CN107035428A - 涡轮导向叶片及其换热结构 - Google Patents

Abstract

本公开是关于一种涡轮导向叶片及其换热结构，涉及涡轮发动机冷却技术领域，本公开的涡轮导向叶片的换热结构，应用于涡轮导向叶片缘板与机匣之间的腔室内，换热结构包括：多个进气孔、多个出气孔以及设置于进气孔与出气孔之间的扰流柱；其中多个进气孔开设于机匣靠近腔室前端的壁面上，低温气体通过进气孔向腔室输送；多个出气孔开设于导向叶片缘板靠近腔室后端的壁面上，经换热后的低温气体通过出气孔送出；扰流柱设于腔室内，低温气体进入腔室后通过扰流柱交换热量。一方面可以增大导向叶片缘板的换热面积和换热系数，强化换热效果，防止缘板烧蚀；另一方面可以提高冷却效率，采用相同或更少的冷气量，进一步减少对发动机性能产生的不良影响。

Description

涡轮导向叶片及其换热结构

技术领域

本公开涉及涡轮发动机冷却技术领域，具体而言，涉及一种涡轮导向叶片及其换热结构。

背景技术

相关技术中的燃气涡轮发动机以及地面燃机中，因涡轮流道内燃气温度很高，特别是涡轮进口处最高温度可能达到1500℃，涡轮导向叶片的工作环境十分恶劣。需对导向叶片的缘板进行冷却以防止烧蚀。通常的做法是让发动机中温度较低的气体流过导向叶片缘板，在低温气体流通的过程中带走缘板上的热量，以达到降低导向叶片缘板的温度的目的。

在发动机中，低温气体即冷气的用量大小是影响发动机性能的重要指标。为保证导叶缘板不被烧蚀，通常采用加大冷气量的，但同时冷气对发动机的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，进而提高发动机的综合使用性能。如何使用较少的冷却气来实现缘板最佳的冷却效果是发动机导向叶片缘板的设计难点之一。

因此，有必要研究一种涡轮导向叶片及其换热结构。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种涡轮导向叶片，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的气流消耗量大的问题。

本公开的目的在于提供一种换热结构，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的气流消耗量大的问题。

根据本公开的一个方面，提供一种涡轮导向叶片的换热结构，应用于涡轮导向叶片缘板与机匣之间的腔室内，所述腔室靠近燃气进口处为其前端，所述腔室靠近燃气出口处为其后端，所述换热结构包括：多个进气孔、多个出气孔以及扰流柱；多个进气孔开设于所述机匣靠近所述腔室前端的壁面上，所述进气孔与所述腔室贯通，通过所述进气孔向所述腔室输送低温气体；多个出气孔开设于所述导向叶片缘板靠近所述腔室后端的壁面上，所述出气孔与所述腔室贯通，经换热后的低温气体通过所述出气孔送出；扰流柱设于所述腔室内，所述扰流柱设置于所述进气孔与所述出气孔之间。

在本公开的一种示例性实施例中，所述导向叶片缘板上设置有第一凸环，所述第一凸环将所述腔室分割为靠近所述腔室前端的第一空间及靠近所述腔室后端的第二空间；所述换热结构还包括：

连通孔，开设于所述第一凸环上，所述连通孔用以连通所述第一空间及第二空间。

在本公开的一种示例性实施例中，所述扰流柱设于所述导向叶片缘板的壁面上，所述扰流柱接近或对齐导向叶片与所述导向叶片缘板连接的叶根部。

在本公开的一种示例性实施例中，所述扰流柱分布在所述第二空间以及/或者所述第一空间。

在本公开的一种示例性实施例中，所述扰流柱的数量为多个，包括多个在环向上相互间隔的所述扰流柱，或者环向上延伸的所述扰流柱开设有多个轴向延伸的凹槽。

在本公开的一种示例性实施例中，多个所述扰流柱的排布延伸方向与所述低温气体的流动方向相交叉。

在本公开的一种示例性实施例中，多个所述扰流柱以叉排形式或顺排形式布置。

在本公开的一种示例性实施例中，所述扰流柱的结构为平直的柱体，所述柱体垂直于设置有该扰流柱的导向叶片缘板的壁面。

在本公开的一种示例性实施例中，多个所述进气孔的出气端相对其进气端更靠近所述腔室前端。

根据本公开的另一个方面，提供一种涡轮导向叶片，包括如上述任意一项所述的换热结构。

由上述技术方案可知，本发明的一种涡轮导向叶片的换热结构，其优点和积极效果在于：

本公开提供的一种涡轮导向叶片的换热结构，应用于涡轮导向叶片缘板与机匣之间的腔室内，换热结构包括：多个进气孔、多个出气孔以及设置于进气孔与出气孔之间的扰流柱；其中多个进气孔开设于机匣靠近腔室前端的壁面上，低温气体通过进气孔向腔室输送；多个出气孔开设于导向叶片缘板靠近腔室后端的壁面上，经换热后的低温气体通过出气孔送出；扰流柱设于腔室内，低温气体进入腔室后通过扰流柱交换热量。

