CN111927564A - 一种采用高效冷却结构的涡轮导向器叶片 - Google Patents

一种采用高效冷却结构的涡轮导向器叶片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用高效冷却结构的涡轮导向器叶片，包括叶身、上缘板、下缘板、导流片，所述的上缘板和下缘板设置在叶身两侧，所述的叶身内部设置有前腔室、中腔室一、中腔室二、后腔室，本发明在现有航空燃气涡轮风扇发动机的使用状态不变的情况下，经计算和试验验证，发明的涡轮导向器叶片的使用寿命明显提高5倍以上，满足现有航空燃气涡轮风扇发动机全寿命的使用需求。

Description

一种采用高效冷却结构的涡轮导向器叶片
技术领域
本发明涉及本发明属于叶轮机械技术领域，具体涉及一种采用高效冷却结构的涡轮导向器叶片。
背景技术
涡轮作为航空燃气涡轮风扇发动机关键的核心部件之一，其功能是将发动机的热能和动能转换为机械能，涡轮导向器叶片是涡轮部件中的一种核心零件，其工作环境非常苛刻，长期工作温度为1500℃以上，承受着巨大的热应力，受到高温燃气的冲刷和腐蚀，还受高低频振动应力的影响，因此，要求涡轮导向器叶片耐高温、耐腐蚀、强度高、持久性好。
现代燃气涡轮发动机推力的提高，很大程度上依赖于涡轮前总温的提高，涡轮前总温提高对涡轮特别是涡轮导向器叶片提出了更高的要求。目前，在国内、外已知的航空发动机和燃气轮机的应用中，采用高效冷却结构设计的涡轮导向器叶片是一条经验证有效的发展路径。高效冷却结构指的是利用相对较低的冷气流量，实现高温叶片的有效冷却。
发明内容
发明目的：提出一种采用高效冷却结构的涡轮导向器叶片，以解决现有航空燃气涡轮风扇发动机高压涡轮导向器叶片持久寿命短，不能满足发动机使用需求的问题。
技术方案：
一种采用高效冷却结构的涡轮导向器叶片，包括叶身、上缘板、下缘板、导流片，所述的上缘板和下缘板设置在叶身两侧，所述的叶身内部设置有前腔室、中腔室一、中腔室二、后腔室，所述的前腔室为独立腔室，与中腔室一通过隔断墙一隔离且与中腔室一不连通，所述的中腔室一与中腔室二通过隔断墙二隔离，中腔室一与中腔室二底部设置有隔板，所述的隔板与隔断墙二之间设置有连通中腔室一、中腔室二的气流通道，所述的前腔室顶部和底部均设置有进气口，前腔室内部设置有与其内部形状相同的导流片，所述导流片靠近中腔室一的外壁面与隔断墙一紧贴，其余侧外壁面设置有导流孔，且其余侧的外壁面与前腔室内壁面形成一个弧形腔，所述的前腔室在叶身前缘、叶身的叶盆侧、叶背侧均设置有气膜孔，所述的中腔室一顶部设置有进气口，且中腔室一在叶身叶盆侧、叶背侧均设置有气膜孔，所述的中腔室二顶部设置有进气口，内部垂直设置有肋条，所述的肋条将中腔室二分为两个互相连通的前子腔室、后子腔室，所述的肋条上设置有连通两个子腔室的流通孔，所述两个子腔室内部分别设置有与所对应的子腔室内部形状相同的导流片，所述两个子腔室内部的导流片上均设置有导流孔，所述前子腔室内的导流片靠近隔断墙二的侧面与隔断墙二紧贴，前子腔室内导流片的其余侧面与前子腔室内壁面形成弧形腔，所述后子腔室内的导流片各侧面与后子腔室内壁面形成环形腔，所述的后子腔室在叶身叶盆侧设置有气膜孔，所述的后腔室通过后子腔室内部的导流片与后子腔室隔开，且后腔室与中腔室二通过后子腔室内部导流片上的导流孔连通，所述的后腔室内部设置有多组扰流柱排，所述的后腔室在尾缘劈缝处设置出气口。
进一步，肋条上的流通孔数量为4个，沿叶片径向均布在肋条上，所述的流通孔半径为1.6mm。
进一步，肋条的高度不超过中腔室二的高度，所述的肋条的高度为中腔室二高度的2/3—3/4。
进一步，扰流柱排为5组，其中前2组绕流柱排半径为0.9mm，后3组绕流柱排半径为1.05mm，5组绕流柱排交错排布在后腔室内部。
进一步，隔断墙一底部还设置有加强筋。
进一步，所述的前腔室在叶身前缘气膜孔数量为5排，在叶身叶盆侧气膜孔数量为1排，在叶身叶背侧气膜孔数量为2排；
