CN112922675B - 一种涡轮叶片弯曲枝网式冷却结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航空发动机涡轮叶片冷却技术领域，涉及一种涡轮叶片弯曲枝网式冷却结构。一种涡轮叶片弯曲枝网式冷却结构，包括与缘板外表面垂直的阵列圆柱支撑结构和弯曲网状连接结构组成。所述圆柱支撑结构截面为直径φD1＝1～2mm的圆形，为能够在较为狭小的空间内布置更多的扰流结构，各柱体在缘板外表面叶片内腔冷却气通道入口周围应呈正三角形排布，且各柱体分别位于正三角形的顶点，该正三角形边长即相邻圆柱支撑的间距L为3～5mm。本发明结构覆盖于缘板的外表面，并能够显著增加冷气侧的换热面积，增强对冷却气流的扰动程度，从而有效提高冷却效果。此外，该结构还能够增强缘板的抗变形能力，并且易于制造。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机涡轮叶片冷却技术领域，涉及一种涡轮叶片弯曲枝网式冷却结构。
背景技术
航空发动机是一种将热能转化为喷气推力或机械功的动力装置，其涡轮前温度越高，产生的推力就越大，发动机性能也越高。数据预测显示，涡轮前燃气温度每升高100℃，发动机热效率提升8％，最大推力可以提升15％左右。因此，提高燃气温度成为了设计的首要追求。在这种条件下，作为典型热端部件的涡轮叶片，它的耐温能力就成为了制约航空发动机性能提升的瓶颈因素。在材料耐高温性能很难进一步提升的情况下，对涡轮叶片采用先进冷却设计必然衍生为航空发动机研制的关键技术。总的来说，涡轮叶片的冷却方式按位置可分为内部冷却和外部冷却，按作用效果可分为对流冷却、冲击冷却和气膜冷却等。现代航空发动机一般采用上述组合冷却方式，以提高冷却效率。
如图1所示，在已有的涡轮导向叶片的缘板冷却中，常规采用的是强化对流与气膜覆盖组合的方式，在缘板上开设有气膜孔，且分布在叶片内腔冷却气通道入口的周围。在此类方案中，冷却气从缘板外部进入，冲刷缘板外表面并带走热量，然后通过气膜孔到达叶片的内流道，形成气膜覆盖，阻隔高温燃气对叶片基体的加热，进一步对叶片进行保护。由于此类结构换热面积小，对气流的扰动少，因此其冷却效率不能满足高推重比航空发动机的需求，迫切的需要加以改进提高。
发明内容
针对现有结构存在的不足，以及为了满足高推重比航空发动机的需求，本发明提供了一种涡轮导向叶片缘板弯曲枝网式冷却结构。相较于常规冷却方案，该结构覆盖于缘板的外表面，并能够显著增加冷气侧的换热面积，增强对冷却气流的扰动程度，从而有效提高冷却效果。此外，该结构还能够增强缘板的抗变形能力，并且易于制造。
本发明为取得上述效果采用了如下技术方案：
如图2所示，一种涡轮叶片弯曲枝网式冷却结构，包括与缘板外表面垂直的阵列圆柱支撑结构和弯曲网状连接结构组成。
所述圆柱支撑结构截面为直径φD1＝1～2mm的圆形，为能够在较为狭小的空间内布置更多的扰流结构，各柱体在缘板外表面叶片内腔冷却气通道入口周围应呈正三角形排布，且各柱体分别位于正三角形的顶点，该正三角形边长即相邻圆柱支撑的间距L为3～5mm。
