，现有的涡轮叶片气膜冷却技术尚存在诸多不足。目前，涡轮叶片气膜冷却普遍采用均匀的气膜孔布置方式，体现在：叶片前缘多排密集的气膜孔实现喷淋冷却，压力面常规布置3～6排均匀气膜孔，吸力面常规布置2～4排气膜孔，整体实现对叶片的全面热防护。这种均匀布置气膜孔的冷却方式对于静止的涡轮导叶来说，可以满足热防护需求。但是，对于处于高速旋转状态下的涡轮动叶，由于其复杂的流动环境，常常导致局部冷却未覆盖而造成局部烧蚀，严重影响叶片的工作寿命和发动机的可靠性。

4、与涡轮导叶相比，涡轮动叶在高速旋转工况下面临的热负荷和结构应力远超过静止的涡轮导叶，其与涡轮导叶最典型的区别体现在两方面：一是涡轮动叶由静止状态变为高速旋转，二是因叶尖间隙的存在产生泄漏流。高速旋转状态下，叶片会受到哥氏力和离心力等旋转附加力的影响，哥氏力会改变流体流动的方向和速度分布，而离心力则导致流体从叶根向叶尖的径向迁移，气膜出流的角度也会因哥氏力和离心力的作用而会有所变化，进而影响气膜冷却效果的均匀性和有效性。同时，通道二次流的结构更加复杂，叶根靠近端区位置受到强烈的通道涡影响，叶尖则又有泄漏流作用，整体的流动结构比导叶复杂得多。在旋转附加力和通道二次流共同作用下，叶片表面气膜出流会偏离原来的流线方向。不同区域，附加力和通道二次流的强度不同，现有涡轮动叶上均一的气膜冷却布局极易造成局部区域未实现气膜覆盖，温度超出材料的耐温极限，造成局部烧蚀从而影响涡轮的工作寿命。

5、综上所述，如何设计一种能够适应涡轮动叶特有工作环境的气膜冷却布置方式，以解决涡轮动叶旋转诱导气膜出流分布不均导致叶片局部冷却不足而产生局部烧蚀等问题，是亟待解决的技术问题。这不仅需要深入理解涡轮叶片在高速旋转和复杂流动条件下的热力学和流体力学行为，还需要在气膜冷却孔的设计、布置及其与叶片表面流动相互作用等方面进行创新。

技术实现思路

1、(一)发明目的

2、针对现有技术在发动机涡轮叶片的气膜冷却方面存在的局部烧蚀和冷却不均匀等问题，尤其是涡轮动叶在高速旋转工况下由于旋转附加力和通道二次流作用诱导气膜出流分布不均导致叶片局部烧蚀的问题，本发明目的在于提出一种适用于发动机涡轮动叶的局部点阵气膜冷却布局结构，该布局通过在涡轮动叶表面温度较高区域，即冷却未覆盖或未良好覆盖的区域，局部集中布置点阵排列的气膜孔，达到有针对性的强化冷却效果的目的，实现对涡轮动叶的有效热防护本发明提供的涡轮动叶局部点阵气膜冷却布局结构，具有功能性强、冷效强化和用途明确等优点，能够适应涡轮动叶的复杂流动环境，提高气膜的覆盖率和稳定性，降低冷却气的消耗，延长叶片的寿命，进而增强整个发动机的性能和可靠性。

3、(二)技术方案

4、为实现该发明目的，解决其技术问题，本发明采用如下技术方案：

5、一种适用于发动机涡轮动叶的局部点阵气膜冷却布局结构，用于解决涡轮动叶旋转诱导的气膜出流分布不均和叶片局部烧蚀问题，包括整体呈中空结构的涡轮动叶，所述涡轮动叶至少包括压力面和吸力面，所述压力面和吸力面在叶片弦向上划分为一靠近叶片前缘的前缘区和一远离叶片前缘的非前缘区，并在叶片展向上划分为一靠近叶片根部的叶根区、一靠近叶片尖端的叶尖区以及一位于所述叶根区与叶尖区之间的叶中区，其特征在于：

6、所述压力面和吸力面的前缘区上均设有一常规气膜冷却区段，所述常规气膜冷却区段包括若干沿弦向排列的常规气膜孔排，每一所述常规气膜孔排中均包括若干在叶片展向上从叶根排列至叶尖并整体呈均匀布置的气膜孔，各所述气膜孔均与涡轮动叶的充注有冷却气的中空腔体连通，且相邻各所述常规气膜孔排之间在排列方式上呈顺排或叉排，所述常规气膜冷却区段通过在涡轮动叶的前缘区形成均匀的气膜覆盖，为涡轮动叶提供基础热防护，降低叶片表面整体温度，保障涡轮动叶在高温环境下的结构完整性和材料性能；

