CN106065785A - 涡轮转子冷却叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涡轮转子冷却叶片，包括榫头和叶身；叶身上设有独立的供第一冷却气流通过以冷却叶片前缘的第一腔室，第一腔室从叶片叶根朝叶片叶尖的方向延伸；第一冷却气流从榫头上的第一进气口进入第一腔室、并由叶片叶尖处的第一排气口排出；叶身上还设有供第二冷却气流通过以冷却叶片的中弦区域的第二腔室、第三腔室及第四腔室，第二腔室、第三腔室及第四腔室从叶片前缘朝叶片尾缘的方向依次布置，第二腔室、第三腔室及第四腔室均从叶片叶根朝叶片叶尖的方向延伸且第四腔室、第三腔室及第二腔室依次首尾连通；从第二进气口进入的第二冷却气流进入第四腔室，再依次进入第三腔室和第二腔室，最后由叶片叶尖上的第二排气口排出。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机领域，特别地，涉及一种涡轮转子冷却叶片。
背景技术
目前，国内外应用较多的冷却技术有径向通道对流冷却、冲击冷却、气膜冷却、粗糙表面强化换热、尾缘劈缝冷却等。
叶片径向直流内冷通道是最简单的冷却形式，冷却气体在通道内流动，通过对流换热吸收热量，达到降低叶片本体温度的目的；气膜冷却是由叶片壁面上的喷口喷出冷气来阻隔主燃气流对壁面加热的一种冷却方式，另外，气膜也可以保护恶劣环境中的工作表面不被腐蚀；冲击冷却属于对流换热，在冷气流冲击的驻点区壁面上有很高的换热系数，因此可以利用这种冷却方式对表面施以重点冷却。转子叶片的冷却一般选用以上几种冷却方式合理组合后进行复合冷却。
现有叶片冷却结构难以满足涡轮进口温度为1700K的耐高温需求，叶片前缘、叶片中弦区域、叶片尾缘或叶尖温度过高，易发生高温烧蚀等故障。
发明内容
本发明提供了一种涡轮转子冷却叶片，以解决现有的涡轮转子冷却叶片存在的叶片前缘和叶片中弦区域易发生高温烧蚀等故障的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种涡轮转子冷却叶片，包括榫头和与榫头相连的叶身；叶身上设有独立的供第一冷却气流通过以冷却叶片前缘的第一腔室，第一腔室从叶片叶根朝叶片叶尖的方向延伸；第一冷却气流从榫头上的第一进气口进入第一腔室、并由叶片叶尖处的第一排气口向外排出；叶身上还设有供第二冷却气流通过以冷却叶片的中弦区域的第二腔室、第三腔室及第四腔室，第二腔室、第三腔室及第四腔室从叶片前缘朝叶片尾缘的方向依次布置且第二腔室靠近第一腔室，第二腔室、第三腔室及第四腔室均从叶片叶根朝叶片叶尖的方向延伸且第四腔室、第三腔室及第二腔室依次首尾连通；第二冷却气流从榫头上的第二进气口进入第四腔室，再由第四腔室依次进入第三腔室和第二腔室，最后由第二腔室处的叶片叶尖上的第二排气口向外排出。
进一步地，第四腔室的进流端与第二进气口连通，其出流端与第三腔室的进流端连通，第四腔室和第三腔室构成呈“U”型的第一气流通道；第三腔室的出流端与第二腔室的进流端连通，第二腔室的出流端与第二排气口连通，第三腔室和第二腔室构成呈“U”型的第二气流通道。
进一步地，第一腔室、第二腔室、第三腔室及第四腔室内各设有多根用于扰动气流以增加换热面积提高换热效果的第一粗糙肋，各第一粗糙肋沿叶片弦向延伸，且多根第一粗糙肋沿叶片叶根至叶片叶尖方向依次排列。
进一步地，第一腔室、第二腔室及第三腔室内的第一粗糙肋的径向间距S1均相等、肋宽S2均相等、肋高S3均相等。