所述弯曲网状连接结构的轴线呈椭圆形，椭圆长轴长为L，椭圆短轴长为0.3～0.7L。弯曲网状连接结构沿轴线各截面为直径φD2＝1～2mm的圆形。为保证本发明效果，φD2与φD1相等。弯曲枝网式冷却结构的总高度H为2～4mm。由于圆柱支撑呈正三角形排布，因此弯曲枝网在连接相邻两个圆柱支撑的端部后，形成的网孔在缘板外表面投影近似呈正三角形，且弯曲网状连接结构相邻两分枝之间的夹角∠A1＝60°。
弯曲网状连接结构的各节点、圆柱支撑、缘板外表面连接位置均平滑过渡。
为保证最优的冷却效果，缘板气膜孔的冷却气入口应布置在弯曲网状连接结构中连接两个圆柱支撑的分枝正下方，气膜孔轴线方向与缘板平面切向夹角∠A2＝30°～40°，气膜孔直径φd＝0.5～0.8mm。
本发明采用上述结构，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1.提高了对涡轮叶片缘板部位的冷却效果
由于增加了纵向的圆柱支撑和弯曲网状连接，相对于常规结构，冷却面积增加了3.5倍左右，大幅度提高了结构的换热能力。
冷却气从涡轮机匣射流孔沿近似垂直于缘板外表面的方向进入待冷却区域，在如图3(a)所示的常规结构中，通过对流动传热过程的仿真分析可知，冷却气直接冲击缘板表面并带走热量，然后通过气膜孔进入燃气侧，形成气膜覆盖，阻隔高温燃气的加热。由于此类简单结构表面积较小，且没有对冷却气形成扰动，因此冷却效果有限。而如图3(b)所示的弯曲枝网式冷却结构中，数值仿真结果显示：冷却气先流过弯曲网状连接结构，然后再对圆柱支撑和缘板表面进行冷却。由于气流是从缘板上方进入待冷却区域，对于弯曲网状连接结构能起到很好的冲刷作用。在此过程中，网孔可以使冷却气形成射流，引起流速增加，提高幅度约为2.6倍，从而形成对缘板表面的冲击冷却，使对流换热系数提高30％左右，效果较好。并且由于弯曲网状连接结构对于气流的捕获作用，冷却气向出口流动的过程中会表现出较好的贴壁性，对缘板起到更好的冷却。缘板气膜孔的冷却气入口布置在弯曲网状连接结构的正下方(如图2所示)，该方式能够增大冷却气流动的距离，提高对冷却气的利用率。通过多方面同时强化，可以使叶片缘板局部综合冷却效果提高15％以上。
2.提高叶片缘板的强度
涡轮导向叶片工作在高温高压的环境下，且缘板近似为悬臂结构，长期使用后容易发生疲劳破坏。如图4(a)所示，当叶片缘板在燃气和冷却气作用下产生弯曲趋势时，常规结构起不到抵抗作用，无法强化缘板结构。而本发明采用的弯曲枝网式冷却结构，如图4(b)所示，在结构变形的方向上增加了支撑，起到了加固的作用，增强了缘板的抗弯曲变形能力，可以使涡轮导叶缘板区域的强度提高12％左右，从而增加了使用寿命。
3.弯曲枝网式冷却结构的制造难度相对于常规结构没有大幅度的增加。
弯曲枝网式冷却结构的复杂程度比常规结构高，但是其制造难度没有大幅度的增加。当前涡轮叶片缘板结构整体精密铸造成型技术相对较为成熟，本发明方案中与缘板外表面垂直的圆柱支撑和弯曲网状连接，对于当前铸造技术来说，其难度仍在可接受的范围之内。而为进一步降低弯曲枝网式冷却结构的制造难度，可以采用与叶片分体铸造再通过钎焊连接的方式，如图5所示。通过铸造或切削等方式在缘板上加工出凹坑，填入钎焊料，再将单独制造成型的弯曲枝网式冷却结构嵌入凹坑，通过高温熔化钎焊料形成可靠连接，从而解决该结构的实现问题。
附图说明
