燃氣渦輪冷卻葉片的製作方法
2023-06-13 19:57:46
專利名稱：燃氣渦輪冷卻葉片的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃氣渦輪發動機，尤其涉及燃氣渦輪的葉片冷卻技術領域。
背景技術：
隨著航空發動機技術的飛躍發展，航空發動機壓氣機增壓比以及渦輪前進口溫度均大幅提高，這必然導致渦輪葉片所受到的熱負荷增加，而使其承受非常嚴重的熱應力。為解決這個問題，除了不斷發展新材料和新工藝以外，決定性的因素之一是對渦輪葉片採用先進的高效強化冷卻技術。渦輪葉片的冷卻技術主要從兩個方面進行一是強化渦輪葉片內部冷卻空氣的擾動，增加渦輪葉片內部的換熱面積；二是在葉片表面採用氣膜冷卻，以有效阻隔高溫燃氣對渦輪葉片的對流換熱。以往，為了在內部強化換熱，大部分渦輪葉片採用在渦輪葉片內部加裝粗糙肋片或者加裝柱型擾流柱的結構。但這種結構存在如下不足之處(1)冷卻空氣流經這種結構時流阻損失較大，使得在相同的進口壓力下冷卻空氣不足 以滿足對渦輪葉片冷卻的需求；(2)換熱效果不佳，由於較大的流阻損失使得冷卻空氣較少，從而限制了換熱效果。國內外對渦輪葉片內部強化換熱技術進行了大量的研究，其技術核心以及所採取的措施均圍繞著增大葉片內部的換熱面積，強化葉片內部的冷卻空氣的擾動開展的。例如有人提出了在葉片內部採用三角形肋片和V形間斷肋片的結構。也有人提出了在渦輪葉片內部採用圓柱形擾流柱以增強換熱的結構形式。還有人提出了採用橢圓形擾流柱強化葉片內部換熱的結構形式。以上這些葉片內部的結構形式均強化了冷卻空氣在葉片內部的擾動，傳統的直肋片相比，換熱均有所增強，但同時也反映出這些結構有著較大的流動阻力損失。
發明內容
為此，本發明旨在通過在渦輪葉片內部加裝經過改型的擾流柱，該擾流柱在柱身上開孔增加了冷卻流體的流通面積減少了流動阻力，並通過將擾流柱身的孔設置為傾斜孔來產生射流，強化葉片內部的換熱，使葉片保持在較低的溫度水平，提高葉片的使用壽命。在此，公開了一種燃氣渦輪冷卻葉片，包括葉片主體、冷卻腔和多個擾流柱，其中，冷卻腔由葉片主體的壁部形成用以供冷卻流體從其中流過，擾流柱固定在冷卻腔內，其特徵在於擾流柱具有供冷卻流體流經的孔。其中，上述孔可以設置為其中心線與未進入孔前的冷卻流體的流動方向所在的直線相平行的平行通道，這種平行通道的孔徑在中心線的前後方向上可以是不變的，也可以是變化的諸如形成先大後小的收縮型通道或先小後大的擴張型通道，無論怎樣設計這種平行通道，均可以使得流動空間增大，流體的流速降低，流阻損失減小。再者，在擾流柱上加工平行通道也使得總的換熱面積增大從而增強了換熱，更進一步地，經過擾流柱上的平行通道的冷卻流體也會與其他的相鄰擾流柱的柱面形成射流，從而能加強換熱。優選地，上述孔還可以設置為其中心線與未進入孔前的冷卻流體的流動方向所在的直線呈一定角度的傾斜通道。傾斜通道的傾斜角度的大小應根據擾流柱沿流動方向的間距、擾流柱的高度以及冷卻流體的流速而定。當冷卻流體流經安置有該種結構擾流柱的空間時，一部分冷卻流體流經擾流柱上的傾斜通道，這部分冷卻流體由傾斜通道流出在葉片主體的壁面形成衝擊射流，從而加強了冷卻流體和壁面之間的換熱。同時，由於流動空間的增大，使得冷卻流體流經擾流柱時的流速有所降低，壓力損失減少。較優地，傾斜角度的範圍在30° -60°之間。更優地，傾斜角度大體上為45°。如此設置時，換熱強化作用最好，而流阻損失卻並非最大。較優地，葉片主體的壁部具有壓力側壁部和吸力側壁部，孔包括第一通孔和第二通孔，第一通孔用於冷卻流體流經其後與壓力側壁部的表面形成射流，第二通孔用於冷卻流體流經其後與吸力側壁部的表面形成射流。