CN112211676A - 一种涡轮叶片及其双层壁 - Google Patents
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Abstract
一种涡轮叶片及其双层壁，该双层壁包括：设置有多个冲击孔的内层固壁、外层固壁以及微结构单元；其中，所述外层固壁与所述内层固壁之间具有一个间隙，所述微结构单元设置在所述外层固壁朝向所述内层固壁的表面上以使得所述外层固壁朝向所述内层固壁的一面凹凸不平。这种双层壁的换热效率高，重量较轻。
Description
技术领域
本文涉及一种航空发动机和燃气轮机的冷却技术，尤指一种涡轮叶片及其双层壁。
背景技术
提高航空发动机和燃气轮机透平进口温度是实现更高循环效率、超低污染排放的重要途径。当代先进航空发动机高温部件运行温度已经达到2000K以上，远远超过金属耐受温度极限。更高的温度和有限的冷气量对高温部件的冷却带来了极大的挑战，需要采用更高效的冷却技术以突破传统冷却技术的极限。
双层壁是一种极具潜力的冷却结构。该结构以内外两层壁面及其夹层为主要换热结构，通常冷却气体通过冲击孔穿过内壁面，在夹层中进行热交换后，从外壁面气膜孔或侧面流出。为了进一步提高双层壁的冷却效率，夹层中会布置相当数量的柱肋结构来强化换热。
这类双层壁结构存在三方面的问题：其一，柱肋结构会带来显著的流阻增加；其二，柱肋结构会使得冷却结构增重，不利于发动机推重比的提升；其三，柱肋结构可以增加换热面积，但远离热端的表面换热效率相对较低。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题为如何增加双层壁的换热效率。
为解决上述技术问题，本申请提供了一种双层壁，其包括：设置有多个冲击孔的内层固壁、外层固壁以及微结构单元；
其中，所述外层固壁与所述内层固壁之间具有一个间隙，所述微结构单元设置在所述外层固壁朝向所述内层固壁的表面上以使得所述外层固壁朝向所述内层固壁的一面凹凸不平。
冷却剂通过冲击孔进入到外层固壁和内层固壁之间的间隙中。冷却剂通过冲击孔后形成一注射流而射到外层固壁朝向内层固壁的表面上进行换热。最后冷却剂沿着间隙从双层壁的端部流出。
外层固壁朝向内层固壁的表面设置有微结构单元而使得这该表面凹凸不平，微结构单元可以对冷却剂进行扰流，增强了该表面的湍流输送能力，同时，微结构单元还增加了与冷却剂的换热面积，因此提升了换热效率。同时，由于微结构单元的尺寸小，对冷却剂大尺度流动的扰动较小，能有效降低控制冷却剂的流动阻力。另外，采用微结构单元来代替现有技术中大部分柱肋结构来提升换热，从而显著减少柱肋结构的数量，以减轻涡轮叶片的总重量、增加发动机推重比。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为本申请实施例中一种涡轮叶片的横截面的示意图；
图2为本申请实施例中一种双层壁的立体示意图；
图3为本申请实施例中一种双层壁的主视示意图；
图4为图3中A-A面的剖视示意图；
图5为本申请实施例中一种双层壁的主视示意图；
图6为图5中B-B面的剖视示意图；
图7为本申请实施例中一种双层壁的主视示意图；
图8为图7中C-C面的剖视示意图；
图9为本申请实施例中一种双层壁的主视示意图；
图10为图9中D-D面的剖视示意图。
具体实施方式
如图1所示，图1显示了一种涡轮叶片的结构。这种涡轮叶片能用于航空发动机和燃气轮机中。该涡轮叶片包括双层壁1。该双层壁1围合成涡轮叶片主体结构。该涡轮叶片主体结构的内部具有一个冷却剂供应腔2。该冷却剂供应腔2连通于冷却剂供应装置(图中未示出)，冷却剂供应装置能向冷却剂供应腔2注入冷却剂。该冷却剂为低温流体，可以是气体，也可以是液体。
如图1、2所示，这种双层壁1包括内层固壁11、外层固壁12以及微结构单元13。内层固壁11和外层固壁12均呈板状。内层固壁11设置在外层固壁12的内侧。内层固壁11与外层固壁12之间具有间隙。冷却剂供应腔2设置在内层固壁11的内侧。内层固壁11上设置有多个冲击孔111。多个冲击孔111可以是呈阵列排布在内层固壁11上。冲击孔111垂直贯穿内层固壁11。每个冲击孔111都连通于冷却剂供应腔2。冲击孔111优选为圆孔。
如图3所示，微结构单元13设置在外层固壁12朝向内层固壁11的表面上。在本实施例中，微结构单元13包括多个凸起13a。多个凸起13a分布在外层固壁12朝向内层固壁11的表面上。多个凸起13a可以是呈整列阵列排列在外层固壁12上。凸起13a从外层固壁12向靠近内层固壁11的方向凸出。这些凸起13a使得该外层固壁12朝向内层固壁11的一面凹凸不平。
在使用时，冷气剂供应腔中的冷却剂通过冲击孔111进入到外层固壁12和内层固壁11之间的间隙中。冷却剂通过冲击孔111后形成一注射流而射到外层固壁12朝向内层固壁11的表面上进行换热。最后冷却剂沿着间隙从双层壁1的端部流出。
外层固壁12朝向内层固壁11的表面设置有微结构单元13而使得这该表面凹凸不平，微结构单元13可以对冷却剂进行扰流，增强了该表面的湍流输送能力，同时，微结构单元13还增加了与冷却剂的换热面积，因此提升了换热效率。同时，由于微结构单元13的尺寸小，对冷却剂大尺度流动的扰动较小，能有效降低控制冷却剂的流动阻力。另外，采用微结构单元13来代替现有技术中大部分柱肋结构来提升换热，从而显著减少柱肋结构的数量，以减轻涡轮叶片的总重量、增加发动机推重比。
在一个示意性实施例中，凸起13a的高度小于外层固壁12和内层固壁11之间的距离的十分之一。
当凸起13a的高度小于外层固壁12与内层固壁11之间的间距的十分之一时，能显著减小冷却剂流动的阻力，甚至具有减阻的效果。
