CN112282854A - 具有v形气流差速板的燃气涡轮发动机的涡轮叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有V型气流差速板的燃气涡轮发动机的涡轮叶片，该涡轮叶片包括叶身和榫头，叶身安装在榫头的端壁侧；叶身包括叶片前缘、叶盆、叶身中弦区、叶片尾缘、叶顶和叶背，叶身内部设置有多个冷却腔室，多个冷却腔室之间设置有隔板，冷却腔室中设置有V型气流差速板，叶身表面开设有气膜孔，叶顶开设有至少一个叶顶除尘孔；榫头的伸根开设有冷气入口，伸根靠近叶片前缘的两个冷气入口对应的冷却通道合并为一条流路与冷却腔室连通；靠近叶片尾缘的两个冷气入口对应的冷却通道合并为一条流路与冷却腔室连通。由此，通过将V型气流差速板固定在相邻的两隔板上，不仅有助于增强叶身的结构强度，还可以使叶片保持在较低的温度水平。

Description

具有V形气流差速板的燃气涡轮发动机的涡轮叶片

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种具有V型气流差速板的燃气涡轮发动机的涡轮叶片。

背景技术

燃气涡轮作为航空发动机的核心重要部件之一，其性能的优劣直接影响到航空发动机的安全性及经济性。为了追求航空发动机高推重比及高效率，燃气涡轮入口温度逐渐攀升，迫切地需要在燃气涡轮传热技术方面实现突破。

涡轮叶片冷却技术研究一般分为外部传热、内部传热、气膜冷却、涂层技术研究、涡轮叶片传热设计方法以及优化设计方法等。涡轮的外壁传热，即涡轮叶片的燃气侧表面热负荷的分布是涡轮叶片冷却结构设计的主要研究对象。涡轮叶片属于热端部件，需要采用内部冷却和外部冷却来降低叶片温度，所谓内部冷却，是指采用冷气在涡轮叶片内部进行换热，从叶片的内侧吸收热量，从而使叶片温度降低，主要的冷却方式包含了对流冷却、扰流冷却、冲击冷却等。而外部冷却则是指通过采用某些工质阻隔高温燃气与涡轮叶片表面之间直接传热的方法，这种工质可以是冷却控制(气膜冷却)，也可以是低导热系数的材料(热障涂层)。涡轮叶片内部冷却结构方面，一般研究目的都为获得换热强、流阻小的内部冷却结构形式的内部流动换热机理研究。研究预期获得的冷却结构不仅需要保证较小的流动阻力，而且由于换热得到提高，冷气量的使用也可以适当减小。

涡轮叶片的内部冷却一般分为冲击冷却，扰流冷却和对流冷却。冲击冷却被认为是最有效的冷却技术，但冲击射流会削弱叶片的结构强度。因此，其适用的范围受到限制，一般仅布置在动叶的前缘、静叶的弦长中部等高热负荷和低强度要求的区域。扰流冷一般是指在叶片内部通道布置扰流肋和扰流柱，通过提高流动的湍流度降低壁面的换热边界层厚度来增强换热，但是扰流冷却的效果有很大的提升空间。因此，提出高效的冷却设计方案仍是目前保证涡轮叶片安全运行和提高燃气轮机整体性能的必要途径。

此外，涡轮叶片是航空发动机十分重要的涡轮转子部件，承受着复杂的循环热载荷和机械负荷，因此，叶片的结构强度问题关系着发动机和飞机的稳定性和可靠性。考虑到涡轮叶片的工作环境非常恶劣，长期在高温高负荷条件下工作，承受着离心载荷、热载荷、气动载荷、振动载荷等等，导致叶片失效概率较高，因此涡轮转子叶片强度问题也不容忽视。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明提出一种具有V型气流差速板的燃气涡轮发动机的涡轮叶片，通过在涡轮叶片内部设置有增强叶身强度和提高换热性能的V型气流差速板，利用气流在V型气流差速板和叶片内壁之间的交替加速和减速，以及加速气流对换热壁面的冲刷，不仅显著提升了叶片近壁面气流的扰动，还增强了内腔壁面的换热效果，使叶片保持在较低的温度水平，此外，将各冷却腔室中设置的V型气流差速板与各冷却腔室相邻的隔板相连接，V形气流差速板的支撑结构功能，还可以增强叶片的结构强度，提高叶片的使用寿命。