這樣設置後，冷卻流體可以在通過第一通孔和第二通孔後分別在壓力側壁面和吸力側壁面形成衝擊射流。因此，加強了冷卻流體與葉片的壓力側壁部和吸力側壁部的表面之間的換熱。同時，由於流動空間的增大，使得冷卻流·體流經擾流柱時的流速有所降低，壓力損失減少。可選擇地，擾流柱可以為順排或叉排布置，優選地，擾流柱為叉排布置。這樣，當冷卻氣體流經冷卻腔時，冷卻氣體就會繞擾流柱前進而形成湍流從而強化冷卻空氣的擾動並增加葉片內部的換熱面積。上述擾流柱上的平行通道或傾斜通道可以根據實際需要沿流體的流動方向在擾流柱上設置為多個。總之，在渦輪葉片內部採用其上開設有平行通道或傾斜通道的擾流柱，一方面強化了換熱，另一方面降低了流動損失。這樣，有效地降低渦輪葉片的溫度水平和溫度梯度，使潤輪葉片使用壽命大幅提聞。
為了解釋本發明，將在下文中參考附圖描述其示例性實施方式，附圖中圖I是擾流柱的布置方式的示意圖；圖2是沿圖I中的線A-A的剖視圖；圖3是具有圖I中的擾流柱的布置方式的渦輪葉片的內部結構示意圖；圖4為沿圖3中的線B-B的剖視圖；圖5為一種具有兩個傾斜孔的擾流柱的剖視圖；不同圖中的相似特徵由相似的附圖標記指示。
具體實施例方式圖3示出了具有圖I中的擾流柱的布置方式的渦輪葉片的內部結構示意圖，圖4示出了沿圖3中的線B-B的剖視圖。由圖3和圖4可以看出，葉片10內部由分割板4將葉片10分為左右兩部分，即左冷卻腔和右冷卻腔。擾流柱I以圖I的布置方式布置在左右兩冷卻腔中。即，叉排布置方式。具體地，如圖2所示，該擾流柱I還具有中心孔2，該中心孔為斜孔，且該斜孔2的中心線和葉片內壁呈角度a。更具體地，如圖4所示，擾流柱I的上端與吸力側的葉片內壁相固定，擾流柱I的下端與壓力側的葉片內壁相連接，數個擾流柱I從葉片的前緣到尾緣分別排布在左右冷卻腔中。本領域的技術人員應當可以理解，擾流柱的叉排布置方式只是一種較優的方式，在此，也可以將擾流柱以順排布置方式布置。如圖5所示，本領域的技術人員應當可以理解，對應於葉片10的壓力側的葉片內壁和吸力側的葉片內壁，擾流柱I可以具有第一斜孔21和第二斜孔22，第一斜孔21的傾斜角度為α，用於冷卻流體流經其後與壓力側壁部的表面形成射流，第二通孔22的傾斜角度為Θ，用於所述冷卻流體流經其後與吸力側壁部的表面形成射流。另外，本領域的技術人員也應當可以理解，在一種方案中，上述斜孔也可以被平行孔來替代，即孔的中心線與未進入孔前的冷卻流體的流動方向所在的直線相平行，這時，平行通道的設置使得流動空間增大，流體的流速降低，流阻損失減小。再者，在擾流柱上加工平行通道使得總的換熱面積增大從而增強了換熱，而且，流經平行通道的流體會與其他的相鄰擾流柱的柱面形成射流從而也加強了換熱。也應當可以理解在每個擾流柱上可以根據實際需要來設置一定數目的斜孔，換言之，斜孔數目不受限制。再者，各個擾流柱上的斜孔數目可以是不相同的。擾流柱I的排數根據葉片10大小而定，即葉片10愈大，擾流柱I的排數愈多，反 之，則排數愈少。擾流柱I的斜孔2的傾斜角度α對換熱和流動損失有較大的影響，隨著傾斜角度a的減小，流體的流動損失亦逐漸減小，同時，換熱面積的增大還使得流體在圓孔內的換熱量提高。另外，斜孔2的傾斜角度a的減小使得斜孔2的中心線與壁面的交點更靠近下一排擾流柱，換言之，衝擊射流的駐點區域向下一排擾流柱移動了。本領域的技術人員應當能夠理解若衝擊駐點區域距離下一排擾流柱過小，則不能充分獲得衝擊射流對換熱的強化作用，因此，斜孔2的傾斜角度a要根據擾流柱I的流向間距而定。