7、所述压力面和吸力面的非前缘区上设有至少一局部点阵气膜冷却区段，所述局部点阵气膜冷却区段在叶片展向上布置在涡轮动叶的高热负荷区域，所述局部点阵气膜冷却区段设有若干沿弦向排列的局部气膜孔排，所述局部气膜孔排的数量不多于所述常规气膜孔排的数量，且每一所述局部气膜孔排中均包括若干在叶片展向上覆盖其所在叶片区段并整体呈均匀布置的气膜孔，各气膜孔均与所述涡轮动叶的充注有冷却气的中空腔体连通，并且相邻各所述局部气膜孔排之间在排列方式上呈顺排或叉排，

8、其中，各所述高热负荷区域根据涡轮动叶在未设置局部点阵气膜冷却区段而仅设有常规气膜冷却区段时，其在旋转运行时叶片表面的实际热负荷分布和气膜覆盖率分布确定，将叶片表面温度高于预设阈值或者气膜覆盖率低于预设阈值的区域划定为高热负荷区域，所述局部点阵气膜冷却区段用于在涡轮动叶的非前缘区形成局部的气膜覆盖，为各所述高热负荷区域提供针对性的强化冷却，弥补常规气膜冷却区段在该区域的冷却不足，提高涡轮动叶在非前缘区的高热负荷区域的热防护效果，以降低或避免因温度过高而导致的材料退化或结构损伤。

9、优选地，所述局部点阵气膜冷却区段在叶片展向上布置在所述叶尖区的受叶尖泄漏流影响气膜覆盖而形成的高热负荷区域，所述局部点阵气膜冷却区段在所述叶尖区的高热负荷区域中设置的气膜孔的数量、位置和方向根据所述叶尖泄漏流的流动特性进行优化设计，以实现最佳的气膜覆盖效果和最小的冷却气消耗，从而降低所述叶尖区的高热负荷区域的叶片表面温度，提高叶尖区的热防护效果，避免因叶尖泄漏流的冲击而导致的叶片局部烧蚀。

10、优选地，所述局部点阵气膜冷却区段在叶片展向上布置在所述叶根区的受旋转附加力和通道二次流共同影响气膜覆盖而形成的高热负荷区域，所述局部点阵气膜冷却区段在所述叶根区的高热负荷区域中设置的气膜孔的数量、位置和方向根据所述旋转附加力和通道二次流的流动特性进行优化设计，以实现最佳的气膜覆盖效果和最小的冷却气消耗，从而有效降低所述叶根区的高热负荷区域的叶片表面温度，提高所述叶根区的热防护效果，避免因旋转附加力和通道二次流的作用而导致的叶片局部烧蚀。

11、优选地，所述局部点阵气膜冷却区段在叶片展向上布置在所述叶中区的兼受叶尖泄漏流及旋转附加力和通道二次流影响气膜覆盖而形成的高热负荷区域，所述局部点阵气膜冷却区段在所述叶中区的高热负荷区域中设置的气膜孔的数量、位置和方向根据所述叶尖泄漏流及旋转附加力和通道二次流的综合流动特性进行优化设计，以实现最佳的气膜覆盖效果和最小的冷却气消耗，从而有效降低所述叶中区的高热负荷区域的叶片表面温度，提高所述叶中区的热防护效果，避免因多种流动因素的叠加而导致的叶片局部烧蚀。

12、优选地，所述涡轮动叶的中空腔体内部设有沿叶片展向延伸的隔板，所述隔板将所述中空腔体至少分隔为常规冷却气通道和局部冷却气通道，所述常规气膜冷却区段和局部点阵气膜冷却区段中的各气膜孔与对应的所述常规冷却气通道和局部冷却气通道连通，且所述常规冷却气通道和局部冷却气通道的数量、弦向位置和形状根据所述涡轮动叶的旋转工况和流动环境进行优化设计，以实现最佳的冷却气分配和最小的气动损失。

13、优选地，所述常规气膜冷却区段在压力面前缘区上设置的气膜孔排的数量为3～6排、在吸力面前缘区上设置的气膜孔排的数量为2～4排。这一设计考虑到压力面通常面临更高的气流速度和热负荷，因此需要更密集的冷却气膜孔以形成稳定的冷却气膜层，有效隔离高温气流对叶片材料的直接热损害。相对地，在吸力面前缘区，由于热负荷相对较低，设置了较少数量的气膜孔排，这样的配置足以保护吸力面免受过度的热损害，同时优化了冷却效率和冷却气体的使用效率。

14、优选地，所述常规气膜冷却区段及局部点阵气膜冷却区段中，各气膜孔的形状为圆柱孔或异形孔，各气膜孔的直径d在0.8～4mm之间，各气膜孔以朝向主燃气流下游的方式倾斜布置在涡轮动叶壁面上，各气膜孔的进口端与涡轮动叶的充注有冷却气的中空腔体连通、出口端与主燃气流通道相通，且各气膜孔的中心线在弦向上与涡轮动叶壁面之间的夹角θ在45°～75°之间，并且各气膜孔的形状、尺寸和方向根据涡轮动叶的旋转工况和流动环境进行优化设计，以实现最佳的冷却效果和最小的冷却气消耗。