本发明一方面实施例提出了一种具有V型气流差速板的燃气涡轮发动机的涡轮叶片，包括：叶身和榫头；所述叶身均匀的安装在所述榫头的端壁侧；

所述叶身包括：叶片前缘、叶盆、叶身中弦区、叶片尾缘、叶顶和叶背，所述叶身内部设置有多个冷却腔室，所述冷却腔室从所述榫头贯穿到所述叶身，所述多个冷却腔室之间设置有隔板，各冷却腔室中设置有V型气流差速板，，所述V型气流差速板与所述各冷却腔室相邻的隔板相连接，所述叶身表面开设有气膜孔，所述叶顶开设有与所述冷却腔室连通的至少一个叶顶除尘孔；

所述榫头的伸根开设有冷气入口，伸根靠近叶片前缘的两个冷气入口对应的冷却通道在端壁位置合并为一条流路，与所述冷却腔室连通；伸根靠近叶片尾缘的两个冷气入口对应的冷却通道在端壁位置合并为一条流路，与所述冷却腔室连通。

可选地，V型气流差速板设置在相邻两隔板的壁面上，且所述V型气流差速板的两侧翼距离壁面的距离为第一距离。

可选地，所述的V型气流差速板的侧翼的夹角角度为15°至135°。

可选地，榫头为纵树形榫头，叶片尾缘为无劈缝结构。

可选地，叶顶为凹槽式叶顶。

可选地，叶身中弦区表面也开设有气膜孔。

本发明实施例提供的涡轮叶片相对于现有技术的存在至少如下有益效果：

通过在冷却腔室中设置V型气流差速板，实现了通过气流的加速和减速，以及加速气流对换热壁面的冲刷，不仅可以显著提升叶片近壁面气流的扰动，还可以显著提升了叶身内腔壁面的换热情况。

此外，通过将V型气流差速板固定在冷却腔室相邻的两隔板上，起到稳定的支撑作用，有助于增强叶身整体的结构强度，从而提高了涡轮叶片的使用寿命。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例提供的具有V型气流差速板的燃气涡轮发动机的涡轮叶片的叶身截面示意图；

图2为本发明实施例提供的具有V型气流差速板的燃气涡轮发动机的涡轮叶片的外部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的具有V型气流差速板的燃气涡轮发动机的涡轮叶片的内腔冷却结构示意图；

图4为本发明实施例提供的具有V型气流差速板的燃气涡轮发动机的涡轮叶片内部冷气流动路径示意图；

图5为本发明实施例提供的具有V型气流差速板的燃气涡轮发动机的涡轮叶片内部气流差速板结构示意图；

图6为本发明实施例提供的具有V型气流差速板的燃气涡轮发动机的涡轮叶片的截面V型气流差速板布置示意图；

图7为本发明实施例提供的具有V型气流差速板的燃气涡轮发动机的涡轮叶片的V型气流差速板冷气流动特征的影响示意图；

图8为简单模型平直通道中的V型气流差速板换热表现示意图；

图9为本发明实施例提供的具有V型气流差速板的燃气涡轮发动机的涡轮叶片的冷却腔室中V型气流差速板的示意图。

图中编号：叶片前缘1、叶盆2、叶身中弦区3、叶片尾缘4、冷却腔室5、叶背6、隔板7、叶身8、端壁9、封严结构10、榫头11、叶身中弦区气膜孔12、叶顶13、叶顶除尘孔14、V型气流差速板15、叶片伸根冷气入口16、V型气流差速板流向截距17、V型气流差速板厚度18、V型气流差速板两侧翼夹角19、V型气流差速板两侧20。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的具有V型气流差速板的燃气涡轮发动机的涡轮叶片。

