CN111485956B - 涡轮导向冷却叶片 - Google Patents

Abstract

本公开涉及燃气涡轮发动机技术领域，提出了一种涡轮导向冷却叶片，包括主体、第一隔板以及多个气膜孔，主体包括前缘和尾缘；第一隔板设置在主体内部，以在主体内部形成相独立的第一腔体和第二腔体，第一腔体位于主体靠近前缘的一侧，第二腔体位于主体靠近尾缘的一侧，第一隔板上设置有通气孔，第一腔体和第二腔体通过通气孔相连通；多个气膜孔均设置在主体上，多个气膜孔分别与第一腔体和第二腔体相连通；其中，气膜孔为第一通孔，气膜孔由气膜孔的中部朝向主体外表面的方向形成第一渐扩开口。第一渐扩开口的设置提高了冷气在主体外表面分布的均匀性及冷却效率，解决了现有技术中的涡轮导向叶片冷却性能较差的问题。

Description

涡轮导向冷却叶片

技术领域

本公开涉及燃气涡轮发动机技术领域，尤其涉及一种涡轮导向冷却叶片。

背景技术

涡轮叶片是燃气涡轮发动机的重要零件，目前先进燃气涡轮发动机涡轮前燃气温度高达1800K～2000K，而现代三代单晶高温合金的最高耐温不超过1400K。为保证涡轮叶片在极端恶劣的环境中正常、可靠、长期的工作，就必须对其采取有效的热防护措施，包括喷涂隔热涂层、研发新型耐高温材料、采用先进的叶片冷却技术。喷涂隔热涂层使叶片基体的降温幅度一般不超过30K，且当前的喷涂技术难以使涂层厚度保持均匀，小尺寸叶片喷涂热障涂层对燃气涡轮发动机性能的影响较大。新型材料的耐温性以每年约8K的速度增加，远低于涡轮前燃气温度平均每年约20K的增长速度，且材料的成本随其耐温性的提高呈指数级增长。叶片冷却技术的应用对提高涡轮前燃气温度的效果最明显。

然而，当前涡轮导向叶片一般叶身采用圆柱形气膜孔，尾缘采用方形槽孔，不能充分利用冷气的冷却性能。为降低叶片工作温度，提高叶片使用寿命，可以通过增加冷却孔数量或冷却孔流通面积以提高冷气量的方法实现，但冷气量的增加将导致参与循环做功的气体减少，冷气与燃气的掺混损失增大，均对燃气涡轮发动机性能不利，故此方法不可取。

发明内容

本公开提供一种涡轮导向冷却叶片，以解决现有技术中的涡轮导向叶片冷却性能较差的问题。

本发明提供了一种涡轮导向冷却叶片，包括：

主体，主体包括前缘和尾缘；

第一隔板，第一隔板设置在主体内部，以在主体内部形成相独立的第一腔体和第二腔体，第一腔体位于主体靠近前缘的一侧，第二腔体位于主体靠近尾缘的一侧，第一隔板上设置有通气孔，第一腔体和第二腔体通过通气孔相连通；

