CN112254941B - 涡轮叶片的冷效试验件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮叶片的冷效试验件，用于进行涡轮叶片的冷却效果试验，冷效试验件包括用于将二次流冷气引入测试叶片中的测试叶片组件、用于安装测试叶片组件的试验段、与试验段的进气端密封连接的用于将主流燃气引入试验段中的进气测量段以及与试验段的出气端密封连接的用于将主流燃气和二次流冷气混合后的气流排出至外界的排气段，测试叶片组件包括测试叶片、沿试验段的径向与测试叶片连接的冷气段法兰、设于冷气段法兰上的用于与测试叶片的冷气进口连通的冷气过渡段以及与冷气过渡段连通的用于将二次流冷气引入测试叶片中的测试冷气导管，冷气段法兰安装于试验段上，测试叶片伸入至试验段内。

Description

涡轮叶片的冷效试验件

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，特别地，涉及一种涡轮叶片的冷效试验件。

背景技术

随着先进航空发动机涡轮前温度的日益提高，涡轮部件在越来越高的温度下工作，为保证涡轮叶片能安全可靠的工作，发展更为先进的涡轮叶片冷却技术至关重要。在设计涡轮叶片的过程中，需要对涡轮叶片进行冷却效果试验，以确定涡轮叶片的冷却特性，验证涡轮叶片是否满足冷却设计要求。如果不满足冷却设计要求，则需要对冷却叶片进行改进设计，直至满足冷却设计要求。

现有涡轮叶片的冷效试验件由进气测量段、试验段和排气段组成。测试叶片和陪衬叶片安装于试验段内形成叶栅通道。集气盒通过螺栓连接在试验段的进口上，多个集气盒内的空气管分别陪衬叶片与测试叶片的冷气进口焊接连接，二次流冷气先进入集气盒内再从空心管进入叶片，然后从叶片上的气膜孔和尾缘劈缝进入叶栅通道，二次流冷气的气流损失大，导致试验状态下二次流冷气的流速和发动机设计状态下的二次流冷气的流速存在偏差，此外，由于主流燃气和二次流冷气会从集气盒与试验段的连接处产生不同程度的泄露，并且集气盒中的二次流冷气被主流燃气包围，使进入测试叶片前的冷气温度升高，从而影响冷效试验结果的准确性。

发明内容

本发明提供了一种涡轮叶片的冷效试验件，以解决现有的涡轮叶片的冷效试验件进行冷却效果试验时漏气严重且进入测试叶片的冷气温度升高而影响试验结果的准确性的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种涡轮叶片的冷效试验件，用于进行涡轮叶片的冷却效果试验，冷效试验件包括用于将二次流冷气引入测试叶片中的测试叶片组件、用于安装测试叶片组件的试验段、与试验段的进气端密封连接的用于将主流燃气引入试验段中的进气测量段以及与试验段的出气端密封连接的用于将主流燃气和二次流冷气混合后的气流排出至外界的排气段，测试叶片组件包括测试叶片、沿试验段的径向与测试叶片连接的冷气段法兰、设于冷气段法兰上的用于与测试叶片的冷气进口连通的冷气过渡段以及与冷气过渡段连通的用于将二次流冷气引入测试叶片中的测试冷气导管，冷气段法兰安装于试验段上，测试叶片伸入至试验段内。

进一步地，测试叶片上设有多个冷气进口，冷气段法兰上设有多个冷气过渡段，冷气过渡段与冷气进口一一对应设置，测试冷气导管与冷气过渡段一一对应连接。

进一步地，测试叶片上设有用于通过热电偶检测测试叶片的温度的热电偶槽。

进一步地，试验段内设有用于模拟燃气涡轮内气流通道的主流道以及与主流道连通的用于安装冷气段法兰的安装口，测试叶片伸入至主流道内。

进一步地，主流道内还安装有多个陪衬叶片，多个陪衬叶片与测试叶片组合构成叶栅通道，主流道内的叶栅通道与燃气涡轮内多个涡轮叶片形成的叶栅通道相同。

进一步地，试验段上还设与陪衬叶片的冷气进口连通的用于将二次流冷气引入陪衬叶片内的陪衬冷气导管。

进一步地，试验段还包括沿叶栅通道的出气方向延伸并与排气段的进气端连接的出气通道。

进一步地，进气测量段内设有进气通道，进气通道的横截面形状与主流道的进气口的形状相同，通过进气通道将主流燃气整流后引入主流道内，进气测量段上设有用于测量进气通道内的主流燃气的静压的进气静压探针，进气测量段的进气端设有用于与主流燃气气源密封连接的进气法兰盘。

