● 摘要
现代航空发动机涡轮前温度的不断升高，已经远远超出了现有材料可以承受的范围，通常采用工质冷却的方法对叶片进行冷却，因此涡轮叶片的冷却结构不断朝着复杂化、复合化的方向发展。而涡轮叶片的振动问题是发动机故障的主要原因之一，复杂的冷却结构加剧了这一问题的严重性。
为改善涡轮冷却叶片在愈发恶劣的工作环境下的抗振特性，本文探讨了常用冷却结构形式的发展现状和结构特点，重点讨论了气膜孔结构的参数特点，并在此基础上建立了多个冷却结构不同的涡轮叶片三维有限元模型；然后通过一维线性插值拟合法建立了叶片的模拟温度场，并利用热-结构耦合方法对所建立的叶片模型进行了静力分析；接着，对涡轮单只叶片的振动特性进行了分析和探讨，主要包括计算叶片主要振动参数的计算，如静频、动频和振型等，并对叶片进行了坎贝尔图避共振分析以及谐波激励稳态响应分析；最后，研究了气膜孔的孔径、角度、数目和位置对涡轮冷却叶片振动特性的影响，包括固有频率、振型和最大振动应力值等方面。
分析表明，在进行涡轮冷却叶片的设计时，适当的增多气膜孔数目和增大孔径可以提高冷却效率，但达到一定界限后会造成叶片抗振性能的降低；对于气膜孔的排布位置，可以在严格考核强度的前提下适当增大气膜孔在高温区域的分布密度；对于气膜孔的角度，则可以只考虑冷却效果，忽略其对结构强度上的影响。本文的结论为涡轮冷却叶片在兼顾冷却效果的同时进行避共振的设计、优化叶片的抗振性能提供了参考依据，也为涡轮冷却叶片振动特性方面的研究奠定了基础。