CN100357568C - 补充冷却的涡轮喷嘴 - Google Patents

Abstract

一种涡轮喷嘴具有可与带有位于压力侧与负压侧(36、38)之间的三通道盘旋形流路的叶片(34)整体地连接的外、内环(30、32)，上述外环具有一个用于将冷却空气通入位于叶片前缘之后面的上述流路的第一通道(44)内的入口(54)，在内环的与上述流路的第二通道(46)相连接的第一通道底部设置有第一出口(56)，在内环的与第二通道流体连通的上述流路的第三通道(48)的底部还设置有第二出口(58)。位于叶片前缘(40)的后面的第一通道(44)是光滑的，但设置了沿横向隔开的相应的成排第一和第二扰流子(62、64)。第一扰流子(62)在紧靠前缘(40)的后面跨接压力侧和负压侧，第二扰流子(64)则设置在负压侧的后面。

Description

补充冷却的涡轮喷嘴

技术领域

本发明总的涉及燃气涡轮发动机，更具体地，涉及其中的涡轮喷嘴。

背景技术

在燃气涡轮发动机中，由压气机对空气加压，这种压缩空气流到燃烧室与燃油相混合后燃烧而产生热燃气，该热燃气通过相应的涡轮向下游流去。高压涡轮(HPT)紧接燃烧室之后，它从热燃气中吸取能量而驱动压气机。高压涡轮后面是低压涡轮(LPT)，该LPT从热燃气中吸取另外的能量而做输出功，用于例如驱动涡扇式航空燃气涡轮发动机的进气风扇。

上述的涡轮具有静止的喷嘴或者说静子喷嘴，该喷嘴具有一排可导引燃气进入一排从支承转盘沿径向向外伸出的相应的涡轮转子叶片的喷嘴叶片，该喷嘴叶片与上述相应的转子叶片相配合而从燃气中吸取能量又带动上述支承转盘转动，该转盘又通过相应的轴与压气机转子或风扇转子相连接而带动相应的转子转动。

上述的发动机部件在相应的成排喷嘴叶片与成排转子叶片之间构成一条伸向下游的环形流道，由于工作时喷嘴叶片是静止的，而转子叶片转动，所以要求在它们之间有合适的密封装置，以便将燃气局限在预定流道内而获得最高的发动机效率。

由于上述环形流道局限着热燃气，故构成流道的各种部件在工作时必须进行适当的冷却，以保证有更长的工作寿命。由于HPT的第一级涡轮喷嘴承受最热的燃气，故必须对它专门加强冷却，通常是用一部分压气机排出的空气对它进行冷却。另外，由于在第一级喷嘴之下游设置有各级涡轮喷嘴，故燃气温度较低，这些喷嘴对冷却的要求也就低一些。

本国的已普通应用多年的示例性涡扇式航空发动机具有一种设置了较简单的冷却流路的第二级HPT喷嘴，这种标准的涡轮喷嘴具有多个空心的喷嘴叶片，该叶片具有不带孔的压力侧和负压侧以及沿其后缘设置的一排钻孔。在每个叶片内具有三通道的盘旋形流路，在叶片前缘的上方的沿径向的外环上具有一个接受压气机排出的空气以对叶片进行内部冷却的入口。盘旋形流路的第一通道在叶片前缘的后面延伸至内环，然后在延伸至外环的第二通道或者说中弦通道内沿径向向外延伸，然后沿径向向内转弯进入到返回至内环的第三通道或者说最后通道内。在第一与第二通道之间的气流转弯处，设置一个通过内环的第一出口，在第三通道端部的内环上也设置一个第二出口，这两个出口将用过的冷却空气从每个叶片排出到第一级转子盘与第二级喷嘴之间的吹洗腔内以保证有效地冷却该区域的各种部件。

由于从压气机分流出的任何空气是不可用于燃烧的，而这些空气的流出又要降低发动机的总的效率，故必须将其减至最少。然而，为了保证适宜地冷却，各种要求冷却以便延长其工作寿命的涡轮部件，仍然需要上述的分流出来的空气。