作为一种示例，如图1-4所示，本发明提供的一种具有V型气流差速板的燃气涡轮发动机的涡轮叶片，包括：叶身8和榫头11，叶身8均匀的安装在榫头11的端壁9侧。

其中，叶身8包括：叶片前缘1、叶盆2、叶身中弦区3、叶片尾缘4、叶顶13和叶背6。叶盆2设置在叶身8的内侧，叶背6设置在叶身8的外侧，叶身8内部设置有多个冷却腔室5，冷却腔室5从榫头11贯穿到叶身8，多个冷却腔室5之间设置有隔板7，冷却腔室5中设置有V型气流差速板15并开设有气膜孔12，叶顶13开设有与冷却腔室5连通的至少一个叶顶除尘孔14。

相较于现有的发动机的涡轮叶片中所使用的冷却方式，本发明实施例提供的涡轮叶片中设置有V型气流差速板15，能够通过气流的交替加速和减速，以及加速气流对换热壁面的冲刷，显著提升叶片近壁面气流的扰动，叶身内腔壁面的换热能够得到显著增强。

此外，如图4右侧图所示，各冷却腔室5中设置的V型气流差速板15分别与各冷却腔室5相邻的隔板相连接，由此，通过将V型气流差速板15固定在各冷却腔室5相邻的两隔板上，起到稳定的支撑作用，对叶身内部结构起到固定支撑作用，能够显著提升叶身的结构强度。

可选地，叶顶13可以为凹槽式叶顶，凹槽式叶顶不仅有助于减少叶顶13间隙的高温燃气泄漏以减少气动损失，同时对叶顶13表面的高温及高热负荷有抑制作用。此外，冷却气流经过叶顶除尘孔14有助于对叶顶13表面产生气膜覆盖，对叶顶起到热防护作用。

应当理解的是，叶顶除尘孔14可以在工作叶片离心力的作用下起到除尘的效果。鉴于此，一般情况下叶顶13需布置至少一个叶顶除尘孔14。

榫头11的底部开设有冷气入口16，伸根靠近叶片前缘1的两个冷气入口16对应的冷却通道在端壁9位置合并为一条流路，与冷却腔室5连通；伸根靠近叶片尾缘4的两个冷气入口16对应的冷却通道在端壁9位置合并为一条流路，与冷却腔室5连通。

其中，可以在榫头11的底部开设有四个冷气入口16。在发动机运行时，高温燃气包围着涡轮叶片，来自压气机的冷却空气经过榫头11伸根的四个冷气入口16进入涡轮叶片，底部靠近前缘的两个冷却入口16对应的冷却通道在叶身端壁9位置合并为一条流路，进入叶片前缘1进行冷却。该路空气一部分在沿途的叶顶除尘孔14排出，另一部分经过内部流道中的V型气流差速板15，由叶身中弦区3表面开设的气膜孔12排出，在叶身8表面形成气膜覆盖进行冷却，最后一部分冷气由叶顶除尘孔14排出。伸根靠近叶片尾缘的两个冷气入口对应的冷却通道在靠近端壁9位置合并为一条流路，首先经叶片尾缘4冷却腔，对叶片尾缘4进行冷却，流向叶身中弦区3。该路空气一部分由叶顶除尘孔14排出，另一部分由叶身8表面的气膜孔12排出，在叶身8表面形成气膜覆盖进行冷却，最后一部分由叶顶除尘孔14排出。

可选地，榫头11可以为纵树形榫头，其具有重量轻、强度高并且对热应力不敏感，适合在高温高负荷的条件下工作的优点。叶身8的叶片尾缘4可以为无劈缝结构。

可选地，V型气流差速板15可以设置在相邻两隔板7的壁面上，且V型气流差速板15的两侧翼距离壁面之间的距离为第一距离。V型气流差速板15的侧翼的夹角角度可以为15°至135°。

如图5所示，V型气流差速板15可以固定在内腔之间相邻的隔板，V型气流差速板15的两侧翼与叶身8外表面靠近。流道在V型气流差速板15的作用下发生截面积的规律变化，由此导致靠近叶片表面的气流交替进行加速和减速。同时，来流气流在V型气流差速板15的截面变化的影响下，部分气流被驱动冲刷到换热壁面，气流的湍流度和扰动增强，内腔壁面换热得到明显提升。

