本發(fā)明涉及渦輪，具體地，涉及一種渦輪葉片前緣多孔曲面晶格冷卻結(jié)構(gòu)及渦輪葉片，尤其是一種渦輪葉片前緣三重周期性極小曲面(tpms)晶格冷卻結(jié)構(gòu)及渦輪葉片，特別是一種提升前緣冷卻性能的渦輪葉片及發(fā)動機。

背景技術(shù)：

1、為了提高航空發(fā)動機燃氣輪機與的熱效率，提高渦輪入口燃氣溫度以及壓氣機壓比是個重要的手段。當前渦輪前燃氣溫度已遠高于渦輪葉片所用的金屬材料工作溫度極限，因此渦輪葉片需要采用冷卻技術(shù)以保持葉片壁面溫度在許可的范圍之內(nèi)。

2、渦輪葉片前緣承受最高的熱負荷，并且連續(xù)承受高溫高壓高速燃氣的直接沖刷，因此對渦輪葉片前緣冷卻和結(jié)構(gòu)強度提出了高要求。目前常規(guī)的渦輪葉片前緣采用沖擊冷卻，前緣壁面上布置有氣膜冷卻孔。渦輪葉片工作時，外部高溫燃氣沖刷和掠過渦輪葉片前緣，前緣壁面熱負荷很高，渦輪葉片前緣依賴內(nèi)部沖擊冷卻，和壁面上密集氣膜孔出流在前緣外壁面形成的氣膜冷卻進行熱防護。改善渦輪葉片前緣的冷卻性能，使葉片前緣壁面溫度保持較低水平，能夠改善渦輪葉片的強度，提高其工作壽命和可靠性。因此，發(fā)展先進高效的渦輪葉片冷卻性能對于燃氣輪機和航空發(fā)動機至關(guān)重要。

3、當前的問題在于，常規(guī)的前緣內(nèi)部沖擊冷卻，冷氣壓損大，前緣壁面冷卻不均勻，并且冷氣射流直接沖擊內(nèi)壁上氣膜孔入口影響了氣膜孔冷氣出流。因此當前的渦輪葉片前緣沖擊-氣膜冷卻性能受到限制，已不能滿足未來渦輪發(fā)動機冷卻需求。需要發(fā)展更加高效的渦輪葉片前緣冷卻技術(shù)，以及新的前緣冷卻結(jié)構(gòu)。前緣駐點是外部主流直接沖擊的葉片前緣部位，這個部位密集布置有氣膜冷卻孔，這些氣膜冷卻孔的入口就分布在葉片前緣駐點區(qū)的內(nèi)壁面上。這也導致渦輪葉片前緣外部氣膜冷卻性能下降，從而在葉片前緣產(chǎn)生高溫燒蝕，縮短渦輪葉片壽命。葉片前緣氣膜冷卻孔內(nèi)流動堵塞，還會導致外部高溫燃氣侵入氣膜孔內(nèi)，造成葉片本體高溫氧化和熱損傷，減少渦輪葉片壽命。

4、渦輪葉片前緣熱負荷最高，需要非常高效的冷卻。當前渦輪葉片前緣主要采用內(nèi)部沖擊冷卻，以及外部密集氣膜孔冷卻?，F(xiàn)有問題在于，渦輪葉片前緣沖擊-氣膜冷卻性能不高：1、沖擊冷卻的高傳熱區(qū)局限在葉片前緣駐點內(nèi)壁狹窄區(qū)域，相鄰的壁面上傳熱很低；而渦輪葉片外壁面高熱負荷動態(tài)變化，并不局限在前緣駐點區(qū)域；2、葉片前緣壁面中存在密集的傾斜氣膜孔，導致前緣外壁面上的溫度梯度很大，熱應力很大，易高溫氧化，影響工作壽命；3、葉片前緣內(nèi)部射流沖擊，在駐點內(nèi)壁上的氣膜孔入口，易形成分離泡或分離渦，或沖擊滯止區(qū)，阻塞了氣膜孔冷氣出流，從而惡化了前緣氣膜冷卻性能。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種渦輪葉片前緣多孔曲面晶格冷卻結(jié)構(gòu)及渦輪葉片。

2、根據(jù)本發(fā)明提供的一種渦輪葉片前緣多孔曲面晶格冷卻結(jié)構(gòu)，包括：葉片主體，所述葉片主體包括吸力側(cè)壁面和壓力側(cè)壁面；

