CN103306744B

CN103306744B - 导向叶片的冷却装置

Info

Publication number: CN103306744B
Application number: CN201310277601.2A
Authority: CN
Inventors: 廖乃冰; 卢聪明; 周志翔; 贺宜红
Original assignee: China Aircraft Power Machinery Institute
Current assignee: China Aircraft Power Machinery Institute
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2033-07-03
Also published as: CN103306744A

Abstract

本发明涉及一种导向叶片的冷却装置，其包括：内嵌于导向叶片空腔内的冲击管体，冲击管体的内腔与冷气贯通；冲击管体的壁面开设多个与冲击管体的内腔贯通的通气孔，通气孔的开口朝向导向叶片的内壁面，冲击管体与导向叶片之间留有间隙，通气孔与间隙贯通；冲击管体贯通于导向叶片的空腔且与空腔的端面齐平且紧密贴合，用于密封冲击管体与导向叶片间隙之间的冷气。本发明的导向叶片的冷却装置，导向叶片的叶身前缘和中弦区域内壁采用复合强化冷却，即冲击冷却和扰流冷却的叠加形成的复合强化冷却；导向叶片的临近尾缘的区域内壁采用扰流强化冷却；导向叶片的尾缘叶盆侧采用气膜冷却。此结构简单、紧凑，装配简易，且冷却效率高，冷气的消耗量少。

Description

导向叶片的冷却装置

技术领域

本发明涉及航空发动机冷却领域，特别地，涉及一种导向叶片的冷却装置。

背景技术

高性能航空发动机包括一种紧凑高效的导向叶片，高性能航空发动机在运行时，其涡轮进口处温度高，如某型号发动机的涡轮进口平均温度1300K～1550K，已超过导向叶片的材料允许温度，使用时须对导向叶片进行冷却设计以保证其安全可靠的工作。导向叶片在冷却时，需要消耗压气机的压缩气体，而压缩气体对发动机综合性能产生直接的负面影响。在实际操作中，需要提高气流的冷却效率以降低气流的消耗量，提高发动机的综合使用性能。

发明内容

本发明目的在于提供一种结构简单、紧凑、气流冷却效率高而冷气消耗量少的导向叶片的冷却装置，以解决现有的导向叶片在冷却过程中消耗大量压缩气体后对发动机综合性能产生负面影响的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种导向叶片的冷却装置，导向叶片为空心结构，其包括：内嵌于导向叶片的空腔内的冲击管体，冲击管体为空心结构，冲击管体的内腔与冷气贯通；冲击管体的壁面开设多个与冲击管体的内腔贯通的通气孔，通气孔的开口朝向导向叶片的内壁面，冲击管体与导向叶片之间留有间隙，通气孔与间隙贯通；通气孔的直径为d；冲击管体贯通于导向叶片的空腔且与空腔的端面齐平，齐平的两端与导向叶片的两端均紧密贴合，用于密封冲击管体与导向叶片间隙之间的冷气。

进一步地，冲击管体与导向叶片的贴合处一端自由贴合，另一端固定密封。

进一步地，导向叶片的内壁凸设扰流柱，扰流柱包括多个叶背扰流凸台和叶盆扰流凸台，叶背扰流凸台和叶盆扰流凸台均贯通冲击管体与导向叶片之间的间隙后抵靠于冲击管体。

进一步地，叶背扰流凸台在导向叶片的叶背至前缘滞止点8％～60％的型线区域布置6～9排，每一排叶背扰流凸台横向等间距分布，相邻纵向两排叶背扰流凸台交错排列，且纵向间距S3为5倍至10倍通气孔的直径；叶盆扰流凸台在导向叶片的叶盆至前缘滞止点8％～60％的型线区域布置6～9排，每一排叶盆扰流凸台横向等间距分布，相邻纵向两排叶盆扰流凸台交错排列，且纵向间距S5为5倍至10倍通气孔的直径。

进一步地，扰流柱还包括前端横向扰流柱、叶背扰流柱、叶盆扰流柱和尾端横向扰流柱，前端横向扰流柱设置于导向叶片的叶背和叶盆的转角的内腔处；叶背扰流柱和叶盆扰流柱相对设置，冲击管体设置于叶背扰流柱与前端横向扰流柱之间；尾端横向扰流柱设置于叶背扰流柱的下方，并靠近导向叶片的尾缘，横向扰流柱与导向叶片的叶盆和叶背均连接。