通常情况下，带有充分发展的湍流的光滑管路经常使用迪图斯-贝尔特(Dittus-Boelter)经验关联式来预测对流换热情况和管路中的平均努塞尔数(努塞尔数常用来表示对流换热的强烈程度)，由图8可知，本发明专利中的换热壁面与Dittus-Boelter经验关联式计算的努塞尔数的比值分布情况远远大于1，且处于较高的水平，这意味着换热得到显著的增强，可见本发明中的V形气流差速板15的结构在换热表现极佳。

需要说明的是，叶身8的结构强度在涡轮叶片设计中占据着重要的地位，冲击和气膜冷却都会影响到涡轮叶片的结构强度问题。本发明中的V型气流差速板15的布置可以连接邻近的隔板，可以有效增强结构强度。而V型气流差速板15的两侧翼夹角19，气流差速板的厚度18，气流差速板流向间距17等因素可以根据涡轮叶片根据不同的工作环境进行匹配设计，本发明中对V型气流差速板15的两侧翼夹角19、气流差速板的厚度18以及气流差速板流向间距17不做限定。

图6为本发明提出的具有V型气流差速板的燃气涡轮发动机的涡轮叶片的截面V型气流差速板布置示意图，V型气流差速板15的两侧翼与叶片内腔靠近叶片表面的壁面保持一定距离。由此，保证了冷气可以顺利通过，同时确保了冷气的交替加速、减速(如图7所示)，加速气流对换热壁面的冲刷以及冷气的扰动，能够直接作用到需要冷却的叶片固体壁面，显著增强叶身内壁的换热。V型气流差速板15支撑固定在相连的两个隔板上，一定程度上提升叶片的强度。本发明中对V型气流差速板15的角度和厚度不做限定。

图9为本发明实施例提出的一种具有V型气流差速板的燃气涡轮发动机的涡轮叶片的示例图，如图9所示，V型气流差速板15的夹角角度、厚度以及厚度分布可以根据实际工作环境而设定。

需要说明的是，本发明的应用范围并不局限于涡轮动叶，同样适用于涡轮导叶。而导叶中将不涉及叶顶除尘孔的概念，但这并不影响本发明中所需保护的权利范围。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，除非另外定义，这里所使用的所有相关术语具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样的定义，不会用理想化或过于正式的含义来加以解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则的范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，尽管已经对各个实施例进行了描述，但是应当理解，本发明的各个方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明并不被视为受到以上描述的限制，而是仅仅通过所附权利要求的范围进行限定。

Claims (6)

1.一种具有V型气流差速板的燃气涡轮发动机的涡轮叶片，其特征在于，包括：

叶身(8)和榫头(11)；所述叶身(8)均匀的安装在所述榫头(11)的端壁(9)侧；

所述叶身(8)包括：叶片前缘(1)、叶盆(2)、叶身中弦区(3)、叶片尾缘(4)、叶顶(13)和叶背(6)，所述叶身(8)内部设置有多个冷却腔室(5)，所述冷却腔室(5)从所述榫头(11)贯穿到所述叶身(8)，所述多个冷却腔室(5)之间设置有隔板(7)，各冷却腔室(5)中设置有V型气流差速板(15)，所述V型气流差速板(15)与所述各冷却腔室(5)相邻的隔板(7)相连接，所述叶身(8)表面开设有气膜孔(12)，所述叶顶(13)开设有与所述冷却腔室(5)连通的至少一个叶顶除尘孔(14)；

所述榫头(11)的伸根开设有冷气入口(16)，伸根靠近叶片前缘(1)的两个冷气入口(16)对应的冷却通道在端壁(9)位置合并为一条流路，与所述冷却腔室(5)连通；伸根靠近叶片尾缘(4)的两个冷气入口(16)对应的冷却通道在端壁(9)位置合并为一条流路，与所述冷却腔室(5)连通。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，

所述V型气流差速板(15)设置在相邻两隔板(7)的壁面上，且所述V型气流差速板(15)的两侧翼距离壁面的距离为第一距离。

3.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述的V型气流差速板(15)的侧翼的夹角角度为15°至135°。

4.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述榫头(11)为纵树形榫头，叶片尾缘(4)为无劈缝结构。

5.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述叶顶(13)为凹槽式叶顶。

6.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述叶身中弦区(3)表面也开设有气膜孔(12)。

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