3、所述葉片主體的前緣設(shè)置有隔板，所述吸力側(cè)壁面、所述壓力側(cè)壁面以及所述隔板之間形成前緣內(nèi)腔；

4、所述吸力側(cè)壁面與所述壓力側(cè)壁面的交界處形成前緣駐點區(qū)，所述前緣駐點區(qū)設(shè)置有帶有多個相互連通的螺旋孔的tpms結(jié)構(gòu)；tpms結(jié)構(gòu)即三重周期性極小曲面結(jié)構(gòu)；

5、所述tpms結(jié)構(gòu)的螺旋孔與所述前緣內(nèi)腔相連通，所述前緣內(nèi)腔的內(nèi)壁面上設(shè)置有突脊。

6、優(yōu)選的，所述前緣駐點區(qū)包括葉片前緣駐點區(qū)和內(nèi)腔前緣駐點區(qū)；

7、所述內(nèi)腔前緣駐點區(qū)位于所述前緣內(nèi)腔內(nèi)；

8、所述tpms結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述葉片前緣駐點區(qū)和/或所述內(nèi)腔前緣駐點區(qū)。

9、優(yōu)選的，所述葉片前緣駐點區(qū)的壁面定義為前緣駐點區(qū)壁面；

10、當所述tpms結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述葉片前緣駐點區(qū)時，所述前緣駐點區(qū)壁面部分或整體設(shè)置為tpms結(jié)構(gòu)；所述tpms結(jié)構(gòu)具有內(nèi)部的彎曲壁面，所述彎曲壁面的厚度為0.1mm～2.0mm；所述tpms結(jié)構(gòu)內(nèi)部的彎曲壁面的厚度相同，或者所述tpms結(jié)構(gòu)內(nèi)部的彎曲壁面的厚度沿不同方向變化，從而產(chǎn)生變化的孔隙率。

11、優(yōu)選的，所述前緣駐點區(qū)壁面包括前緣駐點區(qū)外壁面和前緣駐點區(qū)內(nèi)壁面；

12、當所述前緣駐點區(qū)壁面整體設(shè)置為tpms結(jié)構(gòu)時，所述tpms結(jié)構(gòu)在所述前緣駐點區(qū)外壁面上形成有多個彎曲傾斜的氣膜冷卻槽道，所述氣膜冷卻槽道與所述葉片主體的前緣彎曲外形相匹配。

13、優(yōu)選的，所述前緣駐點區(qū)壁面包括前緣駐點區(qū)外壁面和前緣駐點區(qū)內(nèi)壁面；

14、當所述前緣駐點區(qū)壁面部分設(shè)置為tpms結(jié)構(gòu)時，所述前緣駐點區(qū)外壁面設(shè)置有第一前緣氣膜孔，所述第一前緣氣膜孔與所述tpms結(jié)構(gòu)的螺旋孔相連通；所述第一前緣氣膜孔的孔徑為0.1mm～3.0mm。

15、優(yōu)選的，所述葉片前緣駐點區(qū)的壁面定義為前緣駐點區(qū)壁面；

16、當所述tpms結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述內(nèi)腔前緣駐點區(qū)時，所述前緣駐點區(qū)壁面上貫穿設(shè)置有第二前緣氣膜孔，所述第二前緣氣膜孔與所述tpms結(jié)構(gòu)的螺旋孔相連通。

17、優(yōu)選的，所述氣膜冷卻槽道的壁面是三重周期性極小曲面，三重周期性極小曲面即tpms結(jié)構(gòu)的曲面；

18、和/或，所述氣膜冷卻槽的上下兩端分別有一個氣膜孔出口，成對的氣膜孔出口分別從氣膜冷卻槽的槽道的兩端相向出流；所述氣膜冷卻槽的上端氣膜孔出口螺旋朝下，所述氣膜冷卻槽的下端氣膜孔出口螺旋朝上；

19、和/或，所述氣膜冷卻槽的槽道按預設(shè)傾角交替的朝向所述葉片主體的壓力側(cè)和吸力側(cè)。

20、優(yōu)選的，所述前緣駐點區(qū)下游的所述吸力側(cè)壁面和所述壓力側(cè)壁面上設(shè)置有氣膜孔；

21、所述吸力側(cè)壁面上的氣膜孔個數(shù)大于所述壓力側(cè)壁面上的氣膜孔個數(shù)；

22、和/或，所述tpms結(jié)構(gòu)的中間孔隙率大于所述tpms結(jié)構(gòu)的兩側(cè)孔隙率。

23、優(yōu)選的，所述吸力側(cè)壁面包括吸力側(cè)內(nèi)壁面與吸力側(cè)外壁面；所述壓力側(cè)壁面包括壓力側(cè)內(nèi)壁面與壓力側(cè)外壁面；