多个气膜孔，多个气膜孔均设置在主体上，多个气膜孔分别与第一腔体和第二腔体相连通；

其中，气膜孔为第一通孔，气膜孔由气膜孔的中部朝向主体外表面的方向形成第一渐扩开口。

在本发明的一个实施例中，气膜孔包括主孔段和副孔段，主孔段贯穿主体，副孔段的一端位于主孔段的中部，副孔段倾斜于主孔段，以与主孔段的部分形成第一渐扩开口。

在本发明的一个实施例中，主孔段为圆柱孔，副孔段的孔壁为圆弧面，主孔段的中心线与副孔段的中心线之间具有第一预设夹角α；

其中，6°≤α≤10°。

在本发明的一个实施例中，主体还包括叶盆和叶背；

其中，气膜孔为至少四排，前缘置有至少两排气膜孔，叶盆以及叶背均设置有至少一排气膜孔。

在本发明的一个实施例中，位于叶盆的一排气膜孔与第二腔体相连通。

在本发明的一个实施例中，涡轮导向冷却叶片还包括：

尾缘槽孔，尾缘槽孔设置在主体上，且与第二腔体相连通；

其中，尾缘槽孔为第二通孔，尾缘槽孔由尾缘槽孔的中部朝向尾缘的方向形成第二渐扩开口。

在本发明的一个实施例中，尾缘槽孔由尾缘槽孔的中部朝向第二腔体远离尾缘的方向形成第三渐扩开口。

在本发明的一个实施例中，涡轮导向冷却叶片还包括：

槽孔肋，槽孔肋为多个，多个槽孔肋间隔地设置在主体内部，以在相邻两个槽孔肋之间形成尾缘槽孔。

在本发明的一个实施例中，槽孔肋的周向外表面包括：

第一弧形面，第一弧形面设置于槽孔肋远离尾缘的一侧；

第二弧形面，第二弧形面设置于槽孔肋靠近尾缘的一侧；

平面，平面成对设置，成对的两个平面连接于第一弧形面与第二弧形面之间；

其中，相对的两个平面之间具有第二预设夹角，第二预设夹角为锐角，以在相邻两个第一弧形面之间形成第三渐扩开口，相邻两个平面之间形成第二渐扩开口，第二渐扩开口的长度大于第三渐扩开口的长度。

在本发明的一个实施例中，涡轮导向冷却叶片还包括：

第二隔板，第二隔板设置在第一腔体内，第二隔板的高度小于第一隔板的高度；

扰流柱，扰流柱为多个，多个扰流柱均设置在第二腔体内。

本发明的涡轮导向冷却叶片通过在主体上设置有多个气膜孔，且气膜孔由气膜孔的中部朝向主体外表面的方向形成第一渐扩开口，第一渐扩开口的设置提高了冷气在主体外表面分布的均匀性及冷却效率，解决了现有技术中的涡轮导向叶片冷却性能较差的问题。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本公开的优选实施方式的详细说明，本公开的各种目标，特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本公开的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1是根据一示例性实施方式示出的一种涡轮导向冷却叶片的第一个剖面结构示意图；

图2是根据一示例性实施方式示出的一种涡轮导向冷却叶片的第二个剖面结构示意图；

图3是根据一示例性实施方式示出的一种涡轮导向冷却叶片的第一个局部结构示意图；

图4是根据一示例性实施方式示出的一种涡轮导向冷却叶片的第二个局部结构示意图；

图5是缩放式尾缘槽孔40与方形槽孔的冷气流速模拟结果示意图；

图6是缩放式尾缘槽孔40与方形槽孔的展向平均冷却效率曲线示意图；

图7是缩放式尾缘槽孔40与方形槽孔的冷却效率分布示意图。

附图标记说明如下：

10、主体；11、前缘；12、尾缘；13、第一腔体；14、第二腔体；15、叶盆；16、叶背；20、第一隔板；21、通气孔；30、气膜孔；31、主孔段；32、副孔段；40、尾缘槽孔；41、第二渐扩开口；42、第三渐扩开口；50、槽孔肋；51、第一弧形面；52、第二弧形面；53、平面；60、第二隔板；70、扰流柱。

具体实施方式

体现本公开特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本公开。

在对本公开的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，附图形成本公开的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本公开的多个方面的不同示例性结构，系统和步骤。应理解的是，可以使用部件，结构，示例性装置，系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本公开范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“之上”，“之间”，“之内”等来描述本公开的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本公开的范围内。

本发明的一个实施例提供了一种涡轮导向冷却叶片，请参考图1至图4，涡轮导向冷却叶片包括：主体10，主体10包括前缘11和尾缘12；第一隔板20，第一隔板20设置在主体10内部，以在主体10内部形成相独立的第一腔体13和第二腔体14，第一腔体13位于主体10靠近前缘11的一侧，第二腔体14位于主体10靠近尾缘12的一侧，第一隔板20上设置有通气孔21，第一腔体13和第二腔体14通过通气孔21相连通；多个气膜孔30，多个气膜孔30均设置在主体10上，多个气膜孔30分别与第一腔体13和第二腔体14相连通；其中，气膜孔30为第一通孔，气膜孔30由气膜孔30的中部朝向主体10外表面的方向形成第一渐扩开口。