进一步地，叶背扰流柱设置于导向叶片的叶背至前缘滞止点62％～66％的区域，叶背扰流柱的直径为1．5d～3d，叶盆扰流柱与叶背扰流柱结构相同；前端横向扰流柱直径S8为1．5倍至3倍通气孔的直径，长度S2为5倍至10倍通气孔的直径，相邻两个间距S1为6倍至12倍通气孔的直径；尾端横向扰流柱设置于导向叶片的叶盆至前缘滞止点71％～75％的区域之间，等间距的布置一排，间距S4为7倍至15倍通气孔的直径，直径为1．5倍至3倍通气孔的直径。

进一步地，尾端横向扰流柱的下方设有多个偏劈缝，偏劈缝设置于导向叶片的叶背和叶盆的转角处的前方，导向叶片空腔内的气体通过偏劈缝流出对导向叶片的尾缘进行气膜冷却。

进一步地，偏劈缝布置于导向叶片的叶盆距离前缘滞止点77％～88％的区域，偏劈缝的宽度S6为0．7倍至13倍通气孔的直径，高度S5为7倍至12倍通气孔的直径；偏劈缝的出口与导向叶片尾缘点的距离S7为10倍至20倍通气孔的直径。

进一步地，在一横截面上，冲击管体布置9个通气孔，通气孔与导向叶片的叶背同侧，通气孔与导向叶片的叶盆同侧，通气孔的开口朝向导向叶片的前缘滞止点，前缘滞止点位于导向叶片的叶背和叶盆的转角处。

进一步地，通气孔的中心线至前缘滞止点的弧长分别对应导向叶片的叶盆弧长的比值的取值范围为：0．11～0．15，0．23～0．27，0．4～0．44，0．52～0．56，通气孔在冲击管体的壁面纵向成排延伸，且每一排的通气孔均匀间隔布置，间隔距离为8倍至15倍通气孔的直径。

进一步地，通气孔的中心线至前缘滞止点形成的弧长分别对应导向叶片的叶背弧长的比值的取值范围为：0．05～0．08，0．12～0．16，0．4～0．44，0．52～0．56，通气孔在冲击管体的壁面纵向成排延伸，且每一排的通气孔均匀间隔布置，间隔距离为8倍至15倍通气孔的直径。

进一步地，通气孔的孔径d为0．5mm～1．5mm。

本发明具有以下有益效果：本发明的导向叶片的冷却装置，其冲击管体内嵌于导向叶片内腔，贯通于导向叶片的空腔且与空腔的端面齐平，齐平的两端与导向叶片的两端均紧密贴合，用于密封冲击管体与导向叶片间隙之间的冷气。导向叶片的叶身前缘和中弦区域内壁采用复合强化冷却，即通气孔的冲击冷却和扰流柱的扰流冷却的叠加形成的复合强化冷却；导向叶片的临近尾缘的区域内壁采用扰流强化冷却；导向叶片的尾缘叶盆侧采用气膜冷却。此结构简单、紧凑，装配简易，且冷却效率高，冷气的消耗量少。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的导向叶片的冷却装置截面示意图；

图2是本发明优选实施例的导向叶片的冷却装置靠近尾缘叶盆侧的截面示意图；以及

图3是本发明优选实施例的导向叶片的冷却装置靠近叶片前缘滞止点的截面示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明涉及的导向叶片为空心结构，其包括叶盆和叶背，叶盆和叶背连接的转角处分别形成叶片的前缘滞止点、叶片的尾缘。

参见图1和图2，本发明提供的一种导向叶片的冷却装置，用于冷却上述导向叶片，其包括：内嵌于导向叶片空腔内的冲击管体20。其中，冲击管体20为与导向叶片的结构类似的空心结构，冲击管体20的内腔与冷气贯通；冲击管体20的壁面开设多个与冲击管体20的内腔贯通的通气孔，通气孔的开口朝向导向叶片的内壁面，冲击管体20与导向叶片之间留有间隙，通气孔与此间隙贯通，冷气经通气孔喷射至导向叶片的内壁面，实现气流对导向叶片的冲击冷却，冲击冷却效率高，冷气消耗量少。详见图2，冲击管体20贯通于导向叶片的空腔且与空腔的端面齐平，齐平的两端与导向叶片的两端均紧密贴合，用于密封冲击管体20与导向叶片间隙之间的冷气，此结构可保证气流仅从冲击管体20进入叶片内腔并实现气流对叶片叶身的冲击冷却，进一步提高冷却的效率。

