CN110043328A - 一种冷却式变几何低压涡轮导向叶片 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种冷却式变几何低压涡轮导向叶片，所述叶片包括叶身及与叶身一体式的旋转轴，所述旋转轴上设有冷气进口，在所述叶身内部具有相互独立的叶片冷却前腔、叶片冷却中腔和叶片冷却后腔，所述冷却进口与三条冷却通道分别连通，用于对叶片的前缘、叶片中部和叶片尾缘冷却。本申请的冷却式变几何低压涡轮导向叶片通过三条流路均独立供气排气，互不干扰，降低了叶片空气系统的设计难度，在满足叶片冷却需要的同时能够保证盘腔供气；叶片冷却结构设计考虑了变几何低压涡轮导向叶片特有的叶尖间隙泄漏问题，采取了叶尖封严措施，降低了燃气泄漏。

Description

一种冷却式变几何低压涡轮导向叶片
技术领域
本申请属于航空发动机技术领域，特别涉及一种冷却式变几何低压涡轮导向叶片。
背景技术
随着航空技术的发展，要求航空发动机要兼顾超声速、格斗和机动飞行状态的高单位推力，以及亚音速巡航、待机和空中巡逻的低耗流率。这一发展趋势促使研究人员提出了变循环发动机的概念，为了使变循环发动机的性能与效率在整个亚声速和超声速飞行期间最大化，设计者通过旋转导向叶片，调节涡轮导向器的喉道面积来改变通过它的空气流量，以满足不同的发动机工作状态。为实现导向叶片旋转，低压涡轮导向叶片的叶身与上下缘板分离，在叶身上下两端增加了旋转轴，形成变几何低压涡轮导向叶片。由于叶身与上下缘板分离，加之转轴的限制，叶片内腔冷却结构设计更为困难。常规结构低压涡轮导向叶片普遍采用的是单腔冷却结构，腔内安装冲击导管片。冷气由上缘板进入冲击导管，大部分冷气经过冲击导管后排入下缘板的盘腔，平衡转子轴向力；少量气体经过冲击导管上的冲击孔流出，形成对叶片局部高温区域的冲击冷却，强化换热，冲击后的冷却气体流向尾缘，从尾缘气膜孔排入主通道，形成气膜冷却。由于变几何低压涡轮导向叶片的结构限制，且其涡轮前温度进一步提高，在常规循环发动机中普遍采用的冷却结构已无法满足变几何低压涡轮导向叶片的要求，需要针对变几何低压涡轮导向叶片的特点开发一种新的冷却结构形式。
发明内容
本申请的目的是提供了一种冷却式变几何低压涡轮导向叶片，以解决上述任一问题。
本申请的技术方案是：一种冷却式变几何低压涡轮导向叶片，所述叶片包括叶身及与叶身一体式的旋转轴，所述旋转轴上设有冷气进口，在所述叶身内部具有相互独立的叶片冷却前腔、叶片冷却中腔和叶片冷却后腔，所述冷却进口与三条冷却通道分别连通，用于对叶片的前缘、叶片中部和叶片尾缘冷却。
在本申请中，所述叶片冷却前腔内设有横向的绕流肋，用于强化所述叶片冷却前腔对应区域的叶身外表面的换热。
在本申请中，还包括前缘冷却腔，所述前缘冷却腔与所述叶片冷却前腔连通，且在所述前缘冷却腔的前缘部位设有气膜孔。
在本申请中，所述叶片冷却中腔内设有横向的绕流肋，用于强化所述叶片冷却中腔对应区域的叶身外表面的换热。
在本申请中，所述叶片冷却后腔内设有绕流柱，用于强化所述叶片冷却后腔对应区域的叶身外表面的换热和提高结构强度。
在本申请中，在所述叶片尾缘设有气膜孔，所述气膜孔连通所述所述叶片冷却后腔。
本申请的冷却式变几何低压涡轮导向叶片通过三条流路均独立供气排气，互不干扰，降低了叶片空气系统的设计难度，在满足叶片冷却需要的同时能够保证盘腔供气；叶片冷却结构设计考虑了变几何低压涡轮导向叶片特有的叶尖间隙泄漏问题，采取了叶尖封严措施，降低了燃气泄漏。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1a为常规低压涡轮导向叶片结构图。
图1b为本申请的冷却式变几何低压涡轮导向叶片结构图。
图2为本申请的叶片外形示意图
图3为基于图4中A-A视角的剖视图。
图4为基于图2中B-B视角的剖视图。
图5为基于图3中C-C视角的剖视图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
如图1a和图1b所示，冷却式变几何低压涡轮导向叶片与常规结构低压涡轮导向叶片在结构上均由上缘板100、下缘板200和叶身300组成，主要差异在于：冷却式变几何低压涡轮导向叶片300的上、下缘板100、200与叶身300是独立的，为了实现叶身300转动，在上下两端增加了旋转轴400。叶片结构上的变化导致冷却式变几何低压涡轮导向叶片内腔处于半封闭状态，不具有常规低压涡轮导向叶片敞开式的内腔结构，无法叶片内腔安装冷气导管301等辅助的冷却结构，冷却结构设计更为困难。