进一步地，排气段内设有排气通道，排气通道的横截面形状与主流道的出气口的形状相同，通过排气通道将主流燃气和二次流冷气混合后的气流排出至外界；排气段上设有用于测量排气通道内的主流燃气和二次流掺混气流的静压的排气静压探针，排气段的出气端设有用于与排气口密封连接的排气法兰盘。

进一步地，试验段和测试叶片组件均为3D打印技术制造而成一体化结构，试验段与进气测量段和排气段的连接处均采用焊接连接。

本发明具有以下有益效果：

本发明的涡轮叶片的冷效试验件，通过冷气段法兰沿试验段的径向与测试叶片的顶端连接，测试叶片伸入试验段内，通过冷气段法兰安装固定于试验段上，并通过设于冷气段法兰上的冷气过渡段将测试冷气导管与测试叶片的冷气进口连通，二次流冷气经过测试冷气导管和冷气过渡段沿径向直接进入测试叶片内，从而改善了二次流冷气的泄漏问题，并且冷气过渡段和测试冷气导管均位于试验段外，从而避免冷气过渡段和测试冷气导管内的二次流冷气吸收试验段内的主流燃气的热量而造成冷气进入测试叶片前的温度升高，以确保冷却试验结果的准确性，而且二次流冷气沿径向进入测试叶片内，减少了气流流动损失，此外，在叶片冷效试验后根据试验结果对测试叶片上的气膜孔、尾缘劈缝等内腔相关的结构进行优化，而不需要改变测试叶片的叶型、叶高等外形结构，重点研究测试叶片内部的流动换热情况，其外形结构的变化对主流燃气气流和二次流冷气气流的影响不大，所以再次进行试验时，只需将优化后的测试叶片通过冷气段法兰重新安装固定在试验段上进行冷效试验，而不需要改变和拆装冷效试验件的其他部件，因此测试叶片的拆装简单方便，从而节约了试验准备周期和试验成本。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的涡轮叶片的冷效试验件的结构示意图；

图2是本发明优选实施例的试验段的结构示意图；

图3是本发明优选实施例的测试叶片组件的结构示意图；

图4是本发明优选实施例的测试叶片组件的结构示意图。

图例说明：

1、测试叶片组件；11、测试叶片；12、冷气段法兰；13、冷气过渡段；14、测试冷气导管；15、热电偶槽；16、热电偶输出孔；2、试验段；21、陪衬叶片；22、陪衬冷气导管；23、出气通道；3、进气测量段；31、进气法兰盘；4、排气段；41、排气法兰盘。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1是本发明优选实施例的涡轮叶片的冷效试验件的结构示意图；图2是本发明优选实施例的试验段的结构示意图；图3是本发明优选实施例的测试叶片组件的结构示意图；图4是本发明优选实施例的测试叶片组件的结构示意图。

如图1所示，本实施例的涡轮叶片的冷效试验件，用于进行涡轮叶片的冷却效果试验，冷效试验件包括用于将二次流冷气引入测试叶片11中的测试叶片组件1、用于安装测试叶片组件1的试验段2、与试验段2的进气端密封连接的用于将主流燃气引入试验段2中的进气测量段3以及与试验段2的出气端密封连接的用于将主流燃气和二次流冷气混合后的气流排出至外界的排气段4，测试叶片组件1包括测试叶片11、沿试验段2的径向与测试叶片11连接的冷气段法兰12、设于冷气段法兰12上的用于与测试叶片11的冷气进口连通的冷气过渡段13以及与冷气过渡段13连通的用于将二次流冷气引入测试叶片11中的测试冷气导管14，冷气段法兰12安装于试验段2上，测试叶片11伸入至试验段2内。在本实施例中，涡轮叶片的冷效试验件安装于冷效试验台上，冷效试验台上设有二次流冷气气源和主流燃气气源。