图1缘板采用常规冷却的涡轮导向叶片示意图。
图2缘板采用椭圆形弯曲枝网式冷却的涡轮导向叶片示意图。
图3a带有气膜出流的常规冷却结构流动数值仿真结果图。
图3b带有气膜出流的弯曲枝网式冷却结构流动数值仿真结果图。
图4a缘板采用常规冷却结构的涡轮导向叶片受力示意图。
图4b缘板采用弯曲枝网式冷却结构的涡轮导向叶片受力示意图。
图5弯曲枝网式冷却结构与叶片焊接示意图。
图6缘板采用圆形弯曲枝网冷却的涡轮导向叶片示意图。
图7缘板气膜孔入口布置在网孔正下方的弯曲枝网式冷却结构示意图。
图中：1-缘板；2-内腔冷却气通道；3-涡轮导向叶片；4-气膜孔；5-弯曲网状连接结构；6-圆柱支撑结构；7-相邻圆柱支撑的间距L；8-弯曲枝网式冷却结构的总高度H；9-弯曲网状连接结构的直径φD2；10-气膜孔直径φd；11-气膜孔与缘板平面切向夹角∠A2；12-圆柱支撑结构的直径φD1；13-椭圆形弯曲网状连接结构的轴线；14-椭圆短轴；15-椭圆长轴；16-弯曲网状连接结构相邻两分枝之间的夹角∠A1；17-网孔；18圆形弯曲网状连接结构轴线的半径。
具体实施方式
为进一步阐述本发明为达到预定的技术目的而采取的措施和产生的效果，下面将结合附图对本发明提出的弯曲枝网式冷却结构作进一步的详细说明。
实施例一
图2是本发明实施例提供的一种带有弯曲枝网式冷却结构的涡轮导向叶片示意图。如图所示，本实施例的弯曲枝网式冷却结构由圆柱支撑结构和弯曲网状连接结构两部分组成。弯曲枝网式冷却结构中的圆柱支撑结构垂直于涡轮导向叶片缘板外表面。
弯曲枝网式冷却结构中的圆柱支撑结构由直径φD1＝1mm的柱体组成，呈正三角形排布，各柱体分别位于正三角形的顶点，正三角形的边长即相邻两柱体之间的距离L＝3mm。
弯曲枝网式冷却结构中的弯曲网状连接结构沿轴线直径φD2＝1mm，椭圆形弯曲网状连接结构的轴线呈椭圆形，椭圆长轴长为L，短轴长0.3L，典型值为0.5L。弯曲枝网式冷却结构的总高度H＝2mm，气膜孔直径φd＝0.5mm，气膜孔轴线与缘板外表面的夹角∠A2＝30°。经过研究发现，当气膜孔与弯曲网状连接的直径之比在0.5范围内时冷却性能最好，因此典型值可为φD2＝1mm，H＝2.5mm，φd＝0.6mm，∠A2＝30°。弯曲网状连接结构的网孔在缘板表面的投影近似呈正三角形，相邻两分枝之间的夹角∠A1＝60°。
弯曲枝网式冷却结构与涡轮导叶缘板外表面相连。在涡轮机的工作中，由于缘板外表面和弯曲网状连接结构之间受热膨胀的程度不同，会产生较大的热应力，因此，在各连接位置处要平滑过渡，以减少应力集中，保证连接的可靠性。
实施例二
一种带有弯曲枝网式冷却结构的涡轮导向叶片，弯曲枝网式冷却结构中的圆柱支撑结构垂直于涡轮导向叶片缘板外表面。
弯曲枝网式冷却结构中的圆柱支撑结构由直径φD1＝2mm的柱体组成，呈正三角形排布，各柱体分别位于正三角形的顶点，正三角形的边长即相邻两柱体之间的距离L的典型值为4mm。
弯曲枝网式冷却结构中的弯曲网状连接结构沿轴线直径φD2＝1～2mm，椭圆形弯曲网状连接结构的轴线呈椭圆形，椭圆长轴长为L，短轴长0.7L，典型值为0.5L。弯曲枝网式冷却结构的总高度H＝4mm，气膜孔直径φd＝0.8mm，气膜孔轴线与缘板外表面的夹角∠A2＝40°。