进一步地，径向间距S1为1.6～7.5mm，肋宽S2为0.3～0.6mm，肋高S3为0.2～0.6mm。
进一步地，第四腔室内的第一粗糙肋的肋宽S2和肋高S3均在叶片前缘至叶片尾缘的方向上逐渐递减为零，第四腔室内的第一粗糙肋的径向间距S1在叶片前缘至叶片尾缘的方向上不变。
进一步地，第四腔室和第三腔室的连通处、第三腔室与第二腔室的连通处各设有呈扇形排列的用于扰动气流以增加换热面积提高换热效果的第二粗糙肋。
进一步地，叶身上靠近叶片尾缘处设有用于冷却叶片尾缘的劈缝结构，劈缝结构与第四腔室连通；由第二进气口进入第四腔室内的冷却气流的一部分构成用于冷却叶片的中弦区域的第二冷却气流，其余部分冷却气流构成用于冷却叶片尾缘的第三冷却气流，第三冷却气流由劈缝结构向外流出。
进一步地，劈缝结构包括沿叶片叶根至叶片叶尖依次排列的多段劈缝，各劈缝的缝宽L1为1.3～5mm，相邻劈缝之间的肋宽L2为0.3～1mm；第三冷却气流在劈缝结构处的气流高度为0.35～1mm。
进一步地，叶片叶尖处设有用于降低叶片叶尖的温度同时减少叶片叶尖处燃气泄露的凹槽；凹槽的深度H1为1.2～2mm，凹槽与叶片叶背之间的壁厚H2为0.8～1.5mm。
本发明具有以下有益效果：
本发明的涡轮转子冷却叶片中，由于叶片前缘受热冲击最大，故而设置独立的第一腔室以对叶片前缘进行对流冷却，尽量使前缘的冷却不受其它因素的影响限制，以保证前缘能抵抗1700K燃气流的直接热冲击，避免叶片前缘发生高温烧蚀故障；同时，由于叶片的中弦区域较厚、受热冲击相对较小，故而采用多腔回流的冷却方式对叶片的中弦区域进行冷却，此种冷却结构冷气利用充分，能在保证材料温度要求的前提下，消耗较少的冷气量，且使叶片的温度分布均匀，叶片的热应力小。
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涡轮转子冷却叶片的剖视结构示意图；
图2是图1中涡轮转子冷却叶片的叶片腔室的截面结构示意图；
图3是图1中涡轮转子冷却叶片的腔室内部流路图。
图例说明
10、榫头；101、第一进气口；102、第二进气口；20、叶身；201、第一腔室；202、第二腔室；203、第三腔室；204、第四腔室；205、第一排气口；206、第二排气口；207、劈缝；208、凹槽；30、第一冷却气流；40、第二冷却气流；50、第一粗糙肋；60、第三冷却气流。
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。
参照图1至图3，本发明的优选实施例提供了一种涡轮转子冷却叶片，包括榫头10和与榫头10相连的叶身20；叶身20上设有独立的供第一冷却气流30通过以冷却叶片前缘的第一腔室201，第一腔室201从叶片叶根朝叶片叶尖的方向延伸；第一冷却气流30从榫头10上的第一进气口101进入第一腔室201、并由叶片叶尖处的第一排气口205向外排出；叶身20上还设有供第二冷却气流40通过以冷却叶片的中弦区域的第二腔室202、第三腔室203及第四腔室204，第二腔室202、第三腔室203及第四腔室204从叶片前缘朝叶片尾缘的方向依次布置且第二腔室202靠近第一腔室201，第二腔室202、第三腔室203及第四腔室204均从叶片叶根朝叶片叶尖的方向延伸且第四腔室204、第三腔室203及第二腔室202依次首尾连通；第二冷却气流40从榫头10上的第二进气口102进入第四腔室204，再由第四腔室204依次进入第三腔室203和第二腔室202，最后由第二腔室202处的叶片叶尖上的第二排气口206向外排出。