本发明的涡轮叶片的冷效试验件，通过冷气段法兰12沿试验段2的径向与测试叶片11的顶端连接，测试叶片11伸入试验段2内，通过冷气段法兰12安装固定于试验段2上，并通过设于冷气段法兰12上的冷气过渡段13将测试冷气导管14与测试叶片11的冷气进口连通，二次流冷气经过测试冷气导管14和冷气过渡段13沿径向直接进入测试叶片11内，从而改善了二次流冷气的泄漏问题，并且冷气过渡段13和测试冷气导管14均位于试验段2外，从而避免冷气过渡段13和测试冷气导管14内的二次流冷气吸收试验段2内的主流燃气的热量而造成冷气进入测试叶片11前的温度升高，以确保冷却试验结果的准确性，而且二次流冷气沿径向进入测试叶片11内，减少了气流流动损失，此外，在叶片冷效试验后根据试验结果对测试叶片11上的气膜孔、尾缘劈缝等内腔相关的结构进行优化，而不需要改变测试叶片11的叶型、叶高等外形结构，重点研究测试叶片11内部的流动换热情况，其外形结构的变化对主流燃气气流和二次流冷气气流的影响不大，所以再次进行试验时，只需将优化后的测试叶片11通过冷气段法兰12重新安装固定在试验段2上进行冷效试验，而不需要改变和拆装冷效试验件的其他部件，因此测试叶片11的拆装简单方便，从而节约了试验准备周期和试验成本。

如图2和图3所示，测试叶片11上设有多个冷气进口，冷气段法兰12上设有多个冷气过渡段13，冷气过渡段13与冷气进口一一对应，测试冷气导管14与冷气过渡段13一一对应连接。对于多冷气进口的测试叶片11的冷却效果试验，通过多个冷气过渡段13将多个测试引气导管与多个冷气进口一一对应连接，从而将多路二次流冷气引至多冷气进口的测试叶片11中进行冷却效果试验。

如图3和图4所示，测试叶片11上设有用于通过热电偶检测测试叶片11的温度的热电偶槽15。将热电偶的测试端从冷气段法兰12上的热电偶输出孔16穿设至试验段2内并铺设于热电偶槽15内。通过热电偶测量测试叶片11的温度。测试叶片11上沿叶身的周向设有多个热电偶槽15，从而通过多个热电偶对测试叶片11进行多点测温。

如图2所示，试验段2内设有用于模拟燃气涡轮内气流通道的主流道以及与主流道连通的用于安装冷气段法兰12的安装口，测试叶片11伸入至主流道内。冷气段法兰12包括安装边以及设于安装边上的定位凸台。定位凸台与安装口相匹配。安装边通过螺栓安装于试验段2上，定位凸台匹配安装于安装口中。测试叶片组件1易于安装和拆卸，以便于进行多次冷却试验。

如图2所示，主流道内还安装有多个陪衬叶片21，多个陪衬叶片21与测试叶片11组合构成叶栅通道，主流道内的叶栅通道与燃气涡轮内多个涡轮叶片形成的叶栅通道相同。试验段2上还设于与陪衬叶片21的冷气进口连通的用于将二次流冷气引入陪衬叶片21内的陪衬冷气导管22。通过多个陪衬叶片21与测试叶片11安装于主流道内构成叶栅通道，且主流通道内的叶栅通道与实际燃气涡轮内多个涡轮叶片形成的叶栅通道相同，从而更准确地模拟出涡轮叶片的实际工作状态，提高涡轮叶片的冷却试验结果的准确性。

如图2所示，试验段2还包括沿叶栅通道的出气方向延伸并与排气段4的进气端连接的出气通道23。进气测量段3内设有进气通道，进气通道的横截面形状与主流道的进气口的形状相同，通过进气通道将主流燃气整流后引入主流道内，进气测量段3上设有用于测量进气通道内的主流燃气的静压的进气静压探针，进气测量段3的进气端设有用于与主流燃气气源密封连接的进气法兰盘31。排气段4内设有排气通道，排气通道的横截面形状与主流道的出气口的形状相同，通过排气通道将主流燃气和二次流冷气混合后的气流排出至外界；排气段4上设有用于测量排气通道内主流燃气和二次流掺混气流的静压的排气静压探针，排气段4的出气端设有用于与排气口密封连接的排气法兰盘41。在本实施例中，主流道的进气口和出气通道23截面形状均为扇形。进气测量段3的出气端与主流道的进气口焊接连接。排气通道的进气口与出气通道23焊接连接。进气法兰盘31和排气法兰盘41均为圆形。进气法兰盘31与冷效试验台上的主流燃气气源的出气口密封连接。排气法兰盘41与冷效试验台上的排气口密封连接，排气口与排气处理系统连接，通过排气处理系统对排气端排出的主流燃气和二次流冷气混合后的气流进行处理。