冷气经过扰流柱换热后再排入主流道中，一方面可以增大导向叶片缘板的换热面积和换热系数，强化换热效果，防止缘板烧蚀；另一方面可以提高冷却效率，采用相同或更少的冷气量，进一步减少对发动机性能产生的不良影响。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性示出相关技术中导向叶片缘板冷却结构剖面单侧示意图。

图2示意性示出本公开示例性实施例中导向叶片缘板冷却结构剖面单侧示意图。

附图标记说明如下：

1、导向叶片；2、导向叶片缘板；3、机匣；4、进气孔；5、出气孔；6、连通孔；10、导向叶片；20、导向叶片缘板；30、机匣；40、进气孔；50、出气孔；60、连通孔；70、扰流柱；

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”、“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

用语“一个”、“一”、“该”和“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

图1示意性示出相关技术中导向叶片缘板冷却结构剖面示意图。相关技术中为了对导向叶片1的缘板进行冷却以防止烧蚀，如图1所示，通常的做法是让发动机中温度较低的气体流过导向叶片缘板2与机匣3形成的腔室中，低温气体通过进气孔4进入到腔室中，流经过连通孔6，流通的过程中带走缘板上的热量，最后通过出气孔5流出，以达到降低导向叶片缘板的温度的目的。为保证导向叶片缘板不被烧蚀，通常采用加大冷气量的，但同时冷气对发动机的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，进而提高发动机的综合使用性能。如何使用较少的冷却气来实现缘板最佳的冷却效果是发动机导向叶片缘板的设计难点之一。

图2示意性示出本公开示例性实施例中导向叶片缘板冷却结构的剖面单侧示意图。为便于显示细节，图中只是显示了一个回转体的单侧结构。

根据本公开的一个方面，如图2所示，提供了一种涡轮导向叶片的换热结构，应用于涡轮导向叶片缘板与机匣之间的腔室内，腔室靠近燃气进口处为其前端，腔室靠近燃气出口处为其后端。

本公开提供的一种涡轮导向叶片的换热结构，应用于涡轮导向叶片缘板与机匣之间的腔室内，该换热结构可以包括：多个进气孔40、多个出气孔50以及设置于进气孔40与出气孔50之间的扰流柱70。其中多个进气孔50选择开设于机匣30靠近腔室前端的壁面上，低温气体可通过进气孔40向腔室输送；多个出气孔50开设于导向叶片缘板靠近腔室后端的壁面上，经换热后的低温气体通过出气孔50送出；扰流柱70设于腔室内，低温气体进入腔室后通过扰流柱70交换热量。

冷气经过扰流柱换热后再排入主流道中，一方面可以增大导向叶片缘板的换热面积和换热系数，强化换热效果，防止缘板烧蚀；另一方面可以提高冷却效率，采用相同或更少的冷气量，进一步减少对发动机性能产生的不良影响。

下面，将对本示例实施方式中的涡轮导向叶片的换热结构进行进一步的说明。

在本示例实施例中，本公开所提供的涡轮导向叶片的换热结构主要用于将导向叶片10的热量通过导向叶片的叶根部传导至导向叶片缘板20上，进一步通过设于导向叶片缘板20上的扰流柱70，与低温气流充分接触，与低温气体进行热量交换而实现换热降温功能。

如图2所示，本示例实施例所提供的涡轮导向叶片10与机匣30实现连接，可在导向叶片缘板20面向机匣30的一侧设置有第一凸环，第一凸环可将导向叶片缘板20与机匣30之间的腔室分割为靠近腔室前端的第一空间及靠近腔室后端的第二空间。为实现低温气体在整个腔室的流通，可以在第一凸环上开设连通孔60，用以连通第一空间及第二空间以使低温气体自第一空间流经连通孔60进入第二空间。进一步的，连通孔60的数量选择为沿周向间隔设置的多个，一方面可以减少低温气体流通的阻力，另一方面低温气体在通过连通孔60的过程中也可以进行部分热量交换，以减缓导向叶片缘板20的高温压力。

如图2所示，根据一示例性实施例，多个进气孔40可以开设于机匣30靠近腔室前端的壁面上，多个进气孔40与腔室贯通以向腔室输送低温气体。多个进气孔40可以在环向上以叉排形式或顺排形式布置，也可以以其他方式排列，本公开在此不做特殊限定。

进一步的，多个进气孔40的轴向方向可以设置为：使进气孔的出气端相对其进气端更靠近腔室前端，这样做的好处是可以加大低温气体在腔室内的行程及有效换热面积，降低入气速度，进而使热量交换更加充分，强化换热效果。