優選地，該傾斜角度α為30° -60°之間，更優地，當傾斜角度α為45°時，換熱強化作用最好，而此時的流阻損失卻不是最大。因此從優化的角度上講，斜孔2的傾斜角度大體上為45°時為較優的方案。葉片10工作時，冷卻流體即冷卻空氣從葉片10第一端的進氣孔7進入到左冷卻腔和右冷卻腔，由於左冷卻腔和右冷卻腔內分別叉排有很多擾流柱1，故一部分冷卻氣體流經擾流柱I後形成湍流，一部分冷卻氣體流經擾流柱I上的斜孔2後對葉片壁面形成射流，左冷卻腔的冷卻氣體換熱後最終從葉片10第二端的排氣孔8流出，右冷卻腔的冷卻氣體換熱後大部分從葉片尾緣的排氣縫9排出，一小部分從葉片的第二端的排氣孔8流出。這樣，相比於常規的具有擾流柱的葉片，一方面，作用在葉片壁面的射流會使得壁面的換熱強化作用增強，另一方面，擾流柱上的斜孔使得左右冷卻腔內的流動空間增大從而使得流經擾流柱的冷卻氣體的流速有所降低，同時壓力損失減少。本發明的技術內容及技術特點已揭示如上，然而可以理解，在本發明的創作思想下，本領域的技術人員可以對上述結構作各種變化和改進，包括這裡單獨披露或要求保護的技術特徵的組合，明顯地包括這些特徵的其它組合。這些變形和/或組合均落入本發明所涉及的技術領域內，並落入本發明權利要求的保護範圍。需要注意的是，按照慣例，權利要求中使用單個元件意在包括一個或多個這樣的元件。此外，不應該將權利要求書中的任何參考標記構造為限制本發明的範圍。
權利要求
1.一種燃氣渦輪冷卻葉片，包括葉片主體、冷卻腔和多個擾流柱，其中，所述冷卻腔由所述葉片主體的壁部形成用以供冷卻流體從其中流過，所述擾流柱固定在所述冷卻腔內，其特徵在於所述擾流柱具有供所述冷卻流體流經的孔。
2.根據權利要求I所述的燃氣渦輪冷卻葉片，其特徵在於，所述孔的中心線與未進入所述孔前的所述冷卻流體的流動方向所在的直線相平行。
3.根據權利要求I所述的燃氣渦輪冷卻葉片，其特徵在於，所述孔的中心線與未進入所述孔前的所述冷卻流體的流動方向所在的直線具有一傾斜角度。
4.根據權利要求3所述的燃氣渦輪冷卻葉片，其特徵在於，所述傾斜角度的範圍在30-60。之間。
5.根據權利要求3所述的燃氣渦輪冷卻葉片，其特徵在於，所述傾斜角度大體上為45。。
6.根據權利要求I所述的燃氣渦輪冷卻葉片，其特徵在於，所述葉片主體的壁部具有壓力側壁部和吸力側壁部，所述孔包括第一通孔和第二通孔，所述第一通孔用於所述冷卻流體流經其後與所述壓力側壁部的表面形成射流，所述第二通孔用於所述冷卻流體流經其後與所述吸力側壁部的表面形成射流。
7.根據權利要求1-6任一項所述的燃氣渦輪冷卻葉片，其特徵在於，所述擾流柱為順排或叉排布置。
8.根據權利要求1-6任一項所述的燃氣渦輪冷卻葉片，其特徵在於，所述冷卻葉片還包括分割板，其用於將所述冷卻腔分為兩部分。
9.根據權利要求7所述的燃氣渦輪冷卻葉片，其特徵在於，所述冷卻葉片還包括分割板，其用於將所述冷卻腔分為兩部分。
全文摘要
一種燃氣渦輪冷卻葉片，包括葉片主體、冷卻腔和多個擾流柱，其中，冷卻腔由葉片主體的壁部形成用以供冷卻流體從其中流過，擾流柱固定在冷卻腔內，其特徵在於擾流柱具有供冷卻流體流經的孔。通過在渦輪葉片內部加裝柱身開孔的擾流柱，增加了冷卻流體的流通面積減少了流動阻力，並且通過將孔設置為傾斜孔來產生射流，強化葉片內部的換熱，使葉片保持在較低的溫度水平，提高葉片的使用壽命。
文檔編號F01D5/18GK102828781SQ20111016328
公開日2012年12月19日 申請日期2011年6月16日 優先權日2011年6月16日
發明者王智勇, 廖堅 申請人:中航商用航空發動機有限責任公司