渦輪葉片尾緣微通道內冷結構的製作方法

2023-10-07 19:13:19

專利名稱：渦輪葉片尾緣微通道內冷結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種適用於航空發動機渦輪葉片微通道內冷卻結構，該冷卻結構主要 應用在航空發動機渦輪葉片的尾緣，可以產生0.7以上的冷卻效果，滿足航空發動機 渦輪葉片冷卻的要求。
技術背景發動機的最主要性能指標是推重比，隨著人們對發動機的性能要求不斷提高，對 推重比的要求也不斷提高。而提高發動機的推重比所釆用的最有效的手段就是提高渦 輪前燃氣溫度。我國預研的推重比10—級航空發動機的渦輪前溫度約為1850K 1950K。而目前使用的各種材料在無冷卻的情況下，只能在1300。C左右才能維持其 較高的強度指標。在高溫環境下的渦輪轉子能否安全可靠的工作，主要取決於轉子內 各熱部件(渦輪葉片、渦輪盤、軸等)的溫度水平和溫度分布。另外，由於渦輪葉片 (工作葉片)在高轉速下工作(轉速可達15000rpm以上)，處於非常高的離心力場 當中。在如此惡劣的工作環境中，要保證葉片正常、可靠、長期的工作，就必須對渦 輪葉片進行有效的冷卻，保證葉片本身溫度在工作溫度下，又高的持久強度和抗腐蝕 能力，在保證可靠工作的同時儘可能少的使用冷卻氣體。因此，發明高效的冷卻結構 是非常重要，也是非常必要的。目前所設計的常規渦輪葉片多是在葉片的內部布置各 種形狀的肋片，用來增加內部的擾動，來提高換熱效果，而在葉片的外表面常常布置 一些直徑較小的氣膜孔，形成全氣膜覆蓋，通過這種方式設計的渦輪葉片，其冷卻效 果一般在0.5左右，隨著渦輪前燃氣溫度的提高，這樣的冷卻效果對葉片冷卻來說已 經明顯的不夠，所以高效的渦輪冷卻結構的發明是非常重要和急迫的。現有常用冷卻技術存在以下不足(l)冷卻效率並不總隨渦輪葉片冷卻空氣量的增加而增加，到了一定流量，冷卻 效率將很難再有提升。(2 )現有常用冷卻技術對葉片葉弦中部冷卻較多，而對葉片後緣卻沒有冷卻或冷 卻很少，而這恰恰應是重點冷卻的區域(3 )隨著渦輪前燃氣溫度的不斷提高，特別是當渦輪前燃氣溫度達到137(TC甚至更高，現有常用冷卻技術將難以滿足有效冷卻的需要，容易導致渦輪葉片熱疲勞損壞。
發 明 內 容本發明涉及一種適應於航空發動機渦輪葉片尾緣的微通道冷卻結構，該冷卻結果為在葉片的尾部沿流向布置有微小通道，通道的間距/為0.3~0.8mm，壁厚A為 0.2~0.5mm，由葉根到葉尖均勻分布。壁厚與通道間距的比，在0.5-1的範圍內，並且如果在加工工藝的允許的情況下，l的值越小越好，葉片寬度隨葉片的外型而改變，整個微通道一直延伸到葉片尾緣出口處的劈縫的位置，通道是等間距的，從葉片 的根部一直到葉片的尖部均勻的布置有上述微通道結構，所採用的材料要與渦輪葉片 的材料相同。本發明的優點在於採用微小通道代替葉片尾部的擾流柱，加強了葉片尾部高熱 區的冷卻。


