一種燃氣渦輪冷卻葉片的製作方法
2023-04-29 16:57:41 2
專利名稱：一種燃氣渦輪冷卻葉片的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種渦輪冷卻葉片，特別適用於航空發動機和燃氣輪機。
技術背景隨著科學技術的發展，燃氣渦輪的性能要求越來越高，而提高渦輪性能的最基本技術途徑是提高渦輪進口溫度。以航空發動機渦輪為例，渦輪前總溫每提高55'C,在 發動機尺寸不變的條件下，發動機推力可提高10%，推重比10的一級發動機渦輪進口 溫度已經達到1900K以上。高溫所帶來的問題，其解決的途徑有兩個 一是採用更高 耐熱性能的材料製造渦輪葉片； 一是採用先進的冷卻技術，提高冷卻效果和效率。然 而，隨著燃氣輪機性能的不斷提高，渦輪入口溫度以每年平均提高2(TC的速度增加， 而金屬耐熱程度僅以每年約『C的速度增加，而且，即使發動機渦輪部件採用如碳-碳 複合耐高溫材料也不能完全取消冷卻，先進的冷卻可使高溫部件承受更高的工作溫度， 從而提高發動機壽命和可靠性。目前先進發動機的渦輪前進口溫度已達到了 2000K左 右，比高壓渦輪葉片金屬材料的熔點高400K，因此，冷卻葉片的設計已成為燃氣渦輪 發動機設計的核心技術之一。早期的渦輪葉片採用直流式冷卻，目前各種冷卻技術如衝擊冷卻、氣膜冷卻、強 化換熱冷卻等逐漸應用於渦輪葉片，冷卻葉片結構也越來越複雜，在一些先進的燃氣 渦輪中，用於冷卻渦輪的空氣量高達15%,因此，提高空氣冷卻效率，降低冷卻空氣量 已成為冷卻葉片設計的重要研究方向。 發明內容為了克服現有技術葉片結構複雜、單位空氣量的冷卻效率不高的不足，本實用新 型提出了一種燃氣渦輪冷卻葉片，結構相對簡單，並且在不增加冷卻空氣量的條件下 能夠提高冷卻效率，有效地降低葉片前緣和尾緣部位的溫度。本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是在葉片內壁自葉片前緣到尾緣 依次排列有若干個沿葉片徑向排列的隔板，其中一個隔板將葉片內腔分割為前、後兩 個獨立的部分，其餘隔板將葉片內腔的前、後兩部分分別分割成若干個連通的冷卻腔， 沿葉片縱向形成兩條回流式冷卻通道，通道的入口均在葉片根部，距離葉片前緣最近的隔板上具有若干個衝擊冷卻孔，對葉片前緣內壁形成衝擊冷卻；同時葉片前緣有若 幹個從葉片內壁面穿透至外壁面的氣膜孔，冷氣從氣膜孔流出後，在主流壓力和摩擦 力作用下向下遊彎曲，粘附在在葉片表面形成氣膜冷卻，將葉片壁面與高溫燃氣隔開， 從而降低葉片溫度；距離葉片尾緣最近的冷卻腔在葉片尾緣處開有排氣縫，在排氣縫 處從葉片壓力面穿透至吸力面交錯排列有若干擾流柱，擾流柱改變了冷卻通道內冷卻 氣流的湍流度，增強了冷卻氣流的流動和傳熱，同時擾流柱還能加強葉片壁面的傳熱 面積，進一步強化尾緣換熱，提高冷卻效率。冷卻氣體通過兩個入口進入，對前面部 分冷卻通道而言，冷卻氣體沿著通道流動，最終通過在前緣氣膜冷卻孔流出，形成葉 片前緣表面的冷卻；對後面部分冷卻通道而言，氣體在入口進入後，沿著冷卻通道流 動，經過在由壓力面至吸力面之間形成的交錯排列的擾流柱強化換熱，最終在葉片尾 緣排氣縫流出，形成完整的通路。為了降低鑄造成本，本實用新型所述的擾流柱為圓形截面。本實用新型的有益效果是①由於冷卻通道分為前、後兩個部分，使得冷卻氣體 在前後緣位置均具有較高的換熱係數，提高了冷卻效果；②冷卻通道包含多個冷卻腔， 冷卻氣體在葉片內具有較長的行程，可大大增加冷卻效率；③葉片前緣位置的氣膜冷 卻孔降低了葉片前緣的溫度，擾流柱提高了冷卻空氣在靠近葉片尾緣位置的冷卻效果； ④冷卻通道第一個隔板上排列的衝擊冷卻孔對葉片前緣內壁面進行衝擊冷卻，可進一 步降低前緣溫度；⑤葉片整體表面溫度分布更為均勻，大大增加了葉片的壽命和可靠 性；⑥冷卻葉片結構相對簡單，具有良好的加工性和工程應用前景。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