本发明一个实施例的涡轮导向冷却叶片通过在主体10上设置有多个气膜孔30，且气膜孔30由气膜孔30的中部朝向主体10外表面的方向形成第一渐扩开口，从而提高了冷气在主体10外表面分布的均匀性及冷却效率，解决了现有技术中的涡轮导向叶片冷却性能较差的问题。

在一个实施例中，第一渐扩开口可以理解为孔口的截面积逐渐增加，冷气的流出状态属于扩散状态。

在一个实施例中，如图4所示，气膜孔30包括主孔段31和副孔段32，主孔段31贯穿主体10，副孔段32的一端位于主孔段31的中部，副孔段32倾斜于主孔段31，以与主孔段31的部分形成第一渐扩开口。主孔段31和副孔段32的设计可以保证第一渐扩开口的形成，以此保证冷气在主体10外表面分布的均匀性。

在一个实施例中，如图4所示，主孔段31为圆柱孔，副孔段32的孔壁为圆弧面，主孔段31的中心线与副孔段32的中心线之间具有第一预设夹角α；其中，6°≤α≤10°。主孔段31和副孔段32在主体10外表面形成的开口形状为水滴状，如图3所示。

在一个实施例中，副孔段32也可以理解为一个圆柱孔，其部分孔腔与主孔段31相重合。

在一个实施例中，如图1所示，主体10还包括叶盆15和叶背16；其中，气膜孔30为至少四排，前缘11置有至少两排气膜孔30，叶盆15以及叶背16均设置有至少一排气膜孔30。气膜孔30分布在主体10的前缘11、叶盆15以及叶背16处，以此保证对主体10的整体冷却。

在一个实施例中，如图1所示，位于叶盆15的一排气膜孔30与第二腔体14相连通。前缘11设置有多排气膜孔30，叶盆15以及叶背16处也均设置有多排气膜孔30，其中，叶盆15处的多排气膜孔30分别用于连通第一腔体13和第二腔体14，而叶背16处的多排气膜孔30均连通第一腔体13。

在一个实施例中，如图1和图2所示，涡轮导向冷却叶片还包括：尾缘槽孔40，尾缘槽孔40设置在主体10上，且与第二腔体14相连通；其中，尾缘槽孔40为第二通孔，尾缘槽孔40由尾缘槽孔40的中部朝向尾缘12的方向形成第二渐扩开口41。第二渐扩开口41的设置可以保证冷气在尾缘12外壁的均匀性及冷却效率。

在一个实施例中，第二渐扩开口41可以理解为孔口的截面积逐渐增加，冷气的流出状态属于扩散状态。

在一个实施例中，如图2所示，尾缘槽孔40由尾缘槽孔40的中部朝向第二腔体14远离尾缘12的方向形成第三渐扩开口42。尾缘槽孔40由主体10内部向主体10外部呈渐缩到渐扩状态。

在一个实施例中，如图2所示，涡轮导向冷却叶片还包括：槽孔肋50，槽孔肋50为多个，多个槽孔肋50间隔地设置在主体10内部，以在相邻两个槽孔肋50之间形成尾缘槽孔40。一排槽孔肋50在主体10内部形成了多个尾缘槽孔40，各个槽孔肋50的结构均相同，且相邻两个槽孔肋50之间的距离均相同，以此形成多个形状相同的尾缘槽孔40。

在一个实施例中，如图2所示，槽孔肋50的周向外表面包括：第一弧形面51，第一弧形面51设置于槽孔肋50远离尾缘12的一侧；第二弧形面52，第二弧形面52设置于槽孔肋50靠近尾缘12的一侧；平面53，平面53成对设置，成对的两个平面53连接于第一弧形面51与第二弧形面52之间；其中，相对的两个平面53之间具有第二预设夹角，第二预设夹角为锐角，以在相邻两个第一弧形面51之间形成第三渐扩开口42，相邻两个平面53之间形成第二渐扩开口41，第二渐扩开口41的长度大于第三渐扩开口42的长度。第一弧形面51的弧度要大于第二弧形面52的弧度，一个槽孔肋50的两个平面53形成一个扩口，从而在相邻两个槽孔肋50之间形成第二渐扩开口41和第三渐扩开口42。

