CN102197193B - 装有冷却流体流量调整装置的涡轮叶片 - Google Patents

Abstract

一种涡轮叶片，其采用自动变化冷却流体内部流动来冷却。所述叶片带有孔口(22)和调整板(27)，孔口位于叶根(14)下面，冷却流体经由该孔口渗入，调整板(27)带有与孔口对准的孔(29)，所述调整板的膨胀系数不同于叶根的膨胀系数。

Description

装有冷却流体流量调整装置的涡轮叶片

技术领域

本发明涉及采用冷却流体---诸如空气---的内部流动方式来冷却的涡轮叶片。特别是，本发明涉及一项改进，可使飞机涡轮喷气发动机高压转子叶片内冷却流体流量能够自动和被动地调整，即，无外部控制，冷却流体流量的变化是涡轮喷气发动机运转速度的函数。

背景技术

在飞机涡轮喷气发动机上，高压涡轮的动叶片位于燃烧室出口的紧后边。它们承受非常高的温度。因此，必须不断对其进行冷却。常用的方法是建立冷却流体的内部流动，典型情况下，是采用来自高压压气机出口的空气。

应该想到，这种高压涡轮带有在其外周缘装有狭槽的盘，每个狭槽安装一个叶根。于是，通过狭槽和所述叶根之间的形状连接，叶片便固定到盘上。

每个叶片都带有输入冷却流体的腔室。这样，来自高压压气机的空气便流过叶根底下形成的几个孔，穿过腔室，经由分布在叶片表面的多个孔口流出。从高压压气机来的冷却空气喷入盘的狭槽内，从而能够进入叶片中。

假定该冷却空气是来自高压压气机的气流，而且假定其对燃烧室内的燃烧没有多大作用，但重要的是，为了增加喷气机的性能，降低发动机燃油消耗率，需要将其流量降到最小。

发明内容

本发明是基于如下分析提出的。

飞机起飞及爬高时，温度最高。为此，正是在这些阶段，对叶片的损伤最大。

因此，习惯上，都要考虑起飞时可以承受的最高温度，以确保叶片的预期使用寿命。这个温度确定了冷却空气的某个流量。

然而，巡航阶段是持续时间最长的阶段，在巡航时，叶片的温度要低大约100摄氏度。

因此，在这个阶段降低冷却空气的流量是有利的，从而使得叶片的温度增加，这种增加在巡航时是可以接受的。尽管如此，采用这种方法计算的新的冷却空气流量实际上与起飞时的流量计算一样，因此，引起起飞时叶片温度的相应增加，从而大大缩短了叶片的使用寿命。据估算，起飞和爬高时，该温度增加20摄氏度，使用寿命会降低大约一半。

本发明所基于的理念就是在于降低冷却空气流量(相对于按目前使用规定所测定的值)，但只是在巡航时，且通过调整流量来实现，这种方式是被动的，即无需外部控制，完全由巡航时的温度和其它转速---特别是起飞期间---时的温度之间叶片的温度差来驱动。

更加特别地是，为此，本发明提出了一种采用冷却流体内部流动来冷却的涡轮机叶片，冷却流体经由叶根下部的孔口进入，所述叶片的特征在于，其包括带孔的调整板，所述孔与所述孔口对准，其特征还在于，所述调整板所用材料膨胀系数不同于叶根所用材料的膨胀系数，其特征还在于，调整板安装在叶根下面，带有纵向导向，这种紧固方式保留了调整板孔和叶根孔口之间相对移动的可能性，这样，流体流动截面会随着温度的增加而增加。

所述叶片可以是涡轮转子的动叶片，特别是，飞机涡轮喷气发动机高压涡轮的转子叶片。

在有利的实施方案中，调整板采用陶瓷材料制成，其膨胀系数小于叶根膨胀系数。

按照已知方式，在叶根底部，带有金属校准板，上面带有上述孔口。为此，这些孔口部分地与所述调整板的孔相重合。金属板可以---例如---焊接在叶根下面。

有利的是，所述调整板仅在其一端紧固到所述叶根上，这样，所述叶根就相对于调整板自由膨胀。

在一个实施方案中，调整板置于直线导向轨内，后者固定到叶根上，以便防止调整板相对于叶根转动。

为了充分利用叶根(即，校准板)长度变化的幅度，位于叶根下面的孔口可以为三角形形状。

根据另一个有利特性，调整板上的孔可以是长方形或正方形形状。

另外，本发明提出了一种涡轮，其包括带叶片的盘，所述叶片固定到盘的周缘，每个叶片都符合上述定义。

下面结合附图，根据示例给出的说明，可以更好地理解本发明，本发明的其他优点会更清楚地显现出来。

附图说明

图1为根据本发明以及一部分转子盘的分解透视图；

图2为起飞期间叶根下面的示意图；

图3为叶根下面的局部示意图，示出了流量变化情况。

具体实施方式

从图中可以看出，涡轮动叶片11由翼面12和叶根14组成。翼面通过平台15与叶根分开。涡轮由盘17和多个这样的叶片组成。在其周围，盘17带有狭槽19。每个狭槽的外形对应于叶根14的外形，这样，每个叶片可以通过狭槽和叶根之间的确定形状连接方式固定到盘上。平台15构成了流动段的内壁，供涡轮喷气发动机燃烧室喷出的热燃气流动。这种布置是人们熟知的，无需详细赘述。另外，人们还知道，必须对叶片进行冷却，因为涡轮是通过热燃气的流动来驱动的。为此，每个叶片都是空心的，包括经由叶根下面校准孔口22输入空气的腔室20。于是，在每个叶片内，保持了冷却流体的内部流动。更确切地说，空气来自高压压气机，后者通常用来向燃烧室输送氧化剂。该空气流向盘17内的狭槽19，并经由叶根下面的孔口22进入，沿内部腔室20流动，从而经由开口于翼面12表面的多个孔口排出。