中腔室一在叶身叶盆侧、叶背侧分别设置有1排气膜孔；
中腔室二的后子腔室在叶身叶盆侧设置有2排数量不同的气膜孔。
进一步，前腔室在叶身前缘的5排气膜孔沿叶身中轴线分为上下两组，上组的气膜孔出口方向与发动机轴线呈-45°夹角，下组的气膜孔出口方向与发动机轴线呈+45°夹角。
进一步，上缘板、下缘板表面均设置有气膜孔。
进一步，上缘板上还设置有用于与机匣连接的安装孔。
有益技术效果：提出一种采用高效冷却结构的涡轮导向器叶片，在现有航空燃气涡轮风扇发动机的使用状态不变的情况下，经计算和试验验证，发明的涡轮导向器叶片的使用寿命明显提高5倍以上，满足现有航空燃气涡轮风扇发动机全寿命的使用需求。
附图说明
图1是本发明外部结构示意图；
图2是本发明叶身内部腔室分布示意图；
图3是本发明叶身剖视图；
图4是本发明叶身叶背侧气膜孔排布示意图；
图5是本发明叶身叶盆侧气膜孔排布示意图；
图6是本发明上缘板气膜孔排布示意图；
图7是本发明下缘板气膜孔排布示意图；
其中，1、上缘板，2、下缘板，3、叶身，4、导流片，5、前腔室，6、中腔室一，7、中腔室二，8、后腔室，9、隔断墙一，10、隔断墙二，11、隔板，12、进气口，13、气膜孔，14、肋条，15、前子腔室，16、后子腔室，17、流通孔，18、扰流柱排，19、尾缘劈缝，20、安装孔，21、加强筋。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图1所示，一种采用高效冷却结构的涡轮导向器叶片，包括叶身3、上缘板1、下缘板2、导流片4，所述的上缘板1和下缘板2设置在叶身3两侧，如图2、3所示，所述的叶身3内部设置有前腔室5、中腔室一6、中腔室二7、后腔室8，所述的前腔室5为独立腔室，与中腔室一6通过隔断墙一9隔离且与中腔室一6不连通，所述的中腔室一6与中腔室二7通过隔断墙二10隔离，中腔室一6与中腔室二7底部设置有隔板11，所述的隔板11与隔断墙二10之间设置有连通中腔室一6、中腔室二7的气流通道，所述的前腔室5顶部和底部均设置有进气口12，前腔室5内部设置有与其内部形状相同的导流片4，所述导流片4靠近中腔室一6的外壁面与隔断墙一9紧贴，其余侧外壁面设置有导流孔，且其余侧的外壁面与前腔室5内壁面形成一个弧形腔，所述的前腔室5在叶身3前缘、叶身3的叶盆侧、叶背侧均设置有气膜孔4，所述的中腔室一6顶部设置有进气口12，且中腔室一6在叶身3叶盆侧、叶背侧均设置有气膜孔4，所述的中腔室二7顶部设置有进气口12，内部垂直设置有肋条14，所述的肋条14将中腔室二7分为两个互相连通的前子腔室15、后子腔室16，所述的肋条14上设置有连通两个子腔室的流通孔17，所述两个子腔室内部分别设置有与所对应的子腔室内部形状相同的导流片4，所述两个子腔室内部的导流片上均设置有导流孔，所述前子腔室15内的导流片4靠近隔断墙二10的侧面与隔断墙二10紧贴，前子腔室15内导流片4的其余侧面与前子腔室15内壁面形成弧形腔，所述后子腔室16内的导流片4各侧面与后子腔室16内壁面形成环形腔，所述的后子腔室16在叶身3叶盆侧设置有气膜孔4，所述的后腔室8通过后子腔室16内部的导流片4与后子腔室16隔开，且后腔室8与中腔室二7通过后子腔室16内部导流片4上的导流孔连通，所述的后腔室8内部设置有多组扰流柱排18，所述的后腔室8在尾缘劈缝19处设置出气口。
所述的肋条14上的流通孔17数量为4个，沿叶片径向均布在肋条14上，所述的流通孔17半径为1.6mm，以加强中腔室二7的前子腔室15和后子腔室16之间中部和底部的流通能力，达到加强换热的目的。
肋条14的高度不超过中腔室二7的高度，所述的肋条14的高度为中腔室二7高度的2/3—3/4，以加强中腔室二7的前子腔室15和后子腔室16之间顶部的流通能力，达到加强换热的目的。