在一个实施例中，如图1和图2所示，涡轮导向冷却叶片还包括：第二隔板60，第二隔板60设置在第一腔体13内，第二隔板60的高度小于第一隔板20的高度；扰流柱70，扰流柱70为多个，多个扰流柱70均设置在第二腔体14内。冷气高速冲击第二隔板60和扰流柱70可以强化冷气与主体10内壁的对流换热。

在一个实施例中，扰流柱70为多排，相邻两排扰流柱70交错设置。

本发明的涡轮导向冷却叶片，在主体10外换热较强的位置针对性的采取了强化冷却措施，使主体10的温度分布均匀，热应力小。前缘11的冷却孔孔口(气膜孔30的孔口)加工成水滴形、尾缘槽孔40采用缩放结构，冷却效率高。主体10的冷却腔被一条径向隔板(第一隔板20)分隔为前腔(第一腔体13)和后腔(第二腔体14)，径向隔板上等间距布置一排通气孔21。前腔的下部布置一条径向半隔板(第二隔板60)，后腔布置多排等间距交叉排列的圆柱形扰流柱70。尾缘12的叶盆侧切削部分金属并沿主体10高方向开设尾缘槽孔40，尾缘槽孔40的喉部尽量靠近冷却腔尾缘。由于前缘11的热负荷最高，布置五排气膜孔30进行喷淋式气膜冷却，孔口加工成水滴形以提高冷却效率。叶盆侧布置两排气膜孔30，其中一排与前腔连通，一排与后腔连通。叶背侧在转戾点附近布置两排气膜孔30，均与前腔连通，降低叶片局部热点的温度。

燃气涡轮发动机工作时，如图2所示，冷气由前腔顶端进入(向下箭头所指示方向)，一部分冷气通过前缘五排气膜孔排入燃气主流道，在前缘外壁面形成冷气薄膜，将主体10与高温燃气隔开，另有少部分冷气从叶盆侧靠近前缘的一排气膜孔及叶背侧两排气膜孔排出，对叶盆和叶背外壁面形成气膜冷却，剩余冷气通过径向隔板上分布的通气孔21进入后腔，高速冲击交叉排列的扰流柱70，强化冷气与后腔壁面的对流换热，而后少量冷气从叶盆侧靠近尾缘的一排气膜孔排出，大部分冷气继续向后流动，从缩放式尾缘槽孔排出，对叶片尾缘形成气膜冷却。

本发明的涡轮导向冷却叶片，前缘正对燃烧室出口，热负荷最高，除采用常规的加密冷气孔的方法之外，还将孔口加工成水滴形，提高了冷却效率。尾缘槽孔采用缩放式结构且喉部尽量靠近冷却腔尾缘，与常规的方形槽孔相比，一方面降低了冷气与燃气的掺混损失，另一方面提高了冷气在尾缘壁面分布的均匀性及冷却效率，使尾缘温度分布更加均匀并降低了热应力。

方形槽孔是目前涡轮导向叶片常用的结构。为显示本发明的缩放式尾缘槽孔40的优越性，对部分物理参数进行了数值模拟。

图5示出了缩放式尾缘槽孔40与方形槽孔的冷气流速模拟结果，图中横坐标为无量纲距离，表示某点离槽孔出口的距离与槽孔高度的比值，原点左侧表示槽孔内部，原点右侧表示槽孔外部。由图可见，在槽孔出口位置，缩放式尾缘槽孔40的冷气流速低于方形槽孔，表明冷气与燃气的掺混损失小，对发动机性能的影响小。

图6示出了缩放式尾缘槽孔40与方形槽孔的展向平均冷却效率曲线，结果表明，缩放式尾缘槽孔40的冷却效果高于方形槽孔，其冷却能力更强。

图7示出了缩放式尾缘槽孔40与方形槽孔的冷却效率分布。由图可见，缩放式尾缘槽孔40的冷却效率等值线分布较方形槽孔稀疏，表明其冷气覆盖的均匀性更好，可使叶片尾缘温度分布更均匀，热应力小。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、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发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和示例实施方式仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (6)