为了校准空气流量，金属校准板25固定---通常为钎焊---到叶根14的内表面上。这种校准板25呈窄的长方形的舌形，带有与孔口22对应的一定数量的孔。叶根14和校准板25的膨胀系数相同，这样，它们随着温度的变化而一起膨胀。在本发明的情况下，热膨胀用来改变冷却空气的流量。

更加特别地，调整板27所用材料膨胀系数不同于叶根14和校准板25所用材料膨胀系数，该调整板包括与校准板孔口22对准的孔29。调整板27一般呈窄的长方形形状，相当于校准板的形状。

所述调整板27安装在叶根的下面，此处与校准板22对准并与其接触，调整板具有纵向导向(通过直线导轨33来获得)，并使用一种紧固方式，这种紧固方式可保持调整板孔29和叶根(此处为校准板)孔口22之间的相对运动的可能性，这样，流体流动截面会随着温度的增加而增加。

更确切地说，调整板27采用陶瓷或复合材料制成，与叶根和校准板的膨胀系数相比，其膨胀系数非常小。

叶根下面的进气孔口22与调整板27上的孔29相重合。调整板仅在其一端通过锚定构件31固定到所述叶根上。调整板27保持在直线导轨33内，后者固定到叶根14或校准板25上。其采用离心力紧靠在校准板上。

这样，在起飞时，动叶片11由于自然升高到较高温度而会整体膨胀。在叶根14处，可以看到校准板上的孔口22和调整板27上的孔29之间的重合是变化的，因为调整板几乎根本不会伸长。如图2所示，这种相对变化会引起起飞时冷却空气可用进气截面达到最大。校对该截面就可以满足需要，从而使起飞时的温度达到确保叶片预期使用寿命的最大值。相反，在巡航时，叶根由于叶片温度的下降而收缩，导致冷却空气进气截面减小(图3)，结果，从压气机引出的空气减少。这样，在巡航时，涡轮喷气发动机的整体效能得以增加。如果流量仅在巡航时减少，叶片的使用寿命会缩短，但也只是很小，大约15％。这个情况在起飞和爬高阶段，通过稍微增加流量，便可很容易地得到补偿。总之，叶片的预期使用寿命会得到保持，同时，涡轮喷气发动机的性能还会提高，从而，降低了发动机巡航时的消耗率。

为了优化流量变化为叶根和调整板之间膨胀差的函数，校准板上的孔为三角形状，而调整板上的孔为正方形或长方形形状。

在示例中，每个孔口22的面积为3.5平方毫米(mm2)。面对校准板上的每个孔口，在调整板上有正方形或长方形孔29。当叶根处于580℃的起飞温度时，孔的边缘与三角形的横边相重合。

起飞后，叶根收缩，从而部分地封闭了其横向底部附近的三角形孔口。当涡轮喷气发动机在巡航时，其温度降至450℃。通过陶瓷板可看到，叶根收缩量为0.025毫米(mm)。这就引起截面减小2.8％。在巡航时动叶片消耗的流量的减少与该面积的减小成正比。

Claims (12)

1.一种涡轮叶片，其采用经由叶根(14)下面孔口(22)流入的冷却流体的内部流动来冷却，所述叶片的特征在于，其包括调整板(27)，上面有与所述孔口(22)对准的孔(29)，所述调整板所用材料膨胀系数不同于叶根所用材料的膨胀系数，并且调整板安装在叶根下面，带有纵向导向，并以一种方式固定，这种方式保留了调整板的孔和叶根的孔口之间相对移动的可能性，这样，流体流动截面会随着温度的增加而增加。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述叶片是动叶片。

3.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述调整板(27)所用材料的膨胀系数小于叶根所用材料的膨胀系数。

4.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述调整板(27)采用陶瓷材料制成，与所述叶根的膨胀系数相比，其膨胀系数小。

5.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述调整板(27)采用复合材料制成，与所述叶根的膨胀系数相比，其膨胀系数小。

6.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述叶根包括在其底部的金属校准板(25)，其带有孔口(22)，与所述调整板(27)上的孔相重合。

7.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述调整板(27)仅在其一端固定(31)到所述叶根上。

8.根据权利要求7所述的涡轮叶片，其特征在于，所述调整板置于直线导轨(33)内，后者固定到所述叶根(14)或校准板(25)上。

9.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，位于叶根下面的孔口(22)为三角形形状。

10.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，调整板上的孔(29)为正方形或长方形形状。

11.一种包括盘(17)和叶片(11)的涡轮，所述盘在其周缘有狭槽(19)，每个狭槽安装一个叶根(14)，空气被引向所述狭槽，所述涡轮的特征在于，每个叶片(11)都符合权利要求1。

12.一种根据权利要求11所述的涡轮，其特征在于，其是飞机涡轮喷气发动机的高压涡轮。