冲击管体20的直径为d，在本优选实施例中，d的取值范围为0．5mm～1．5mm。

优选地，冲击管体20与导向叶片的贴合处一端自由贴合，另一端固定密封，如焊接固定密封。此结构一方面避免材料膨胀系数的差异造成某种热状态下冲击管体20的上、下窜动或者脱落，另一方面冲击管体20的另一自由端可以自由伸缩从而消除挤压或拉伸应力。

为了提高冷却效率，在一横截面上，冲击管体20布置9个通气孔21～29，通气孔21～24与导向叶片的叶背同侧，通气孔26～29与导向叶片的叶盆同侧，通气孔25的开口朝向导向叶片的前缘滞止点，前缘滞止点位于导向叶片的叶背和叶盆的转角处。

具体地，通气孔21～24的中心线至前缘滞止点的弧长分别对应导向叶片的叶背弧长的比值的取值范围为：0．11～0．15，0．23～0．27，0．4～0．44，0．52～0．56，通气孔21～24在冲击管体20的壁面纵向成排延伸，且每一排的通气孔均匀间隔布置，间隔距离为8d～15d，便于加工。通气孔26～29的中心线至前缘滞止点的弧长分别对应导向叶片的叶盆弧长的比值的取值范围为：0．05～0．08，0．12～0．16，0．4～0．44，0．52～0．56，通气孔26～29在冲击管体20的壁面纵向成排延伸，且每一排的通气孔均匀间隔布置，间隔距离为8d～15d，便于加工。纵向顺次设置多排通气孔，冷气经此多排通气孔喷射至导向叶片的内壁面，实现气流对导向叶片的冲击冷却，进一步提高了冲击冷却效率，冷气消耗量少。

冲击管体20的内腔与冷气贯通，通气孔21～29从内腔引冷气对导向叶片的叶身前缘和中弦区域内壁进行了冲击冷却。为了提高冷却的效率，导向叶片的内壁凸设若干扰流柱，扰流柱可对冷却气流进行扰流，强化换热。

具体地，扰流柱包括多个叶背扰流凸台31和叶盆扰流凸台32。其中，叶背扰流凸台31和叶盆扰流凸台32均贯通冲击管体20与导向叶片之间的间隙后抵靠于冲击管体20。在本实施例中，叶背扰流凸台31在导向叶片的叶背至前缘滞止点8％～60％的型线区域布置6～9排，每一排叶背扰流凸台31横向等间距分布，相邻纵向两排叶背扰流凸台31交错排列，且纵向间距S3为5倍至10倍通气孔的直径；叶盆扰流凸台32在导向叶片的叶盆至前缘滞止点8％～60％的型线区域布置6～9排，每一排叶盆扰流凸台32横向等间距分布，相邻纵向两排叶盆扰流凸台32交错排列，且纵向间距S5为5倍至10倍通气孔的直径。

结合图3，扰流柱还包括前端横向扰流柱1、叶背扰流柱41、叶盆扰流柱42和尾端横向扰流柱5，前端横向扰流柱1设置于导向叶片的叶背和叶盆的转角的内腔处，即前缘滞止点处；叶背扰流柱41和叶盆扰流柱42相对设置，冲击管体20设置于叶背扰流柱41与前端横向扰流柱1之间；尾端横向扰流柱5设置于叶背扰流柱41的下方，并靠近导向叶片的尾缘，横向扰流柱5与导向叶片的叶盆和叶背均连接。

在本实施例中，叶背扰流柱41设置于导向叶片的叶背至前缘滞止点62％～66％的区域，叶背扰流柱41的直径为1．5d～3d，叶盆扰流柱42设置于导向叶片的叶盆前缘滞止点62％～66％的区域，叶盆扰流柱42与叶背扰流柱41结构相同，叶盆扰流柱42的直径为1．5d～3d。