因此，对压气机的空气的上述对抗性的需求是燃气涡轮发动机中延长其工作寿命的一项主要设计课题。必须从压气机分流出冷却空气，以保证发动机有长的工作寿命。但是，这种冷却空气仍必须用得最少，以便使发动机效率的降低程度减至最小。

另一项设计指标是回流范围。冷却空气以最大的压力离开压气机，必须使它适当地流过各种涡轮部件，这些部件在上述空气再返回燃烧流道之前要相应地降低空气的压力。这种压力降必须最小，以保证冷却空气的合适的回流范围，而上述冷却空气的压力要适当地大于燃气的压力以防止该燃气被吸入要排出冷却空气的受冷却的涡轮零件。

上面所述涉及的第二级涡轮喷嘴已成功地投入商用多年。上述喷嘴是进一步延长发动机工作寿命的发展计划的目标。作为这项发展计划的一部分，已经从叶片前缘区改变喷嘴叶片本身的形状，这就相应地增大了所需冷却空气量以满足较长寿命的设计目标。然而，一个重要的问题是，在提高前缘区的冷却效率的同时将相应地提高用过的冷却空气的温度而降低该冷却空气冷却叶片的下游区的效率，也降低由第二级喷嘴排出的清洗空气冷却涡轮转子部件的冷却效率。

所涉及的涡轮喷嘴的前缘通道是光滑的，没有加强热传导的扰流子，并由此避免了与扰流子有关的冷却空气的压力降而保持有效的回流范围。在燃气涡轮发动机中，扰流子是各种结构和尺寸的涡轮转子叶片和静子叶片中常见的普遍存在的特征。虽然设置扰流子的主要目的是加强热传导，从而提高从压气机分流出的有限的冷却空气的冷却效率，但是，对于不同的结构以及喷嘴叶片与转子叶片之间，扰流子的性能是不同的。由于在工作时涡轮转子叶片是转动的，故冷却空气受到离心力作用而影响其热传导性能，但在静止的喷嘴叶片中未发现这些现象。

在第一级涡轮喷嘴中，由于该喷嘴叶片受到最热的燃气流的包围，其扰流子的性能必须最高。通常还要求对第一级喷嘴叶片进一步冷却，为此，通常在喷嘴叶片内部设置撞击挡板，在用其中的扰流子进一步冷却之前，先由上述撞击挡板利用压气机排出空气对叶片内表面进行撞击冷却。

但是，第二级涡轮喷嘴被包围在温度较低的燃气中，不需要设置撞击挡板来提高冷却性能，并且不需要结构复杂的扰流子进行有效的冷却。实际上，第二级喷嘴叶片通常具有不带孔的且无需设置在第一级喷嘴叶片中通常所见的多排气膜冷却孔的压力侧和负压侧。因此，设计合适的第二级涡轮喷嘴的具体问题在于，不是用扰流子和撞击挡板最大范围地提高冷却效率，而是在使所需冷却空气量减至最少并保持足够的回流范围的同时使涡轮喷嘴的各个部位均衡地冷却。

因此，希望提供一种改进的第二级涡轮喷嘴以延长其工作寿命。

发明内容

一种涡轮喷嘴具有与带有位于相对的压力侧与负压侧之间的三通道盘旋形流路的叶片整体地连接在一起的外环和内环。外环具有一个用于将冷却空气通入上述流路的位于叶片前缘后面的第一通道内的入口。在与盘旋形流路的第二通道相连接的第一通道底部的内环上设置有第一出口，在与盘旋形流路的第二通道流体连通的第三通道的底部的内环上还设置有第二出口。叶片前缘后面的第一通道是光滑的，但设有沿横向互相隔开的相应的成排第一和第二扰流子。第一扰流子在紧靠叶片前缘的后面跨接压力侧和负压侧，第二扰流子则设置在负压侧的后面。