试验段2和测试叶片组件1均为3D打印技术制造而成一体化结构。试验段2与进气测量段3和排气段4的连接处均采用焊接连接。结构装配更加简单，密封性能更好，且易于制造，从而缩短试验周期。进气测量段3、试验段2以及排气段4能配合不同优化冷却结构的测试叶片组件1重复试验去验证冷却效果，降低了试验成本。不同优化冷却结构的测试叶片组件1是只针对同型号叶片的内腔冷却结构优化后的测试叶片组件1。

本实施例的涡轮叶片的冷效试验件的冷效试验，冷效试验台采用电加温器对主流燃气与二次流冷气进行加温。为保证试验状态与真实状态相似，必须满足：几何相似、运动相似、动力相似、热相似等条件。通过3D打印技术按1∶1的比例将试验段2和测试叶片组件1打印成型后进行试验，并保证试验状态下雷诺数与发动机设计状态相同，试验状态下和发动机设计状态下的主流燃气与二次流冷气的流速、密度以及黏性系数相同。按相似理论计算模化状态参数。

试验共分三个阶段：冷吹：试验件安装调试后，需要先进行冷吹过程，以验证各测量点是否能正常工作。冷吹阶段主燃气、冷气均不加温，主燃气渐渐加大进口压力、流量至模拟状态点。调试模拟状态点：在冷吹结束后，将燃气温度、压力、流量提升至模拟状态点，然后再调节冷气温度、流量。获取流量比特性曲线：由于在试验件的高温条件下，冷气流量过小会导致温度不可控。所以在试验中当将模拟状态调节至最高点时，按照流量特性将冷气流量逐渐提高，记录试验数据。由于调节过程中控制了调节速度，燃气、冷气温度变化小于5℃，基本可以认为调节过程是等温的。

本实施例的涡轮叶片的冷效试验件的设计：冷效试验件的设计主要是确定冷效试验件与冷效试验台上的接口关系，并完成冷效试验件内部的测试叶片11、陪衬叶片21、进气测量段3、试验段2、排气段4、热电偶引出段以及主要封严结构的安排，以及主要零件材料的选择和关键工艺的确定。本实施例的涡轮叶片为燃气涡轮一级导向叶片。本实施例的冷效试验件采用五个叶片形成四个燃气通道，测试叶片11和左、右陪衬叶片21设置冷气通道并提供二次流冷气。按照航空燃气涡轮发动机气冷叶片冷却效果试验件的设计规范进行涡轮叶片的冷效试验件设计。进气测量段3的进气法兰盘31和排气段4的排气法兰盘41的结构尺寸分别按照冷效试验台上的主流燃气出口和出气口的结构尺寸确定，进气法兰盘31和排气法兰盘41的角度为90度，从而满足冷效试验台管路要求。主流燃气的进气方向与发动机上实际工作状态的一级导向叶片中截面相对进口的气流角保持一致，主流燃气和二次流冷气混合后的气流的出气方向与发动机上实际工作状态的一级导向叶片中截面相对出口的气流角保持一致。

本实施例的涡轮叶片的冷效试验件的制造，进气法兰盘31和排气法兰盘41采用标准件，并通过线切割加工出与进气测量段3和排气段4相匹配的异形接口，进气测量段3的进气通道和排气段4的排气通道为扇型通道结构，采用锻材，通过线切割加工，加工工艺成熟。进气测量段3和排气段4均与试验段2焊接相连。陪衬叶片21装入试验段2内主流道的相应位置，沿陪衬叶片21的周向焊接密封(防止主流燃气与二次流冷气泄露)；然后，将进气测量段3的出气口紧贴主流道的进气口沿周向焊接。陪衬冷气导管22直接沿试验段2的径向焊接固定在试验段2上并与陪衬叶片21的冷气进口连接，构成整个试验段2。整个测试叶片组件1从试验段2的主流道中间的五边形孔中装入，测试叶片组件1中的冷气段法兰12与试验段2用内六角螺钉固定，整个结构具有较好的装配工艺性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种涡轮叶片的冷效试验件，用于进行涡轮叶片的冷却效果试验，其特征在于，