24、所述吸力側(cè)內(nèi)壁面和所述壓力側(cè)內(nèi)壁面為所述前緣內(nèi)腔的內(nèi)壁面。

25、優(yōu)選的，所述突脊包括第一突脊和第二突脊；所述第一突脊設(shè)置在所述吸力側(cè)內(nèi)壁面上，所述第二突脊設(shè)置在所述壓力側(cè)內(nèi)壁面上；所述第一突脊和所述第二突脊鄰近所述前緣駐點區(qū)設(shè)置；

26、所述隔板上設(shè)置有多個第一內(nèi)部冷氣射流孔和多個第二內(nèi)部冷氣射流孔，所述第一內(nèi)部冷氣射流孔和所述第二內(nèi)部冷氣射流孔與所述前緣內(nèi)腔相連通，所述第一內(nèi)部冷氣射流孔和所述第二內(nèi)部冷氣射流孔交錯地位于所述第一突脊的一側(cè)和所述第二突脊的一側(cè)。

27、優(yōu)選的，所述tpms結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述內(nèi)腔前緣駐點區(qū)；

28、所述隔板上設(shè)置有多個冷氣射流孔，所述冷氣射流孔與所述前緣內(nèi)腔相連通，所述冷氣射流孔靠近所述壓力側(cè)壁面設(shè)置；

29、所述吸力側(cè)壁面上設(shè)置有氣膜排氣孔，所述氣膜排氣孔與所述前緣內(nèi)腔相連通，所述突脊設(shè)置在所述吸力側(cè)內(nèi)壁面上。

30、本發(fā)明還提供一種渦輪葉片，包括上述的渦輪葉片前緣多孔曲面晶格冷卻結(jié)構(gòu)。所述葉片前緣多孔曲面晶格冷卻結(jié)構(gòu)可通過增材制造加工，也可以通過熔模鑄造工藝加工。

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

32、1、本發(fā)明采用tpms結(jié)構(gòu)和突脊結(jié)合的方式提高冷卻性能，冷氣射流與壁面突脊相互作用后，在靠近前緣駐點區(qū)內(nèi)壁面的前緣腔體的內(nèi)部區(qū)域形成低速回流渦，該低速流動使得冷氣可以更好地進入tpms結(jié)構(gòu)的多孔螺旋微流道中，tpms結(jié)構(gòu)具有超大比表面積，提供了極高的前緣駐點內(nèi)部冷卻性能。

33、2、本發(fā)明通過在前緣駐點區(qū)壁面上設(shè)置tpms結(jié)構(gòu)，極大的提高了內(nèi)部冷卻性能，因此葉片主體的前緣外壁面上可以少開氣膜孔，進而可以減少前緣壁面的熱應力，減少外部高溫高速燃氣入侵氣膜孔內(nèi)部，可以提高葉片前緣壁面的結(jié)構(gòu)完整性，強度和冷卻性能，提高渦輪葉片壽命。

34、3、本發(fā)明通過設(shè)置tpms結(jié)構(gòu)，在前緣駐點區(qū)外壁面上形成多個彎曲的深度較淺的氣膜冷卻槽道，與葉片主體的前緣彎曲外形相匹配，彎曲槽道的壁面是三周期極小曲面，具有低應力特征，并且，彎曲槽道的兩端分別有氣膜孔出口，彎曲槽道的上端氣膜孔口螺旋且朝下，而彎曲槽道的下端氣膜孔口螺旋且朝上進而降低了冷氣出口動量，上、下相對的氣膜射流匯聚在淺氣膜冷卻槽道中，并在外部主流作用下能夠為葉片前緣外壁面提供大面積的連續(xù)冷氣覆蓋和高氣膜冷卻性能。

35、4、本發(fā)明的葉片前緣外壁面上具有多個彎曲傾斜的淺槽道，成對的氣膜孔出口分別從槽道的兩端相向出流，為葉片前緣外壁面提供氣膜冷卻。