附图说明

在下面结合附图的详细说明中，将按照优选的和示例性实施例并结合其他的目的和优点更具体地说明本发明，附图中：

图1是涡轮风扇式航空燃气涡轮发动机的局部轴向剖视图，其中示出按照示例性实施例的第二级涡轮喷嘴；

图2是图1所示第二级涡轮喷嘴中的示例性叶片的局部轴向剖视放大图；

图3是沿图2的3-3线喷嘴叶片的局部轴向等角图；

图4是图3所示并沿4-4线的叶片前缘流道的局部剖视图，示出按本发明示例性实施例的在流道内设置的两排扰流子；

图5是图2所示的并沿5-5线的喷嘴叶片前缘部分的沿径向剖视的放大图；

图6是图2所示的并沿6-6线的喷嘴叶片前缘部分的沿径向剖视的放大图。

具体实施方式

图1示出示例性涡轮风扇式航空燃气涡轮发动机10的一部分。它是相对于纵向轴线或者说中心轴线12轴向对称的。该发动机具有多级在工作时可压缩空气16的轴流式压气机14。

上述的经压缩的空气流入环形燃烧室18(图中仅示出其后部)，在此与燃油混合并点燃而产生热燃气20，该燃气20流过两级高压涡轮，该涡轮则通过传动轴适宜地与压气机相连接，以便在工作时带动压气机转子叶片转动。

上述高压涡轮包括第一级涡轮喷嘴22，随后是第一级涡轮转子叶片24、第二级涡轮喷嘴26和第二级涡轮转子叶片28，上述转子叶片24、28从相应的转盘沿径向向外伸出，所述的转盘与普通传动轴紧紧连接在一起，工作时带动压气机转动。

第一级或者说高压涡轮喷嘴22的结构可以是任何普通类型的，它通常具有一排安装在对应的外、内环之间的空心的喷嘴叶片。第一级喷嘴的叶片内通常有撞击挡板，这些叶片的表面通常布满多排气膜冷却孔(未示出)。

第二级涡轮喷嘴26同样具有沿径向设置的外、内环30、32，该环与在它们之间延伸的喷嘴叶片34整体地连接或铸造在一起。通常在一个铸件中，有两个叶片与相应的外、内环段整体地铸在一起。而且，组合起来的环段和叶片由特制的外环件以普通的方式适宜地支承在发动机外壳体上。

图2和3较详细地示出第二级涡轮喷嘴26的优选实施例。每个叶片具有一个大致为凹形的压力侧36和一个沿圆周相对的大致为凸形的负压侧38，该压力侧36和负压侧38在沿轴向相对的并在内、外环之间沿径向或者说纵长方向延伸的前缘40和后缘42互相连接在一起。

压力侧和负压侧的壁沿圆周隔开，其间形成一种三通道的盘旋形流路，包括按顺序气流连通的第一、第二和第三通道44、46和48，第一通道(或者说前缘通道)44位于紧靠内、外环之间的前缘40的后面。第二通道(或者说中弦通道)46位于与之流体连通的第一通道44的后面。

第二通道46位于第一通道44后面并由一个从外环30沿径向向内延伸并与内环32有一定距离的不带孔的前隔板50与第一通道44大部分地隔开(图2)。第三通道(或者说后缘通道)48位于第二通道46后面叶片后缘的前面，并由一个从内环32沿径向向上延伸且与外环30有一定距离的不带孔的后隔板52与第二通道46大部分地隔开。前、后隔板50、52的末端可在第一、第二和第三通道之间跨越或转弯，以便在所形成的盘旋形流路中连通冷却空气16(图2)。

如图2所示，外环30具有位于第一通道44之顶部的小孔状的单一入口54，用于承接从图1所示压气机排出的压缩空气16，并将此空气供入喷嘴叶片。相应地，内环32具有位于第一通道44之底部的用于排出一部分冷却空气的第一出口56和位于第三通道48底部的用于从喷嘴叶片排出另一部分冷却空气的第二出口58。

如图2和3所示，每个喷嘴叶片具有一排沿后缘42纵向隔开的与第三通道流体连通的后缘出口孔60，用来排出其中的剩余部分的冷却空气，该出口孔60可具有任何的形状。例如图2所示的发散型孔，它们在邻近后缘42处终止于压力侧表面。