冷效试验件包括用于将二次流冷气引入测试叶片(11)中的测试叶片组件(1)、用于安装测试叶片组件(1)的试验段(2)、与试验段(2)的进气端密封连接的用于将主流燃气引入试验段(2)中的进气测量段(3)以及与试验段(2)的出气端密封连接的用于将主流燃气和二次流冷气混合后的气流排出至外界的排气段(4)，

测试叶片组件(1)包括测试叶片(11)、沿试验段(2)的径向与测试叶片(11)的顶端连接的冷气段法兰(12)、设于冷气段法兰(12)上的用于与测试叶片(11)的冷气进口连通的冷气过渡段(13)以及与冷气过渡段(13)连通的用于将二次流冷气引入测试叶片(11)中的测试冷气导管(14)，二次流冷气经过测试冷气导管(14)和冷气过渡段(13)沿径向直接进入测试叶片(11)内，冷气段法兰(12)安装于试验段(2)上，测试叶片(11)伸入至试验段(2)内，冷气过渡段(13)和测试冷气导管(14)均位于试验段(2)外。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片的冷效试验件，其特征在于，

测试叶片(11)上设有多个冷气进口，冷气段法兰(12)上设有多个冷气过渡段(13)，冷气过渡段(13)与冷气进口一一对应设置，测试冷气导管(14)与冷气过渡段(13)一一对应连接。

3.根据权利要求1所述的涡轮叶片的冷效试验件，其特征在于，

测试叶片(11)上设有用于通过热电偶检测测试叶片(11)的温度的热电偶槽(15)。

4.根据权利要求1所述的涡轮叶片的冷效试验件，其特征在于，

试验段(2)内设有用于模拟燃气涡轮内气流通道的主流道以及与主流道连通的用于安装冷气段法兰(12)的安装口，测试叶片(11)伸入至主流道内。

5.根据权利要求4所述的涡轮叶片的冷效试验件，其特征在于，

主流道内还安装有多个陪衬叶片(21)，多个陪衬叶片(21)与测试叶片(11)组合构成叶栅通道，主流道内的叶栅通道与燃气涡轮内多个涡轮叶片形成的叶栅通道相同。

6.根据权利要求5所述的涡轮叶片的冷效试验件，其特征在于，

试验段(2)上还设与陪衬叶片(21)的冷气进口连通的用于将二次流冷气引入陪衬叶片(21)内的陪衬冷气导管(22)。

7.根据权利要求5所述的涡轮叶片的冷效试验件，其特征在于，

试验段(2)还包括沿叶栅通道的出气方向延伸并与排气段(4)的进气端连接的出气通道(23)。

8.根据权利要求4所述的涡轮叶片的冷效试验件，其特征在于，

进气测量段(3)内设有进气通道，进气通道的横截面形状与主流道的进气口的形状相同，通过进气通道将主流燃气整流后引入主流道内，进气测量段(3)上设有用于测量进气通道内的主流燃气的静压的进气静压探针，进气测量段(3)的进气端设有用于与主流燃气气源密封连接的进气法兰盘(31)。

9.根据权利要求4所述的涡轮叶片的冷效试验件，其特征在于，

排气段(4)内设有排气通道，排气通道的横截面形状与主流道的出气口的形状相同，通过排气通道将主流燃气和二次流冷气混合后的气流排出至外界；

排气段(4)上设有用于测量排气通道内的主流燃气和二次流掺混气流的静压的排气静压探针，排气段(4)的出气端设有用于与排气口密封连接的排气法兰盘(41)。

10.根据权利要求1所述的涡轮叶片的冷效试验件，其特征在于，

试验段(2)和测试叶片组件(1)均为3D打印技术制造而成一体化结构，试验段(2)与进气测量段(3)和排气段(4)的连接处均采用焊接连接。

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