【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于涡轮叶片设计，特别涉及一种在气膜孔边采用半球形凸起结构的涡轮叶片。
技术介绍
1、对于涡轮式航空发动机和燃气轮机，由于其中燃气温度远超过涡轮叶片所用的金属材料耐温极限，故必须要对叶片采用热防护或冷却措施。典型的措施包括气膜冷却，它是在叶片表面开设小孔，并将叶片内部的冷却气从孔中引出，利用气流在表面的贴体流动，隔绝燃气对叶片的加热，起到较强的冷却效果。
2、典型的采用气膜冷却的涡轮叶片结构如图1所示，在涡轮叶片1的表面开设有气膜孔2，冷却气从内腔冷气通道5中进入叶片，再从气膜孔2排出，然后在燃气的裹挟下朝下游流动，并将燃气隔开，起到热防护作用。为保证冷气分配，在叶片内部通常设有隔墙4，将叶片内腔冷气通道5分割成多个腔室。为保证冷却效果，气膜孔通常有多列，并位于叶片表面各处。对于较薄的叶片尾缘区域，难以开设气膜孔，故常用劈缝3的冷却形式。
3、尽管气膜孔结构能够有效的实现叶片冷却，但是也带来了其它问题——对强度的破坏，当叶片表面开设有气膜孔后，在相同的载荷下，孔附近的应力会大幅度增高，特别是在倾斜孔边缘形成的尖劈结构，由于应力集中角∠α数值较小，一般为20～40°，导致形成应力集中点，对基础应力的放大倍数可达到8倍以上。当叶片自身承受的基础载荷较高时，这些应力集中点便会首先超过材料承受的极限，成为初始破坏区域，并且裂纹又会形成新的应力集中并进一步扩展，从而导致整体结构失效的发生，酿成严重事故。为了既保证气膜的冷却效果，又减小应力集中对叶片强度破坏的问题，本专利专利技术了一种在外内孔口边缘设有半球
技术实现思路
1、针对在叶片表面开设气膜孔后产生的应力集中问题，本专利专利技术了一种在气膜孔边主要应力集中区域开设有半球形凸起结构的新型涡轮叶片。
2、本专利技术的技术方案如下：
3、一种在气膜孔边采用半球形凸起结构的涡轮叶片，其典型方案如图2所示。对于气膜孔设计为孔边半球形凸起的气膜孔，在孔边半球形凸起的气膜孔的孔边应力集中区，分别在冷气出口侧(即叶片外表面)和入口侧(即叶片内腔表面)设置有气膜孔出口半球形凸起和气膜孔入口半球形凸起。所述凸起为通过一个圆球的顶部与叶片相加而形成，并且穿过该凸起的采用孔边半球形凸起的气膜孔的轴线，可以不通过该圆心。出口半球形凸起和气膜孔入口半球形凸起与气膜孔相贯穿后，形成了气膜孔与孔边凸起形成的应力集中角∠β，该角度相对于无凸起时的应力集中角∠α大幅度增加，可达到70-95°，从而实现了对应力集中程度的大幅度削弱。
4、以叶片前缘一个气膜孔为例，通过图3解剖图进一步显示本专利技术的结构，该孔边半球形凸起的气膜孔具有气膜孔直径φd和气膜孔轴线与壁面间夹角∠θ，在叶片表面曲率不大的情况下，该数值与无凸起时的应力集中角∠α近似相等。在气膜孔进出气两端的半球型凸起结构，其直径均为气膜孔边半球型凸起结构直径sφd，数值可为1.5～2.5d；该半球型结构突出壁面的高度为气膜孔边半球型凸起高度h，数值可为0.2～0.8d；该半球型结构位于气膜孔产生应力集中的一侧，其边缘与气膜孔边缘之间的距离为半球型凸起与气膜孔边距离l，该数值可为0.8d～1.8d，并以1.2d为宜。叶片壁厚h一般为0.8～3mm。对于叶片其他位置上的气膜孔，在半球形凸起的设计上可都与上述同理，并且具体数值可以不同
5、本专利技术的有益效果：
6、本专利技术在涡轮叶片气膜孔进出气口边缘的应力集中点部位增加半球形凸起，可以使应力集中角从约30°提高到约90°，从而大幅度抑制气膜孔在叶片载荷下产生的应力集中程度，起到降低最大应力，抑制疲劳和提高安全性的作用。
7、采用有限元仿真计算分析，获得常规直圆型和在孔边设有半球型凸起的两类气膜孔在相同载荷下的应力分布，结果如图4所示。可见在图4a中，孔边尖劈边缘因为应力集中角较小而产生高应力区，计算得到应力集中系数约为10，即局部应力是构件平均应力的10倍。而如图4b所示，半球形凸起使得应力集中部位的结构材料变厚，应力集中角变大，从而使应力大幅度减小，经计算应力集中系数为4.6，相对于无半球形凸起结构可以减少50％以上，改善效果明显。
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1.一种在气膜孔边采用半球形凸起结构的涡轮叶片，其特征在于，对于气膜孔设计为孔边半球形凸起的气膜孔(7)，在孔边半球形凸起的气膜孔(7)的孔边应力集中区，分别在冷气出口侧和入口侧设置有气膜孔出口半球形凸起(8)和气膜孔入口半球形凸起(9)，所述凸起为通过一个圆球的顶部与叶片相加而形成，并且穿过该凸起的孔边半球形凸起的气膜孔的轴线(10)；出口半球形凸起(8)和气膜孔入口半球形凸起(9)与气膜孔相贯穿后，形成了气膜孔与孔边凸起形成的应力集中角∠β(11)；
2.如权利要求1所述的一种在气膜孔边采用半球形凸起结构的涡轮叶片，其特征在于，所述涡轮叶片的叶片壁厚H(16)为0.8～3mm。
3.如权利要求1或2所述的一种在气膜孔边采用半球形凸起结构的涡轮叶片，其特征在于，所述的半球型凸起与气膜孔边距离L(16)采用1.2D。
【技术特征摘要】
1.一种在气膜孔边采用半球形凸起结构的涡轮叶片，其特征在于，对于气膜孔设计为孔边半球形凸起的气膜孔(7)，在孔边半球形凸起的气膜孔(7)的孔边应力集中区，分别在冷气出口侧和入口侧设置有气膜孔出口半球形凸起(8)和气膜孔入口半球形凸起(9)，所述凸起为通过一个圆球的顶部与叶片相加而形成，并且穿过该凸起的孔边半球形凸起的气膜孔的轴线(10)；出口半球形凸起(8)和气膜孔入口半球...
【专利技术属性】
技术研发人员：吕东，刘英实，陈云，李懋源，孙一楠，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
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