由于叶片前缘是受热冲击最大的区域，故本发明的涡轮转子冷却叶片中，通过设置独立的第一腔室201，由榫头10上的第一进气口101进入的第一冷却气流30通过独立设置的第一腔室201后由叶片叶尖处的第一排气口205向外排出，从而在第一腔室201内形成对流冷却回路以单独对叶片前缘进行对流冷却；又由于叶片的中弦区域较厚、受热冲击相对较小，故而本发明的涡轮转子冷却叶片中，采用多腔回流的冷却方式对叶片的中弦区域进行冷却，即通过设置首尾依次相连的第四腔室204、第三腔室203及第二腔室202，由榫头10上的第二进气口102进入的第二冷却气流40依次通过第四腔室204、第三腔室203及第二腔室202后由第二腔室202处的叶片叶尖上的第二排气口206向外排出，从而实现对叶片中弦区域进行冷却。本发明的涡轮转子冷却叶片中，由于叶片前缘受热冲击最大，故而设置独立的第一腔室201以对叶片前缘进行对流冷却，尽量使前缘的冷却不受其它因素的影响限制，以保证前缘能抵抗1700K燃气流的直接热冲击，避免叶片前缘发生高温烧蚀故障；同时，由于叶片的中弦区域较厚、受热冲击相对较小，故而采用多腔回流的冷却方式对叶片的中弦区域进行冷却，此种冷却结构冷气利用充分，能在保证材料温度要求的前提下，消耗较少的冷气量，且使叶片的温度分布均匀，叶片的热应力小。
可选地，如图3所示，第四腔室204的进流端与第二进气口102连通，其出流端与第三腔室203的进流端连通，第四腔室204和第三腔室203构成呈“U”型的第一气流通道。第三腔室203的出流端与第二腔室202的进流端连通，第二腔室202的出流端与第二排气口206连通，第三腔室203和第二腔室202构成呈“U”型的第二气流通道。通过设置呈“U”型的第一气流通道和呈“U”型的第二气流通道以对叶片的中弦区域进行冷却，不仅可以充分利用冷气，减少冷气消耗量，且能使叶片的温度分布均匀，叶片的热应力小。
可选地，如图1所示，为强化换热效果，本实施例中，在第一腔室201、第二腔室202、第三腔室203及第四腔室204内各设有多根用于扰动气流以增加换热面积提高换热效果的第一粗糙肋50，各第一粗糙肋50沿叶片弦向(指叶背至叶盆的方向)延伸，且多根第一粗糙肋50沿叶片叶根至叶片叶尖方向依次排布。本发明中，每个第一粗糙肋50作为一个扰流元件，使流体发生边界层脱离而形成强度不同、尺度不等的漩涡，这些漩涡改变了流体的流动结构，通过近壁区流体湍流度的增加以及大涡与主流间周期性的质量交换使得换热过程得到显著强化，从而达到增加换热面积提高换热效果的目的。
本实施例中，第一腔室201、第二腔室202及第三腔室203内的第一粗糙肋50的径向间距S1均相等、肋宽S2均相等、肋高S3均相等。本优选实施例中，径向间距S1为1.6～7.5mm，肋宽S2为0.3～0.6mm，肋高S3为0.2～0.6mm。本具体实施例中，根据第一腔室201、第二腔室202及第三腔室203的具体尺寸及叶片需要达到的换热效果，第一腔室201、第二腔室202及第三腔室203内的第一粗糙肋50的径向间距S1为3mm，肋宽S2为0.5mm，肋高S3为0.45mm，该尺寸的第一粗糙肋50能在满足尺寸限制要求、加工要求、强度要求等前提下，使叶片的换热面积最大、且换热效果最高。