如图2所示，第一通道44是光滑而没有凸起部分的，但具有相应的多排从流道内表面向外凸起的放射状的第一和第二扰流子62、64，该第一扰流子62在紧靠前缘40后面跨接压力侧36和负压侧38，大致与前隔板50相对，第二扰流子64在负压侧38后面与第一扰流子沿横向或者说沿圆周隔开，也大致与前隔板50相对。

除了上述的两排第一和第二扰流子62、64之外，无论是压力侧或负压侧都没有任何凸起部分或扰流子。这样，紧靠前缘40后面的第一通道44总体上是光滑的(除了优先设置在前缘40后面的扰流子62、64之外)。这种结构与喷嘴叶片上述的三通道盘旋形冷却流路相结合均衡了通入叶片的有限的冷却空气16的冷却效率，同时也在叶片中保持了合适的回流范围。

为了延长图2所示涡轮喷嘴的工作寿命，已对上面关于标准涡轮喷嘴的背景部分所述的喷嘴叶片的压力侧和负压侧的形状加以改变。新的叶片形状已比其他类似的发动机结构提高了叶片前缘区的热负荷。由于喷嘴叶片入口54接收的冷却空气16的流速和压力有限，故要通过与上述的三通道盘旋形冷却流路相结合的优先设计的扰流子62、64的布局、尺寸和设置而更好地利用供给的空气。扰流子62、64的布局要加强叶片前缘局部区域的冷却，而不产生会降低盘旋形流路下游的回流范围和冷却效率的过度的冷却或过度的压力降。

如图2和3所示，喷嘴叶片的压力侧和负压侧是不带孔的，只是在紧靠后缘42处有一排后缘出口孔60。该叶片的压力侧和负压侧全没有像第一级涡轮喷嘴叶片那样的气膜冷却孔。因此，进入叶片入口54的全部冷却空气都在叶片内的通道内流动并优先从3个相应的出口孔56、58和60排出。

在第一和第三流道44、48的相应端部设有两个出口56、58用于均衡叶片的冷却，并保证从这些出口排出的用过的空气16还具有足够的冷却能力。如图1和2所示，叶片内环32具有一个在第三通道48下面沿径向延伸的用于支承普通的蜂窝状密封件68的大致为“T”形的整体支架66。所述的蜂窝状密封件68与从级间转盘伸出的迷宫式相配合可保持涡轮喷嘴26的上游侧与下游侧之间的轴向压力降。

如图2所示，内环32中的两个出气口56、58位于叶片前缘40与支架66之间，以便在涡轮喷嘴26的靠近支承第一级转子叶片24的第一级转盘的进气侧下面排出用过的冷却空气16。这样，从喷嘴叶片34排出的用过的冷却空气16便在第一级转子与第二级喷嘴之间提供了吹洗作用而附加地冷却了该区域内的零部件。

因此，首先进入每个喷嘴叶片内的冷却空气16被多次应用，既冷却了叶片的各个部位，又储备了的冷却能力最后用于吹洗支承的支架66的上游侧。但是，这种同一冷却空气的多次应用需要仔细权衡其冷却效率和沿冷却流路的流体的压力降，这一特征优先地通过新加入多排扰流子62、64的结构而互相补充。

更具体地说，如图2和4所示，第一和第二扰流子62、64沿第一通道44大致上彼此平行地排列，并且大致垂直于冷却气流的径向方向。第一和第二扰流子62、64也在内、外环之间沿叶片前缘40纵向地或者说径向地错开排列或者说隔开排列。

如图5和6所示，第一扰流子62在前缘40的反面上大致相等地跨接压力侧36和负压侧38的部位。前缘40是一根在工作时隔开压力侧与负压侧并形成静滞点的线或点的轨迹，在所述静滞点上燃气流被沿每个叶片的相对两侧面劈开。第一排的第一扰流子最好位于第一通道44内紧靠前缘40之后面，以便在该区域加强叶片的内部冷却。