在一个示意性实施例中，该凸起13a的数量大于冲击孔111的数量。每个冲击孔111下方对应设置多个凸起13a。每个冲击孔111向凸起13a方向注入的一路气流都能扩散到多个凸起13a上，从而进一步提升了换热效率。
在一个示意性实施例中，双层壁1还包括设置在外层固壁12与内层固壁11之间的连接柱14。连接柱14的一端连接于外层固壁12，连接柱14的另一端连接于内层固壁11。连接柱14可以是圆柱。
连接柱14主要用于将外层固壁12和内层固壁11连接起来，加强双层壁1的结构强度。在保证内层固壁11和外层固壁12不发生形变的前提下连接柱14的数量可以设置得尽量少，这样有利于减轻双层壁1的重量。
在一个示意性的实施例中，如图1所示，该双层壁1围所合成的涡轮叶片主体结构包括头部3以及与头部3相对的尾部4。从头部3到尾部4外部热负荷分布会发生明显的变化，冲击孔111和凸起13a的设置呈现疏密不同的分布。在热负荷越高的区域，冲击孔111和凸起13a均设置得越密集。
在热负荷越高的区域，冲击孔111和凸起13a均设置得更密集，有利于更多的冷却剂进入到高热负荷区域以带走更多的热量，同时局部换热更加均匀，使得叶片温度分布更均匀、合理。
在一个示意性实施例中，如图3、4所示，凸起13a为半球形结构。凸起13a的球面朝向内层固壁11，凸起13a的底部平面抵接于外层固壁12。凸起13a的球面平滑，冷却剂流经凸起13a的球面时阻力小。
在一个示意性实施例中，如图5、6所示，还提出了另一种结构的凸起13b，该凸起13b为圆柱结构。凸起13b的一端连接于外层固壁12，凸起13b的另一端朝向内层固壁11。
在一个示意性实施例中，如图7、8所示，还提出了另一种结构的凸起13c，该凸起13c为直六面体结构。凸起13c的一面抵接于外层固壁12。凸起13c可以是长方体或正方体。各个凸起13c在长度方向上的棱相互平行，各个凸起13c在宽度方向上的棱相互平行，各个凸起13c在高度方向上的棱相互平行。直六面体结构的凸起13c容易被加工出来。
在一个示意性实施例中，如图9、10所示，还提出了另一种结构的凸起13d，该凸起13d为四面体。凸起13d的一个面抵接于外层固壁12。该凸起13d具有朝向内层固壁11的尖端。
本申请描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本申请所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。
本申请包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本申请已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定的独特的发明方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它发明方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的发明方案。因此，应当理解，在本申请中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。
此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外，针对该方法和/或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人员可以容易地理解，这些顺序可以变化，并且仍然保持在本申请实施例的精神和范围内。
Claims (11)
1.一种用于涡轮叶片的双层壁，其特征在于，包括：设置有多个冲击孔的内层固壁、外层固壁以及微结构单元；
其中，所述外层固壁与所述内层固壁之间具有一个间隙，所述微结构单元设置在所述外层固壁朝向所述内层固壁的表面上以使得所述外层固壁朝向所述内层固壁的一面凹凸不平。
2.根据权利要求1所述的双层壁，其特征在于，所述微结构单元包括多个凸起，多个所述凸起分布在所述外层固壁朝向所述内层固壁的表面上。
3.根据权利要求2所述的双层壁，其特征在于，所述凸起的高度小于所述外层固壁与所述内层固壁之间的距离的十分之一。
4.根据权利要求2所述的双层壁，其特征在于，所述凸起为半球、圆柱、直六面体或四面体。
5.根据权利要求2所述的双层壁，其特征在于，所述凸起的数量大于所述冲击孔的数量。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的双层壁，其特征在于，所述双层壁还包括设置在所述外层固壁与所述内层固壁之间的连接柱，所述连接柱的一端连接于所述内层固壁，所述连接柱的另一端连接于所述外层固壁。
7.根据权利要求6所述的双层壁，其特征在于，所述冲击孔的数量大于所述连接柱的数量。
8.根据权利要求2所述的双层壁，其特征在于，多个所述冲击孔呈阵列布置在所述内层固壁上，多个所述凸起呈阵列排布在所述外层固壁上。
9.一种涡轮叶片，其特征在于，包括如权利要求2至8中任一项所述的双层壁。
10.根据权利要求9所述的涡轮叶片，其特征在于，所述双层壁围合出涡轮叶片主体结构，所述内层固壁位于外层固壁的内侧，所述内层固壁围合出一个冷却剂供应腔，该冷却剂供应腔与各个所述冲击孔相连通。
11.根据权利要求10所述的涡轮叶片，其特征在于，根据涡轮叶片外部实际热负荷的分布情况，在热负荷越高的区域，冲击孔和凸起均设置得越密集。
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