本实施例中，第四腔室204内的第一粗糙肋50的肋宽S2和肋高S3均在叶片前缘至叶片尾缘的方向上逐渐递减为零，第四腔室204内的第一粗糙肋50的径向间距在叶片前缘至叶片尾缘的方向上不变。如图2所示，由于第四腔室204在叶片前缘至叶片尾缘的方向上的截面宽度逐渐变小，为适应第四腔室204的变化，本具体实施例中，第四腔室204内的第一粗糙肋50的肋宽S2和肋高S3均在叶片前缘至叶片尾缘的方向上逐渐递减为零，且第四腔室204内的第一粗糙肋50的径向间距在叶片前缘至叶片尾缘的方向上不变。
优选地，为进一步增加换热面积提高换热效果，本优选实施例中，第四腔室204和第三腔室203的连通处、第三腔室203与第二腔室202的连通处各设有呈扇形排列的用于扰动气流以增加换热面积提高换热效果的第二粗糙肋。
可选地，如图1所示，叶片尾缘是叶片最薄弱的区域，是冷却设计的难点之一，本实施例中，叶身20上靠近叶片尾缘处设有用于冷却叶片尾缘的劈缝结构，劈缝结构与第四腔室204连通。由第二进气口102进入第四腔室204内的冷却气流的一部分构成用于冷却叶片的中弦区域的第二冷却气流40，其余部分冷却气流构成用于冷却叶片尾缘的第三冷却气流60，第三冷却气流60由劈缝结构向外流出。通过设计劈缝结构，使由第二进气口102进入第四腔室204的冷却气流的一部分由该劈缝结构处向外流出形成气膜而冷却叶片尾缘，从而可避免叶片尾缘发生高温烧蚀故障。
本实施例中，如图1所示，劈缝结构包括沿叶片叶根至叶片叶尖依次排列的多段劈缝207，各劈缝207的缝宽L1为1.3～5mm，相邻劈缝207之间的肋宽L2为0.3～1mm；第三冷却气流60在劈缝结构处的气流高度为0.35～1mm。根据叶片的流量要求和叶片尾缘的具体尺寸限制，本具体实施例中，各劈缝207的缝宽L1为1.2mm，缝高为0.8mm，相邻劈缝207之间的肋宽L2为0.45mm，此结构尺寸可同时满足叶片尾缘温度要求、流量要求及强度要求。
可选地，如图1所示，叶尖位置不可避免会发生燃气泄漏，叶尖燃气泄漏不仅带来气动性能损失，更导致叶尖位置的高热负荷，本实施例中，叶片叶尖处设有用于降低叶片叶尖的温度同时减少叶片叶尖处泄露的凹槽208。凹槽208的深度H1为1.2～2mm，凹槽208与叶片叶背之间的壁厚H2为0.8～1.5mm，该尺寸的凹槽208不仅能有效防止叶片叶尖高温烧蚀故障，还可减少叶片叶尖处泄漏。本具体实施例中，凹槽208的深度H1为1.5mm，凹槽208与叶片叶背之间的壁厚H2为1mm，在满足叶尖强度要求的前提下，尽可能的降低叶片叶尖的温度，减少叶片叶尖处泄漏。
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 (10)
1.一种涡轮转子冷却叶片，其特征在于，包括榫头(10)和与所述榫头(10)相连的叶身(20)；
所述叶身(20)上设有独立的供第一冷却气流(30)通过以冷却叶片前缘的第一腔室(201)，所述第一腔室(201)从叶片叶根朝叶片叶尖的方向延伸；
所述第一冷却气流(30)从所述榫头(10)上的第一进气口(101)进入所述第一腔室(201)、并由所述叶片叶尖处的第一排气口(205)向外排出；
所述叶身(20)上还设有供第二冷却气流(40)通过以冷却所述叶片的中弦区域的第二腔室(202)、第三腔室(203)及第四腔室(204)，所述第二腔室(202)、所述第三腔室(203)及所述第四腔室(204)从所述叶片前缘朝叶片尾缘的方向依次布置且所述第二腔室(202)靠近所述第一腔室(201)，所述第二腔室(202)、所述第三腔室(203)及所述第四腔室(204)均从所述叶片叶根朝所述叶片叶尖的方向延伸且所述第四腔室(204)、所述第三腔室(203)及所述第二腔室(202)依次首尾连通；