扰流柱排18为5组，其中前2组绕流柱排18半径为0.9mm，后3组绕流柱排18半径为1.05mm，5组绕流柱排18交错排布在后腔室8内部，以实现强化换热的目的。
隔断墙一9底部还设置有加强筋21，以实现加强叶片强度的目的。
如图4-7所示，所述的前腔室5在叶身3前缘气膜孔4数量为5排，在叶身3叶盆侧气膜孔4数量为1排，在叶身3叶背侧气膜孔4数量为2排；
中腔室一6在叶身3叶盆侧、叶背侧分别设置有1排气膜孔4；
中腔室二7的后子腔室16在叶身3叶盆侧设置有2排数量不同的气膜孔4。
所述的腔室气膜孔4，腔室内的冷气经过气膜孔4排出叶身，在冷却腔室内壁的同时，出流冷气形成气膜隔绝燃气，以实现冷却叶身的目的。
前腔室5在叶身3前缘的5排气膜孔4沿叶身3中轴线分为上下两组，上组的气膜孔3出口方向与发动机轴线呈-45°夹角，下组的气膜孔4出口方向与发动机轴线呈+45°夹角，带角度倾斜的气膜孔4的设计确保了进口燃气不直接作用在孔上而冲击进入叶片内腔，确保冷却气可以顺利从叶片前腔室5流出叶片形成保护气膜，同时对角45°的出口气流，加强了对叶身中部高温区的保护。
上缘板1、下缘板2表面均设置有气膜孔4，以实现冷却缘板的目的，上缘板1上还设置有用于与机匣连接的安装孔20，以实现安装的目的。
本发明的涡轮导向器叶片材料采用合金K403或其他耐高温材料。K403是镍基沉淀硬化型等晶铸造高温合金，合金由多种金属元素进行综合强化，使用温度在1000℃以下。合金具有较高的高温强度，在1000℃、100h的持久强度可达150MPa、1000h的持久强度可达94MPa。合金的铸造性能良好，可铸出形状复杂的精铸件，适合于制作1000℃以下工作的燃气涡轮导向叶片和900℃以下工作的涡轮转子叶片及其他零件。应用概况及特性合金已用于制作多种航空发动机涡轮转子叶片和导向叶片，以及其他高温使用的零件部件。
本发明的冷却过程：
叶身3前腔室5采用底部、顶部同时供冷气，所述冷气通过前腔室5内导流片4上的导流孔进入前腔室5弧形腔，对前腔室5内壁形成冲击冷却，然后冷气由前腔室5位于叶身3前缘、叶盆侧、叶背侧的气膜孔4排出叶身，出流冷气覆盖叶身3表面，以隔绝燃气达到冷却的目的。
叶身3中腔室一6采用顶部供气，所述冷气分为两部分，其中一部分冷气直流至中腔室一6底部经气流通道流入中腔室二7，另一部分冷气从前腔室一6位于叶身3叶盆、叶背侧气膜孔4排出叶身，对中腔室一6内壁进行冷却，出流冷气覆盖叶身表面，以隔绝燃气达到冷却的目的。
叶身3中腔室二7采用顶部供气，所述冷气由中腔室二7内的竖直肋条14分为前后两部分，分别进入中腔室二7的前子腔室15和后子腔室16，进入前子腔室15的冷气与来自中腔室一6底部的冷气混合，通过前子腔室15内部的导流片4上的导流孔进入到前子腔室15弧形腔，对前子腔室15内壁进行冲击冷却后经肋条14上的流通孔17流入后子腔室16环形腔，进入后子腔室16的冷气通过后子腔室16内部的导流片4上的导流孔进入到后子腔室环形腔，对后子腔室16内壁进行冲击冷却后冷气分为两部分，其中一部分冷气由后子腔室16位于叶身3叶盆侧的两排数量不同的气膜孔4排出叶身，出流冷气覆盖叶身3表面，以隔绝燃气达到冷却的目的，另外一部分冷气与来自前子腔室15环形腔的冷气混合后，进入叶身3后腔室8。
叶身3后腔室8的冷气来自中腔室二7的后子腔室16环形腔，所述冷气流经后腔室8内的5组绕流柱排18对后腔室8强化冷却，然后经后腔室8的尾缘劈缝19排出叶身3。