由于叶片前缘40的半径有限，且其侧壁厚度大致均匀，故前缘40后面的设置第一扰流子62的内表面的半径也有限且更小。因此，第一扰流子62做成弧形以便与叶片前缘后面的内部半径相吻合，而且第一扰流子62的相对两端按弧的长度端接在其沿相应的压力侧和负压侧的内表面。

相应地，负压侧38及其内表面具有比前缘本身小得多的曲率，第二扰流子64大致上是直的，曲率极小或为零，以便按要求与负压侧的紧接成排第一扰流子62处的内表面相吻合。

图5和6所示的第一和第二扰流子62、64的合适高度约为10密度(0.25mm)，其较短的长度大约为高度的4～5倍。第一和第二扰流子的长度最好基本上彼此相等，这些扰流子沿横向隔开以便在两排扰流子之间形成窄小的间隙。

这样，两排扰流子只占较小的内表面积，而留下的第一流道的绝大部分内表面是没有障碍物的完全光滑的，两排扰流子62、64通过横向隔开排列和纵向错开排列方式而彼此脱开，以便减小可产生的总的压力降。这样，就可加强在叶片前缘的有限区域和相连接的负压侧部位的冷却，而不需要在冷却空气中形成过度的压力降。进入叶片入口54的冷却空气可在通过第二通道并从第一出口56排出之前有效地冷却喷嘴叶片的前缘区域。

如图2所示，一部分来自第一通道44的冷却空气立即通过第一通道下面的内环排出，以在支架66的上游处成为较冷的高压冷却空气，而对转子空腔进行吹洗冷却。另外，来自第一通道的冷却空气的剩余部分则流过盘旋形流路的第二和第三通道，对叶片的这些区域进行冷却。第二和第三盘旋形通道46、48的结构可以是任何普通的结构，通常可根据需要沿其压力侧或负压侧设置全长的扰流子。

一部分来自第三通道48的用过的冷却空气通过一排后缘孔60排出，其余部分的冷却空气则通过内环32中的第二出口58排出，以对前转子空腔内的支架66的上游侧提供附加的吹洗空气。

在一个优选实施例中，上述的第一出口56、第二出口58和成排的后缘出口孔60的大小设计成可排出从公用入口54供入空气总流量的三分之一左右。虽然在上面的背景部分所述的标准涡轮喷嘴对于上述用过的冷却空气中的三分之一的分流量来说具有类似的结构，但是，图2所示的结构在重新引入两排位于原先是光滑的前缘通道44内的扰流子62、64的同时仍可保持上述的所需的分流量。优先地设置的扰流子62、64由于它们有限的尺寸和位置而可保持满意的回流范围，又可保持喷嘴叶片的前缘通道之下游处各个部位包括支架66之上游处的前转子空腔的补充冷却性能。

在图2所示的优选实施例中，第一排扰流子限于或者说具有10个在叶片前缘后面沿纵向隔开的第一扰流子62，而第二排扰流子则限于或者说具有9个在第一排扰流子中的相应扰流子之间沿纵向错开排列的第二扰流子64。在原先光滑的前缘通道44内设置数目有限且颇为策略地隔开的扰流子62，64提高了整个喷嘴叶片的性能，并提供了吹洗冷却空气，这与上面背景部分所述的标准喷嘴叶片相比较，可提高其耐久性和工作寿命。

图5简单示出铸造喷嘴叶片的优选方法。从图中可看出，一排第一扰流子66在一种模压压型72(仅部分地示出)的分模线70处与沿负压侧38的一排第二扰流子64相连接，上述的压型72用于按普通方法压制出形状和尺寸与所需的流路包括其扰流子相对应的陶瓷型芯。在压型分模线70处将两排扰流子62、64分开，可提高铸造生产率。

在原先光滑的前缘通道中简单设置第一和第二扰流子62、64可补充加强对涡轮喷嘴备部分的冷却，同时又保持足够的回流范围。由于涡轮喷嘴的各部位通过公共的三通道盘旋形流路互相关联，故专门设置的扰流子62、64可提高总体冷却性能和回流范围性能。