15、优选地，所述常规气膜冷却区段的展向覆盖长度与涡轮动叶的叶高相当，以确保从叶根到叶尖的整个前缘区都能得到基础的热防护，所述局部点阵气膜冷却区段的展向覆盖长度为所述常规气膜冷却区段的1/5～1/3，所述局部点阵气膜冷却区段的弦向覆盖宽度为所述常规气膜冷却区段的1/3～1/2，并且所述常规气膜冷却区段及局部点阵气膜冷却区段的各气膜孔排中，相邻气膜孔间距p在3d～5d之间，相邻孔排间距q在4d～6d之间，其中d为气膜孔的直径。所述常规气膜冷却区段和局部点阵气膜冷却区段的上述布置方式，旨在实现涡轮动叶表面的均匀冷却和气膜的稳定覆盖，以提高涡轮动叶的冷却效果和热防护效果，同时降低冷却气的消耗量和压力损失。

16、优选地，所述涡轮动叶的叶片本体的表面涂覆由热障涂层、陶瓷涂层或金属涂层形成的热防护涂层，所述热防护涂层具有高的反射率、低的导热率和良好的附着性，以降低涡轮动叶的表面温度和热应力，提高涡轮动叶的热防护效果和耐久性。

17、(三)技术效果

18、同现有技术相比，本发明的适用于发动机涡轮动叶的局部点阵气膜冷却布局结构，具有以下有益且显著的技术效果：

19、(1)结构独特：本发明的适用于发动机涡轮动叶的局部点阵气膜冷却布局结构，通过在涡轮动叶表面温度较高区域，即冷却未覆盖或未良好覆盖的区域，局部集中布置点阵排列的气膜孔，有效实现了有针对性的强化冷却效果。这种设计使得冷却气体能够直接针对高热负荷区域，从而大幅提升了冷却效率和气膜的覆盖率，确保了叶片在高温环境下的热防护性能，降低了由于局部过热导致的叶片烧蚀风险。与常规的从叶根到叶尖的布置方式不同，局部点阵气膜冷却布局体现了局部和点阵两个特征，结构特点突出。局部指的是在叶片表面温度较高的区域，即冷却未覆盖或未良好覆盖的区域，采用局部点阵气膜冷却布局，而不是在整个叶片表面均匀布置气膜孔，这样可以避免冷却气的浪费，提高冷却效率。点阵指的是在局部区域内，气膜孔以点阵状的方式排列，而不是以线阵或面阵的方式排列，这样可以增加气膜孔的密度，提高气膜的覆盖率和稳定性，强化冷却效果，抵抗外界流动的干扰。本发明的局部点阵气膜冷却布局的设计充分考虑了涡轮动叶在高速旋转状态下的气动热力学特性，通过局部化的冷却点阵对冷却气体的分配和利用进行了优化，从而在提高冷却效率的同时，增强了冷却系统的整体性能。

20、(2)布置灵活：本发明的局部点阵气膜冷却布局可以根据需要，增设在叶片表面从叶根到叶尖任意位置，能够根据实际运行条件和叶片的热负荷分布动态调整点阵的布局和参数。本发明根据涡轮动叶在旋转运行时的实际热负荷分布和气膜覆盖率分布，将叶片表面温度高于预设阈值或者气膜覆盖率低于预设阈值的区域划定为高热负荷区域，针对这些区域，采用局部点阵气膜冷却布局。这些高热负荷区域可能位于叶片的前缘区、后缘区、压力面、吸力面、叶根区、叶尖区、叶中区等不同位置，本发明可以根据不同位置的流动特性和热负荷特性，灵活地调整局部点阵气膜冷却布局的数量、位置和形状，以适应不同的工作条件和性能要求。

21、(3)用途明确：该结构专门用于涡轮动叶由于旋转而导致的气膜覆盖薄弱区域，实现有针对性的高效冷却。涡轮动叶在高速旋转工况下，由于旋转附加力和通道二次流的作用，会诱导气膜出流分布不均，导致叶片表面的局部区域出现气膜覆盖不足或不稳定的现象，从而造成叶片局部烧蚀的问题。本发明通过在这些区域采用局部点阵气膜冷却布局，可以有效地改善气膜的覆盖情况，为叶片提供针对性的强化冷却，提高叶片的热防护效果，避免因温度过高而导致的材料退化或结构损伤。

22、(4)冷效强化明显：该布局在叶片表面局部集中实施，冷却效果改善良好。本发明的局部点阵气膜冷却布局，通过在叶片表面温度较高的区域，即高热负荷区域，局部集中布置点阵排列的气膜孔，可以实现有针对性的强化冷却效果。相比于常规的气膜冷却布局，本发明的局部点阵气膜冷却布局，可以增加气膜孔的密度，提高气膜的覆盖率和稳定性，强化冷却效果，抵抗外界流动的干扰。同时，本发明的局部点阵气膜冷却布局，也可以减少冷却气的消耗，提高冷却效率，降低气动损失，增强整个发动机的性能和可靠性。