圖1為本實用新型冷卻葉片橫截面示意圖；圖中，l一隔板一，2—隔板二， 3—隔板三，4一隔板四，5—隔板五，6 — 冷卻腔一，7—冷卻腔二， 8，冷卻腔三，9—冷卻腔四，IO—冷卻腔五，ll一 冷卻腔六，1 2 —衝擊冷卻孔，1 3 —氣膜冷卻孔，1 4 一擾流柱，1 5 —排氣縫， A—葉片外壁，B—葉片內壁。圖2為本實用新型冷卻葉片冷卻通道結構示意圖； 圖中，16—進氣孔一，17—進氣孔二。圖3為本實用新型冷卻葉片整體外形及冷氣出流示意圖。圖4為本實用新型冷卻葉片剖面圖。 圖5為本實用新型底部進氣口示意圖。
具體實施方式
如圖1和圖2所示，根據氣動參數，葉片外壁面型線採用五次多項式方法構造， 葉片前緣、尾緣型線採用圓弧連接，連接處二階可導。根據葉片外壁面型線函數，定 義葉片壁面厚度分布函數，得到葉片內壁面型線函數，建立葉片外壁A和葉片內壁B， 由葉片前緣到尾緣依次排列有隔板一 1,隔板二2，隔板三3，隔板四4，隔板五5， 將葉片內腔分割成冷卻腔一 6，冷卻腔二 7，冷卻腔三8，冷卻腔四9，冷卻腔五10 和冷卻腔六ll，其中隔板三3將葉片冷卻通道分割為前、後兩個獨立部分；隔板一l 上等間距排列有3個衝擊冷卻孔12，冷卻氣流在冷卻腔二7流動時，通過衝擊冷卻孔 噴出冷卻空氣對葉片內壁B前緣吹送冷卻空氣進行冷卻。葉片前緣有交錯排列的氣膜 冷卻孔13，從葉片內壁B穿透至葉片外壁A，如圖3所示，多個薄膜冷卻孔在葉片前 緣沿葉高方向排列，構成氣膜冷卻孔陣列。從薄膜冷卻孔流出的氣流遇到主流高溫燃 氣，轉折向後沿著葉片外壁A流動，在葉片外壁面A形成了薄膜冷卻。葉片尾緣部分 的冷卻腔六11在葉片壓力面和吸力面之間形成若干交錯排列的擾流柱14，多個擾流 柱在葉片最後一個冷卻腔內沿葉高方向交錯排列，通過擾流柱對冷卻通道內冷卻氣流 的擾動，影響氣流的流動和傳熱，同時擾流柱還能加強葉片壁面的傳熱。最後冷氣通 過排氣縫15流出。相鄰冷卻腔之間上端與上端相互連通或下端與下端相互連通，冷氣 從葉片榫頭底部入口一 16和入口二 17分別進入前後兩個冷卻通道，前面部分冷卻通 道冷氣在前緣流出，後面部分冷卻通道冷氣在尾緣排氣縫流出，構成完整的通路。如上所述，通過本實用新型的冷卻葉片設計方案，可以在不增加冷卻空氣流量的 前提下提高冷氣的冷卻效率，提高渦輪進口燃氣溫度，從而提高燃氣渦輪發動機的性 能和工作效率，提高航空發動機的整體性能。
權利要求1、一種燃氣渦輪冷卻葉片，包括葉片和若干隔板，其特徵在於在葉片內壁自葉片前緣到尾緣依次排列有若干個沿葉片徑向排列的隔板，其中一個隔板將葉片內腔分割為前、後兩個獨立的部分，其餘隔板將葉片內腔的前、後兩部分分別分割成若干個連通的冷卻腔，沿葉片縱向形成兩條回流式冷卻通道，通道的入口均在葉片根部，距離葉片前緣最近的隔板上具有若干個衝擊冷卻孔，葉片前緣有若干個從葉片內壁面穿透至外壁面的氣膜孔，距離葉片尾緣最近的冷卻腔在葉片尾緣處開有排氣縫，在排氣縫處從葉片壓力面穿透至吸力面交錯排列有若干擾流柱。
2、 根據權利要求1所述的一種燃氣渦輪冷卻葉片，其特徵在於所述的擾流 柱為圓形截面。
專利摘要本實用新型公開了一種燃氣渦輪冷卻葉片，在葉片內壁自葉片前緣到尾緣依次排列有若干個沿葉片徑向排列的隔板，其中一個隔板將葉片內腔分割為前、後兩個獨立的部分，其餘隔板將葉片內腔的前、後兩部分分別分割成若干個連通的冷卻腔，沿葉片縱向形成兩條回流式冷卻通道，通道的入口均在葉片根部，距離葉片前緣最近的隔板上具有若干個衝擊冷卻孔，葉片前緣有若干個從葉片內壁面穿透至外壁面的氣膜孔，距離葉片尾緣最近的冷卻腔在葉片尾緣處開有排氣縫，在排氣縫處從葉片壓力面穿透至吸力面交錯排列有若干擾流柱。本實用新型結構簡單，有效增加了冷卻效率。
文檔編號F01D5/18GK201218110SQ20082002954
公開日2009年4月8日 申請日期2008年7月3日 優先權日2008年7月3日
發明者俊 倪, 偉 劉, 軍 劉, 劉永壽, 呂震宙, 嶽珠峰, 磊 李, 虞跨海, 高宗戰 申請人:西北工業大學