所述第二冷却气流(40)从所述榫头(10)上的第二进气口(102)进入所述第四腔室(204)，再由所述第四腔室(204)依次进入所述第三腔室(203)和所述第二腔室(202)，最后由所述第二腔室(202)处的所述叶片叶尖上的第二排气口(206)向外排出。
2.根据权利要求1所述的涡轮转子冷却叶片，其特征在于，
所述第四腔室(204)的进流端与所述第二进气口(102)连通，其出流端与所述第三腔室(203)的进流端连通，所述第四腔室(204)和所述第三腔室(203)构成呈“U”型的第一气流通道；
所述第三腔室(203)的出流端与所述第二腔室(202)的进流端连通，所述第二腔室(202)的出流端与所述第二排气口(206)连通，所述第三腔室(203)和所述第二腔室(202)构成呈“U”型的第二气流通道。
3.根据权利要求1所述的涡轮转子冷却叶片，其特征在于，
所述第一腔室(201)、所述第二腔室(202)、所述第三腔室(203)及所述第四腔室(204)内各设有多根用于扰动气流以增加换热面积提高换热效果的第一粗糙肋(50)；
各所述第一粗糙肋(50)沿叶片弦向延伸，且多根所述第一粗糙肋(50)沿所述叶片叶根至所述叶片叶尖方向依次排列。
4.根据权利要求3所述的涡轮转子冷却叶片，其特征在于，
所述第一腔室(201)、所述第二腔室(202)及所述第三腔室(203)内的所述第一粗糙肋(50)的径向间距S1均相等、肋宽S2均相等、肋高S3均相等。
5.根据权利要求4所述的涡轮转子冷却叶片，其特征在于，
所述径向间距S1为1.6～7.5mm，所述肋宽S2为0.3～0.6mm，所述肋高S3为0.2～0.6mm。
6.根据权利要求3所述的涡轮转子冷却叶片，其特征在于，
所述第四腔室(204)内的所述第一粗糙肋(50)的肋宽S2和肋高S3均在所述叶片前缘至所述叶片尾缘的方向上逐渐递减为零，所述第四腔室(204)内的所述第一粗糙肋(50)的径向间距S1在所述叶片前缘至所述叶片尾缘的方向上不变。
7.根据权利要求1所述的涡轮转子冷却叶片，其特征在于，
所述第四腔室(204)和所述第三腔室(203)的连通处、所述第三腔室(203)与所述第二腔室(202)的连通处各设有呈扇形排列的用于扰动气流以增加换热面积提高换热效果的第二粗糙肋。
8.根据权利要求1所述的涡轮转子冷却叶片，其特征在于，
所述叶身(20)上靠近所述叶片尾缘处设有用于冷却所述叶片尾缘的劈缝结构，所述劈缝结构与所述第四腔室(204)连通；
由所述第二进气口(102)进入所述第四腔室(204)内的冷却气流的一部分构成用于冷却所述叶片的中弦区域的所述第二冷却气流(40)，其余部分冷却气流构成用于冷却所述叶片尾缘的第三冷却气流(60)，所述第三冷却气流(60)由所述劈缝结构向外流出。
9.根据权利要求8所述的涡轮转子冷却叶片，其特征在于，
所述劈缝结构包括沿所述叶片叶根至所述叶片叶尖依次排列的多段劈缝(207)，各所述劈缝(207)的缝宽L1为1.3～5mm，缝高为0.35～1mm，相邻所述劈缝(207)之间的肋宽L2为0.3～1mm。
10.根据权利要求1所述的涡轮转子冷却叶片，其特征在于，
所述叶片叶尖处设有用于降低所述叶片叶尖的温度同时减少所述叶片叶尖处燃气泄露的凹槽(208)；
所述凹槽(208)的深度H1为1.2～2mm，所述凹槽(208)与叶片叶背之间的壁厚H2为0.8～1.5mm。
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