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种采用高效冷却结构的涡轮导向器叶片，其特征在于：包括叶身(3)、上缘板(1)、下缘板(2)、导流片(4)，所述的上缘板(1)和下缘板(2)设置在叶身(3)两侧，所述的叶身(3)内部设置有前腔室(5)、中腔室一(6)、中腔室二(7)、后腔室(8)，所述的前腔室(5)为独立腔室，与中腔室一(6)通过隔断墙一(9)隔离且与中腔室一(6)不连通，所述的中腔室一(6)与中腔室二(7)通过隔断墙二(10)隔离，中腔室一(6)与中腔室二(7)底部设置有隔板(11)，所述的隔板(11)与隔断墙二(10)之间设置有连通中腔室一(6)、中腔室二(7)的气流通道，所述的前腔室(5)顶部和底部均设置有进气口(12)，前腔室(5)内部设置有与其内部形状相同的导流片(4)，所述导流片(4)靠近中腔室一(7)的外壁面与隔断墙一(9)紧贴，其余侧外壁面设置有导流孔，且其余侧的外壁面与前腔室(5)内壁面形成一个弧形腔，所述的前腔室(5)在叶身(3)前缘、叶身的叶盆侧、叶背侧均设置有气膜孔(4)，所述的中腔室一(6)顶部设置有进气口(12)，且中腔室一(6)在叶身(3)叶盆侧、叶背侧均设置有气膜孔(4)，所述的中腔室二(7)顶部设置有进气口(12)，内部垂直设置有肋条(14)，所述的肋条(14)将中腔室二(7)分为两个互相连通的前子腔室(15)、后子腔室(16)，所述的肋条(14)上设置有连通两个子腔室的流通孔(17)，所述两个子腔室内部分别设置有与所对应的子腔室内部形状相同的导流片(4)，所述两个子腔室内部的导流片(4)上均设置有导流孔，所述前子腔室(15)内的导流片(4)靠近隔断墙二(10)的侧面与隔断墙二(10)紧贴，前子腔室(15)内导流片(4)的其余侧面与前子腔室(15)内壁面形成弧形腔，所述后子腔室(16)内的导流片(4)各侧面与后子腔室(16)内壁面形成环形腔，所述的后子腔室(16)在叶身(3)叶盆侧设置有气膜孔(4)，所述的后腔室(8)通过后子腔室(16)内部的导流片(4)与后子腔室(16)隔开，且后腔室(8)与中腔室二(7)通过后子腔室(16)内部导流片(4)上的导流孔连通，所述的后腔室(8)内部设置有多组扰流柱排(18)，所述的后腔室(8)在尾缘劈缝(19)处设置出气口。
2.根据权利要求1所述的一种采用高效冷却结构的涡轮导向器叶片，其特征在于：所述的肋条(14)上的流通孔(17)数量为4个，沿叶片径向均布在肋条(14)上，所述的流通孔(17)半径为1.6mm。
3.根据权利要求1所述的一种采用高效冷却结构的涡轮导向器叶片，其特征在于：所述的肋条(14)的高度不超过中腔室二(7)的高度，所述的肋条(7)的高度为中腔室二(7)高度的2/3—3/4。
4.根据权利要求1所述的一种采用高效冷却结构的涡轮导向器叶片，其特征在于：所述的扰流柱排(18)为5组，其中前2组绕流柱排(18)半径为0.9mm，后3组绕流柱排(18)半径为1.05mm，5组绕流柱排(18)交错排布在后腔室内部。
5.根据权利要求1所述的一种采用高效冷却结构的涡轮导向器叶片，其特征在于：所述的隔断墙一(9)底部还设置有加强筋(21)。
6.根据权利要求1所述的一种采用高效冷却结构的涡轮导向器叶片，其特征在于：
所述的前腔室(5)在叶身(3)前缘气膜孔(4)数量为5排，在叶身(3)叶盆侧气膜孔(4)数量为1排，在叶身(3)叶背侧气膜孔(4)数量为2排；
中腔室一(6)在叶身(3)叶盆侧、叶背侧分别设置有1排气膜孔(4)；
中腔室二(7)的后子腔室(16)在叶身(3)叶盆侧设置有2排数量不同的气膜孔(4)。
7.根据权利要求6所述的一种采用高效冷却结构的涡轮导向器叶片，其特征在于：所述的前腔室(5)在叶身(3)前缘的5排气膜孔(4)沿叶身(3)中轴线分为上下两组，上组的气膜孔(4)出口方向与发动机轴线呈-45°夹角，下组的气膜孔(4)出口方向与发动机轴线呈+45°夹角。
8.根据权利要求1所述的一种采用高效冷却结构的涡轮导向器叶片，其特征在于：所述的上缘板(1)、下缘板(2)表面均设置有气膜孔(4)。
9.根据权利要求1所述的一种采用高效冷却结构的涡轮导向器叶片，其特征在于：所述的上缘板(1)上还设置有用于与机匣连接的安装孔(21)。
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