1.一种涡轮导向冷却叶片，其特征在于，包括：

主体(10)，所述主体(10)包括前缘(11)和尾缘(12)；

第一隔板(20)，所述第一隔板(20)设置在所述主体(10)内部，以在所述主体(10)内部形成相独立的第一腔体(13)和第二腔体(14)，所述第一腔体(13)位于所述主体(10)靠近所述前缘(11)的一侧，所述第二腔体(14)位于所述主体(10)靠近所述尾缘(12)的一侧，所述第一隔板(20)上设置有通气孔(21)，所述第一腔体(13)和所述第二腔体(14)通过所述通气孔(21)相连通；

多个气膜孔(30)，多个所述气膜孔(30)均设置在所述主体(10)上，多个所述气膜孔(30)分别与所述第一腔体(13)和所述第二腔体(14)相连通；

尾缘槽孔(40)，所述尾缘槽孔(40)设置在所述主体(10)上，且与所述第二腔体(14)相连通；其中，所述尾缘槽孔(40)为第二通孔，所述尾缘槽孔(40)由所述尾缘槽孔(40)的中部朝向所述尾缘(12)的方向形成第二渐扩开口(41)，所述尾缘槽孔(40)由所述尾缘槽孔(40)的中部朝向所述第二腔体(14)远离所述尾缘(12)的方向形成第三渐扩开口(42)；

槽孔肋(50)，所述槽孔肋(50)为多个，多个所述槽孔肋(50)间隔地设置在所述主体(10)内部，以在相邻两个所述槽孔肋(50)之间形成所述尾缘槽孔(40)；

其中，所述气膜孔(30)为第一通孔，所述气膜孔(30)由所述气膜孔(30)的中部朝向所述主体(10)外表面的方向形成第一渐扩开口；

所述槽孔肋(50)的周向外表面包括：

第一弧形面(51)，所述第一弧形面(51)设置于所述槽孔肋(50)远离所述尾缘(12)的一侧；

第二弧形面(52)，所述第二弧形面(52)设置于所述槽孔肋(50)靠近所述尾缘(12)的一侧；

平面(53)，所述平面(53)成对设置，成对的两个所述平面(53)连接于所述第一弧形面(51)与所述第二弧形面(52)之间；

其中，相对的两个所述平面(53)之间具有第二预设夹角，所述第二预设夹角为锐角，以在相邻两个所述第一弧形面(51)之间形成所述第三渐扩开口(42)，相邻两个所述平面(53)之间形成所述第二渐扩开口(41)，所述第二渐扩开口(41)的长度大于所述第三渐扩开口(42)的长度。

2.根据权利要求1所述的涡轮导向冷却叶片，其特征在于，所述气膜孔(30)包括主孔段(31)和副孔段(32)，所述主孔段(31)贯穿所述主体(10)，所述副孔段(32)的一端位于所述主孔段(31)的中部，所述副孔段(32)倾斜于所述主孔段(31)，以与所述主孔段(31)的部分形成所述第一渐扩开口。

3.根据权利要求2所述的涡轮导向冷却叶片，其特征在于，所述主孔段(31)为圆柱孔，所述副孔段(32)的孔壁为圆弧面，所述主孔段(31)的中心线与所述副孔段(32)的中心线之间具有第一预设夹角α；

其中，6°≤α≤10°。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的涡轮导向冷却叶片，其特征在于，所述主体(10)还包括叶盆(15)和叶背(16)；

其中，所述气膜孔(30)为至少四排，所述前缘(11)置有至少两排所述气膜孔(30)，所述叶盆(15)以及所述叶背(16)均设置有至少一排所述气膜孔(30)。

5.根据权利要求4所述的涡轮导向冷却叶片，其特征在于，位于所述叶盆(15)的一排所述气膜孔(30)与所述第二腔体(14)相连通。

6.根据权利要求1所述的涡轮导向冷却叶片，其特征在于，所述涡轮导向冷却叶片还包括：

第二隔板(60)，所述第二隔板(60)设置在所述第一腔体(13)内，所述第二隔板(60)的高度小于所述第一隔板(20)的高度；

扰流柱(70)，所述扰流柱(70)为多个，多个所述扰流柱(70)均设置在所述第二腔体(14)内。

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