为此，本申请根据变几何低压涡轮导向叶片的结构特点，冷却气只能从旋转轴400上的冷气进口11、12、13的位置进入到叶片内腔，如图2 所示。在叶片内腔，根据叶片的热负荷分布情况，前缘、尾缘是叶片热负荷较高的两个区域，需要进行强化冷却，这两个区域需要设置两个独立的冷气流路进行冷却。流经叶片内腔的冷气除了对叶片进行冷却以外，绝大部分的冷气会流出叶片进入到发动机盘腔中，平衡发动机轴向力。为了避免盘腔引气和冷却用气相互影响，降低设计难度，盘腔引气单独设计了一条引气流路。因此，本申请的冷却式变几何低压涡轮导向叶片共有三条独立的冷气流路。
如图2至图4所示，第一条冷气流路主要用于冷却叶片前缘高温区域。冷气由旋转轴400上的进口11进入叶片冷却前腔2，叶片冷却前腔2对应的叶片表面热负荷相对较低，仅在叶片冷却前腔2的内表面布置扰流肋27，用以强化该区域的换热。进入叶片冷却前腔2的冷却气体，一部分经过冲击孔18进入到前缘冷却腔1中，形成对前缘高温区域的冲击冷却，强化前缘冷却腔1的内壁面的对流换热效果，进入前缘冷却腔1的冷气大部分经过前缘气膜孔17排入主燃气通道，覆盖在前缘表面，形成对前缘的气膜保护；少量冷气通过叶片前缘顶部和底部凹槽21、23中的气膜孔24、26 排入叶片与端壁的间隙中，冷却端壁的同时还可起到封严的作用。进入叶片冷却前腔2的大部分冷气穿过叶片冷却前腔2的冷气流路后，通过转轴底部的冷气出口14进入到盘腔中，以补充盘腔压力，同时，增强了叶片冷却前腔2中冷气的流动性，强化了叶片冷却前腔2内表面的对流换热强度。
第二条冷气流路为盘腔引气流路，兼顾叶片冷却需要。主要负责将气体由发动机外环引入盘腔，用以平衡发动机轴向力，同时利用经过该流路的冷气对叶片进行冷却。冷气由转轴上的冷却进口12进入到叶片冷却中腔3，叶片冷却中腔3所对应的叶片外表面热负荷相对较低，仅在叶片冷却中腔3内表面布置扰流肋28，强化内表面换热，冷气通过叶片冷却中腔3的流路后由下转轴出口15排入盘腔。通过调节冷气进口12、出口15 的流通面积可以调节进入盘腔的冷气流量。
第三条冷气流路主要用于冷却尾缘位置的高温区域。冷气由转轴400 上的冷气进口13进入叶片冷却后腔4，叶片冷却后腔4内部布置大量的绕流柱29，在起到强化换热的同时，增强叶片冷却后腔4的结构强度。进入叶片冷却后腔4的冷却气体，一部分流经绕流柱后通过与叶片冷却后腔4 连通的气膜孔19排入主燃气通道，覆盖在叶片表面，形成对该区域的气膜冷却；少量冷气经过叶片顶部凹槽22内的气膜孔25排入叶顶与端壁的间隙中，冷却端壁的同时起到封严作用；大部分冷气进入叶片冷却后腔4 后，流经叶片冷却后腔4对应的流路，而后经过转轴上的出口16排入到盘腔中，补充盘腔压力，同时也增强了后腔4中气体的流动性，起到了强化叶片冷却后腔4内表面对流换热的作用。
本申请通过三条流路均独立供气排气，互不干扰，降低了叶片空气系统的设计难度，在满足叶片冷却需要的同时能够保证盘腔供气；叶片冷却结构设计考虑了变几何低压涡轮导向叶片特有的叶尖间隙泄漏问题，采取了叶尖封严措施，降低了燃气泄漏。本申请的冷却式变几何低压涡轮导向叶片，实现了变几何低压涡轮导向叶片的冷却，同时兼顾了盘腔引气，气动封严的要求。与常规结构的低压涡轮导向叶片冷却结构相比，本发明所提出的冷却结构能满足更高的涡轮前温度要求，不需要安装导管等其它辅助结构，减少了叶片的零部件数量，降低了工艺复杂程度。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种冷却式变几何低压涡轮导向叶片，其特征在于，所述叶片包括叶身及与叶身一体式的旋转轴，所述旋转轴上设有冷气进口，在所述叶身内部具有相互独立的叶片冷却前腔、叶片冷却中腔和叶片冷却后腔，所述冷却进口与三条冷却通道分别连通，用于对叶片的前缘、叶片中部和叶片尾缘冷却。
2.如权利要求1所述的冷却式变几何低压涡轮导向叶片，其特征在于，所述叶片冷却前腔内设有横向的绕流肋，用于强化所述叶片冷却前腔对应区域的叶身外表面的换热。
3.如权利要求2所述的冷却式变几何低压涡轮导向叶片，其特征在于，还包括前缘冷却腔，所述前缘冷却腔与所述叶片冷却前腔连通，且在所述前缘冷却腔的前缘部位设有气膜孔。
4.如权利要求1所述的冷却式变几何低压涡轮导向叶片，其特征在于，所述叶片冷却中腔内设有横向的绕流肋，用于强化所述叶片冷却中腔对应区域的叶身外表面的换热。
5.如权利要求1所述的冷却式变几何低压涡轮导向叶片，其特征在于，所述叶片冷却后腔内设有绕流柱，用于强化所述叶片冷却后腔对应区域的叶身外表面的换热和提高结构强度。
6.如权利要求5所述的冷却式变几何低压涡轮导向叶片，其特征在于，在所述叶片尾缘设有气膜孔，所述气膜孔连通所述所述叶片冷却后腔。
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