圖1本發明葉片橫截面2葉片尾緣微通道冷卻結構圖3葉片冷氣流動結構中1、葉片前緣2、葉片外壁3、葉中隔斷4、微通道5、葉片中部6、葉片中心腔7、前緣衝擊孔8、葉片頂部氣流通道9、葉片中部10、中部氣流通道11、尾部微通道12、葉片尾緣13、尾部劈縫具體實施方式
下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。本發明將微通道技術應用於渦輪葉片，發明一種應於航空發動機渦輪葉片尾緣的 微通道冷卻結構，其特徵在於在葉片的尾部沿流向布置有微小通道，通道的間距/為 0.3~0.8mm，壁厚/ 為0.2~0.5mm，由葉根到葉尖均勻分布。壁厚與通道間距的比|在0.5~1的範圍內，並且如果在加工工藝的允許的情況下，，的值越小越好， 葉片寬度隨葉片的外型而改變，整個微通道一直延伸到葉片尾緣出口處的劈縫的位
置，通道是等間距的，從葉片的根部一直到葉片的尖部均勻的布置有上述1散通道結構， 所採用的材料要與渦輪葉片的材料相同。冷卻氣體從葉片中心腔進入到葉片尾緣微通 道中，經過強烈的換熱，產生較高的冷卻效果，然後從葉片尾緣的劈縫排出進入到主流燃氣。冷卻氣體從葉片根部進入到葉片微通道內，並由葉片葉尖處進入到葉片中心腔 內，這時在葉片中心腔內的壓力會高於葉片外表面的壓力，在一定的壓力差的驅動下， 冷卻氣體就會從高壓區域流向低壓區域。在本發明所設計的冷卻結構中，冷卻氣體在 壓差的驅動下，會通過尾緣的微通道，在微通道內進行強烈的換熱後從葉片尾緣的劈縫排出進入到主流燃氣。葉片內冷卻氣的具體流動如圖3。本發明從傳熱學角度講，不僅提高了整體換熱效果，整體熱應力分布均勻，而且 葉片的強度也會高於普通的渦輪葉片，整個通道內壓力損失也低於常規的渦輪冷卻葉片。應用上述新型冷卻結構設計的渦輪葉片，經簡化模型實驗和三維數值模擬測試其 換熱性能和流動阻力，整體葉片的平均冷卻效果可以達到0.7以上，且流動阻力明顯 低於常規的渦輪冷卻葉片，其總壓損失明顯小於普通的內冷葉片，葉片具有很好的強 度，可以抵抗較高的熱應力和離心應力。
權利要求
1、一種用於航空發動機渦輪葉片尾緣的微通道冷卻結構，它主要由微通道結構組成，其特徵在於在葉片的尾部沿流向布置有微小通道(11)，通道的間距l為0.3～0.8mm，壁厚h為0.2～0.5mm，由葉根到葉尖均勻分布，壁厚與通道間距的比在0.5～1的範圍內，整個微通道一直延伸到葉片尾緣出口處的劈縫(13)的位置，通道是等間距的，從葉片的根部一直到葉片的尖部均勻的布置有上述微通道結構，所採用的材料與渦輪葉片的材料相同。
全文摘要
本發明涉及一種應用於航空發動機渦輪葉片尾緣的微通道內冷卻結構，其特徵在於在葉片的尾部沿流向布置有微通道，通道的間距為0.3～0.8mm，壁面厚度為0.2～0.5mm，冷卻氣體從葉片中心腔經由葉盆與葉背之間的縫隙進入到微通道內，在微通道內進行強烈的換熱，然後由尾緣處的劈縫進入到主流燃氣中，完成對葉片尾緣的冷卻。通過模型試驗以及三維數值仿真的結果發現，該葉片的冷卻效果可以達到0.7以上，同時由於該冷卻結構的特點，加工方便，大大減小了加工成本，並且具有很好的強度，可以抵抗較高的熱應力與離心應力。
文檔編號F01D5/18GK101126327SQ200710118769
公開日2008年2月20日 申請日期2007年7月13日 優先權日2007年7月13日
發明者丁水汀, 宏 吳, 徐國強, 翔 羅, 智 陶, 韓樹軍 申請人:北京航空航天大學