前端横向扰流柱1的直径S8为1．5倍至3倍通气孔的直径，长度S2为5倍至10倍通气孔的直径，相邻两个间距S1为6倍至12倍通气孔的直径；尾端横向扰流柱5设置于导向叶片的叶盆至前缘滞止点71％～75％的区域之间，等间距的布置一排，间距S4为7倍至15倍通气孔的直径，每一个尾端横向扰流柱5的直径为1．5倍至3倍通气孔的直径。

尾端横向扰流柱5的下方设有多个偏劈缝6，偏劈缝6设置于导向叶片的叶背和叶盆的转角处的前方，导向叶片空腔内的气体通过偏劈缝6流出对导向叶片的尾缘叶盆侧进行气膜冷却。偏劈缝6布置于导向叶片的叶盆距离前缘滞止点77％～88％的区域，偏劈缝6的宽度S6为0．7倍至13倍通气孔的直径，高度7倍至12倍通气孔的直径；偏劈缝6的出口与导向叶片尾缘点的距离S7为10倍至20倍通气孔的直径。

冲击管体20的内腔与冷气贯通，通气孔21～29从内腔引冷气对导向叶片的叶身前缘和中弦区域内壁进行了冲击冷却，同时，在横向设置的前端横向扰流柱1、纵向设置的叶背扰流凸台31和叶盆扰流凸台32的扰流作用下，形成冲击冷却和扰流柱扰流的复合强化冷却。复合强化冷却的冷气向后流动在冲击管体20尾部汇合，在叶背扰流柱41、叶盆扰流柱42、尾端横向扰流柱5的扰流作用下，对临近尾缘区域的导向叶片叶身内壁面进行扰流强化冷却。冷气继续向后流动，从导向叶片的尾缘叶盆偏劈缝6流出，流出的气流对叶片尾缘叶盆侧进行气膜冷却。

优选地，叶背扰流凸台31、叶盆扰流凸台32、叶背扰流柱41和叶盆扰流柱42均为半球形的圆凸台，扰流柱的圆凸台顶端与冲击管体20的外壁面接触，以保证冲击管体20外壁面与叶身内壁面的空隙距离，光滑顶部可减小冲击管体20安装时的阻力。前端横向扰流柱1和尾端横向扰流柱5均为圆柱形结构，便于加工和装配。

本发明的导向叶片的冷却装置，其冲击管体20内嵌于导向叶片内腔，贯通于导向叶片的空腔且与空腔的端面齐平，齐平的两端与导向叶片的两端均紧密贴合，用于密封冲击管体20与导向叶片间隙之间的冷气。导向叶片的叶身前缘和中弦区域内壁采用复合强化冷却，即通气孔的冲击冷却和扰流柱的扰流冷却的叠加形成的复合强化冷却；导向叶片的临近尾缘的区域内壁采用扰流强化冷却；导向叶片的尾缘叶盆侧采用气膜冷却。此结构简单．、紧凑，装配简易，且冷却效率高，冷气的消耗量少。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种导向叶片的冷却装置，所述导向叶片为空心结构，其特征在于，包括：内嵌于所述导向叶片的空腔内的冲击管体(20)，

所述冲击管体(20)为空心结构，所述冲击管体(20)的内腔与冷气贯通；所述冲击管体(20)的壁面开设多个与所述冲击管体(20)的内腔贯通的通气孔，所述通气孔的开口朝向导向叶片的内壁面，所述冲击管体(20)与导向叶片之间留有间隙，所述通气孔与所述间隙贯通；所述通气孔的直径为d；

所述冲击管体(20)贯通于所述导向叶片的空腔且与所述空腔的端面齐平，所述齐平的两端与所述导向叶片的两端均紧密贴合，用于密封所述冲击管体(20)与所述导向叶片间隙之间的冷气；

所述导向叶片的内壁凸设扰流柱，所述扰流柱包括多个叶背扰流凸台(31)和叶盆扰流凸台(32)，

所述叶背扰流凸台(31)和叶盆扰流凸台(32)均贯通所述冲击管体(20)与导向叶片之间的间隙后抵靠于所述冲击管体(20)；

所述扰流柱还包括前端横向扰流柱(1)、叶背扰流柱(41)、叶盆扰流柱(42)和尾端横向扰流柱(5)，

所述前端横向扰流柱(1)设置于所述导向叶片的叶背和叶盆的转角的内腔处；

所述叶背扰流柱(41)和叶盆扰流柱(42)相对设置，所述冲击管体(20)设置于所述叶背扰流柱(41)与所述前端横向扰流柱(1)之间；

所述尾端横向扰流柱(5)设置于所述叶背扰流柱(41)的下方，并靠近所述导向叶片的尾缘，所述横向扰流柱(5)与导向叶片的叶盆和叶背均连接；

所述尾端横向扰流柱(5)的下方设有多个偏劈缝(6)，所述偏劈缝(6)设置于所述导向叶片的叶背和叶盆的转角处的前方，所述导向叶片空腔内的气体通过所述偏劈缝(6)流出对所述导向叶片的尾缘进行气膜冷却；