本示例实施例中的换热结构还可以包括：多个出气孔50，多个出气孔50可以开设于导向叶片缘板靠近腔室后端的壁面上，出气孔50与腔室贯通以将经换热后的低温气体送出，类似的，出气孔可以在环向上以叉排形式或顺排形式布置，也可以以其他方式排列，本公开在此不做特殊限定。

进一步的，出气孔50选择为顺向燃气流动方向倾斜设置，以便于将换热后气体有效排出，在第一空间及第二空间形成负压环境，保证气体流向稳定。同时，能避免高温燃气影响第一空间及第二空间温度。

扰流柱70设置在低温气体流经的腔室内，流经的低温气体在扰流柱70的作用下可发生湍流，且扰流柱70自身也可以充当传热元件，进而增强低温气体的冷却效率。

具体而言，扰流柱70可设于腔室内部，位于进气孔40与出气孔50之间。扰流柱可设于导向叶片缘板20的位于腔室内的壁面上。由于热量主要集中在导向叶片10的叶根部，可以设置扰流柱70的位置尽量接近或对齐导向叶片10与导向叶片缘板20连接的叶根部，以提高冷却效率。

进一步的，扰流柱70可以分布在第二空间及第一空间的两者或其一。本示例实施例中的换热结构的扰流柱70，在第二空间及第一空间两者中均有分布，在其他的实施例中，扰流柱70也可单独设置在第二空间或第一空间中，凡是靠近导向叶片10与导向叶片缘板20连接的叶根部的位置均可集中设置扰流柱70以提高冷却效率，本公开在此不做特殊限定。

在本示例实施例中，扰流柱70的数量可以为多个，还可以包括多个扰流柱在环向上相互间隔，或者在环向上延伸的扰流柱开设有多个轴向延伸的凹槽。为了增大有效换热面积，提高换热效果，可以设置多个扰流柱70的排布延伸方向与低温气体的流动方向相交叉。进一步的，在本示例实施例中，可以设置多个所述扰流柱70以叉排形式或顺排形式布置。

本示例实施例中采用的扰流柱的结构可以为平直的柱体，例如可以为圆柱形、水滴形扰流柱等，在其他的实施例中也可以为其他任意结构，本公开在此不做特殊限定。另外，扰流柱70的柱体可以垂直于设置有该扰流柱的导向叶片缘板的壁面。

根据本公开的第二方面，提供了一种涡轮导向叶片，该涡轮导向叶片至少包括了上述的换热结构。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种涡轮导向叶片的换热结构，应用于涡轮导向叶片缘板与机匣之间的腔室内，所述腔室靠近燃气进口处为其前端，所述腔室靠近燃气出口处为其后端，其特征在于，所述换热结构包括：

多个进气孔，开设于所述机匣靠近所述腔室前端的壁面上，所述进气孔与所述腔室贯通，通过所述进气孔向所述腔室输送低温气体；

多个出气孔，开设于所述导向叶片缘板靠近所述腔室后端的壁面上，所述出气孔与所述腔室贯通，经换热后的低温气体通过所述出气孔送出；

扰流柱，设于所述腔室内，所述扰流柱设置于所述进气孔与所述出气孔之间。

2.根据权利要求1所述的换热结构，其特征在于，所述导向叶片缘板上设置有第一凸环，所述第一凸环将所述腔室分割为靠近所述腔室前端的第一空间及靠近所述腔室后端的第二空间；所述换热结构还包括：

连通孔，开设于所述第一凸环上，所述连通孔用以连通所述第一空间及第二空间。

3.根据权利要求2所述的换热结构，其特征在于，所述扰流柱设于所述导向叶片缘板的壁面上，所述扰流柱接近或对齐导向叶片与所述导向叶片缘板连接的叶根部。

4.根据权利要求3所述的换热结构，其特征在于，所述扰流柱分布在所述第二空间以及/或者所述第一空间。

5.根据权利要求4所述的换热结构，其特征在于，所述扰流柱的数量为多个，包括多个在环向上相互间隔的所述扰流柱，或者环向上延伸的所述扰流柱开设有多个轴向延伸的凹槽。

6.根据权利要求5所述的换热结构，其特征在于，多个所述扰流柱的排布延伸方向与所述低温气体的流动方向相交叉。

7.根据权利要求6所述的换热结构，其特征在于，多个所述扰流柱以叉排形式或顺排形式布置。

8.根据权利要求7所述的换热结构，其特征在于，所述扰流柱的结构为平直的柱体，所述柱体垂直于设置有该扰流柱的导向叶片缘板的壁面。

9.根据权利要求8所述的换热结构，其特征在于，多个所述进气孔的出气端相对其进气端更靠近所述腔室前端。

10.一种涡轮导向叶片，其特征在于，包括如权利要求1～9任意一项所述的换热结构。