相反地，在前缘通道中设置其他普通形式的扰流子则可能造成会降低盘旋形流路之下游部位和冷却性能的过分冷却或过分的压力损失。

在该优选实施例中将两排扰流子彼此分开并将它们设置在叶片前缘之后面可加强具有适当回流裕度的冷却，这就提高了涡轮喷嘴的耐用性。通过优先设计第二和第三流道以及成排的后缘出口孔又可进一步提高涡轮喷嘴的耐用性，不过这已经不是本发明的目的了。

虽然上面已经说明了被认为是本发明的优选的和示例性实施例的内容，但是，熟悉本技术的人们将会从所述原理明白本发明的其他改型，因此，这些落在本发明的实际精神和范围的所有改型都要在所附权利要求书中得到保护。

Claims (9)

1.第二级燃气涡轮喷嘴，它具有：

与叶片(34)整体地连接的外、内环(30，32)；

上述叶片具有在相对的前、后缘(40、42)处连接在一起的相对的压力侧壁(36)和负压侧壁(38)；

上述的负压侧和压力侧互相隔开以形成一条三通道的盘旋的流路，该流路包括一条在上述前缘之后面延伸的第一通道(44)，一条由一不带孔的前隔板(50)与上述第一通道(44)部分地隔开的第二通道(46)，上述的前隔板(50)从上述外环(30)延伸到离上述内环(32)不远处，和一条由一不带孔的后隔板(52)与上述第二通道(46)部分地隔开的第三通道(48)，上述的后隔板(52)从上述内环(32)延伸到离上述外环(30)不远处。

上述的外环(30)具有一个位于上述第一通道处的用于对其供给压力冷却空气(16)的入口(54)，上述的内环(32)具有一个位于上述第一通道处的用于排出一部分上述空气的第一出口(56)，和一个位于上述第三通道处的用于排出另一部分上述空气的第二出口(58)，上述叶片(34)沿上述后缘(42)具有一排出口孔(60)与上述第三通道成流体连通，用于从那里排出其余的空气；和

上述的第一通道是光滑的但具有第一排紧靠上述前缘的后面并跨接上述压力侧和负压侧且与上述前隔板相对的第一扰流子(62)，和第二排位于上述负压侧后面并与上述第一排扰流子横向隔开的第二扰流子(64)，上述压力侧则没有与上述前隔板相对的扰流子。

2.根据权利要求1的喷嘴，其特征在于，上述的第一和第二扰流子(62，64)在上述的外、内环(30，32)之间沿上述前缘(40)互相平行并沿纵向错开排列。

3.根据权利要求2的喷嘴，其特征在于，上述的压力侧和负压侧(36，38)上除了上述的段缘出口孔(60)之外是无孔的。

4.根据权利要求2的喷嘴，其特征在于，上述的第一和第二扰流子(62，64)的长度相等。

5.根据权利要求3的喷嘴，其特征在于，上述的第一扰流子(62)是弧形的，沿弧长方向终止于上述压力侧和负压侧的相对两端，而上述第二扰流子则是直的。

6.根据权利要求3的喷嘴，其特征在于，上述的内环(32)具有一个在上述第三通道(48)下方延伸的整体支架(66)，上述的第一和第二出口(56，58)都在上述前缘(40)与上述支架(66)之间穿过上述内环(32)。

7.根据权利要求3的喷嘴，其特征在于，上述第一排扰流子具有10个位于上述前缘(40)后面沿纵向隔开的第一扰流子(62)，上述第二排扰流子具有9个沿纵向错开排列的第二扰流子(64)。

8.根据权利要求3的喷嘴，其特征在于，上述第一排扰流子(62)在用于铸造与上述盘旋的流路相应的陶瓷型芯(74)的压模(72)的分模线(70)处沿上述负压侧(38)与所述第二排扰流子(64)相邻接。

9.根据权利要求3的喷嘴，其特征在于，上述的第一出口(56)、第二出口(58)和一排后缘出口孔(60)的尺寸定得可排出经上述入口(54)接收的总流量的三分之一。

Images