实施例三
考虑到该结构会应用在不同的工况，工作温度不同，材料的热膨胀系数不同，因此提供了两种弯曲枝网式冷却结构，图2为椭圆形弯曲枝网式冷却结构，图6为圆形弯曲枝网式冷却结构。
圆形弯曲枝网式冷却结构即椭圆的长短轴相同的情况，该结构中，相邻两个圆柱支撑之间所连接的分支均为半圆环形，轴线为半径0.5L的半圆形，沿轴线方向各截面为典型值φD2＝1mm的圆形。该结构考虑了在高温环境下，缘板与弯曲网状连接结构之间受热膨胀量差异较大的情况，缘板直接与高温燃气接触，网状连接结构在冷却气的冲刷下得到了有效冷却，二者之间存在很高的温度差，而且缘板与弯曲网状连接结构所用材料的热膨胀系数可能存在差异，因此要考虑到缘板形变量更高，弯曲网状连接结构要为缘板的形变留出一定的空间，在运行中椭圆形弯曲枝网式冷却结构受力时，节点之间距离拉长，各位置处不会产生大的热应力，圆形弯曲枝网式冷却结构所允许的形变量可以更大，而且圆形弯曲枝网式冷却结构也增大了换热面积，相比椭圆形弯曲枝网式冷却结构，综合冷却效果增加2％左右，叶片强度增加5％以上。
实施例四
在气膜孔的布局上，可以采用一种流动阻力较小的模式，即将其冷却气入口布置在网孔正下方，如图7所示。与实施例一相比，这种形式虽然减少了冷却气流动的距离，冷却效果有所降低，但是也降低了流动阻力和损失，同时还具有易于观察孔口堵塞情况的优点。因此，可以在弯曲枝网结构尺寸不变的情况下，根据不同工况，以及缘板的不同位置对冷却的需求合理安排气膜孔的位置，以达到冷却气的最大化利用。
Claims (3)
1.一种涡轮叶片弯曲枝网式冷却结构，其特征在于，包括与缘板外表面垂直的阵列圆柱支撑结构(6)和弯曲网状连接结构(5)组成；
所述圆柱支撑结构(6)截面为直径φD1＝1～2mm的圆形，为能够在较为狭小的空间内布置更多的扰流结构，各柱体在缘板外表面叶片内腔冷却气通道入口周围应呈正三角形排布，且各柱体分别位于正三角形的顶点，该正三角形边长即相邻圆柱支撑的间距L(7)为3～5mm；
所述弯曲网状连接结构(5)的轴线呈椭圆形，椭圆长轴(15)为L，椭圆短轴(14)长为0.3～0.7L，沿轴线各截面为弯曲网状连接结构的直径φD2，φD2为1～2mm的圆形，为保证本发明效果，φD2与φD1相等，且弯曲枝网式冷却结构的总高度H(8)为2～4mm，由于圆柱支撑呈正三角形排布，因此弯曲枝网在连接相邻两个圆柱支撑的上端部后，形成的网孔(17)在缘板外表面投影近似呈正三角形，且弯曲网状连接结构相邻两分枝之间的夹角∠A1＝60°。
2.如权利要求1所述的一种涡轮叶片弯曲枝网式冷却结构，其特征在于，缘板气膜孔的冷却气入口应布置在弯曲网状连接结构中连接两个圆柱支撑的分枝正下方，气膜孔轴线方向与缘板平面切向夹角∠A2＝30°～40°，气膜孔直径φd＝0.5～0.8mm。
3.如权利要求1或2所述的一种涡轮叶片弯曲枝网式冷却结构，其特征在于，所述的弯曲网状连接结构(5)的各节点、圆柱支撑、缘板外表面连接位置均平滑过渡。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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