在一横截面上，所述冲击管体(20)布置9个通气孔(21～29)，

所述通气孔(21～24)与所述导向叶片的叶背同侧，所述通气孔(26～29)与所述导向叶片的叶盆同侧，所述通气孔(25)的开口朝向所述导向叶片的前缘滞止点，所述前缘滞止点位于所述导向叶片的叶背和叶盆的转角处。

2.根据权利要求1所述的导向叶片的冷却装置，其特征在于，所述冲击管体(20)与导向叶片的贴合处一端自由贴合，另一端固定密封。

3.根据权利要求1所述的导向叶片的冷却装置，其特征在于，所述叶背扰流凸台(31)在所述导向叶片的叶背至所述前缘滞止点8％～60％的型线区域布置6～9排，

每一排所述叶背扰流凸台(31)横向等间距分布，相邻纵向两排所述叶背扰流凸台(31)交错排列，且纵向间距S3为5倍至10倍通气孔的直径；

所述叶盆扰流凸台(32)在所述导向叶片的叶盆至所述前缘滞止点8％～60％的型线区域布置6～9排，每一排所述叶盆扰流凸台(32)横向等间距分布，相邻纵向两排所述叶盆扰流凸台(32)交错排列，且纵向间距S5为5倍至10倍通气孔的直径。

4.根据权利要求1所述的导向叶片的冷却装置，其特征在于，所述叶背扰流柱(41)设置于所述导向叶片的叶背至所述前缘滞止点62％～66％的区域，所述叶背扰流柱(41)的直径为1.5d～3d，所述叶盆扰流柱(42)与所述叶背扰流柱(41)结构相同；

所述前端横向扰流柱(1)的直径S8为1.5倍至3倍通气孔的直径，长度S2为5倍至10倍通气孔的直径，相邻两个间距S1为6倍至12倍通气孔的直径；

所述尾端横向扰流柱(5)设置于所述导向叶片的叶盆至所述前缘滞止点71％～75％的区域之间，等间距的布置一排，间距S4为7倍至15倍通气孔的直径，直径为1.5倍至3倍通气孔的直径。

5.根据权利要求1所述的导向叶片的冷却装置，其特征在于，所述偏劈缝(6)布置于所述导向叶片的叶盆距离所述前缘滞止点77％～88％的区域，

所述偏劈缝(6)的宽度S6为0.7倍至13倍通气孔的直径，高度S5为7倍至12倍通气孔的直径；

所述偏劈缝(6)的出口与所述导向叶片尾缘点的距离S7为10倍至20倍通气孔的直径。

6.根据权利要求1所述的导向叶片的冷却装置，其特征在于，所述通气孔(21～24)的中心线至所述前缘滞止点的弧长分别对应所述导向叶片的叶背弧长的比值的取值范围为：0.11～0.15，0.23～0.27，0.4～0.44，0.52～0.56，

所述通气孔(21～24)在所述冲击管体(20)的壁面纵向成排延伸，且每一排的所述通气孔均匀间隔布置，间隔距离为8倍至15倍通气孔的直径。

7.根据权利要求1所述的导向叶片的冷却装置，其特征在于，所述通气孔(26～29)的中心线至所述前缘滞止点形成的弧长分别对应所述导向叶片的叶盆弧长的比值的取值范围为：0.05～0.08，0.12～0.16，0.4～0.44，0.52～0.56，

所述通气孔(26～29)在所述冲击管体(20)的壁面纵向成排延伸，且每一排的所述通气孔均匀间隔布置，间隔距离为8倍至15倍通气孔的直径。

8.根据权利要求1所述的导向叶片的冷却装置，其特征在于，所述通气孔的孔径d为0.5mm～1.5mm。