CN113550794B - 一种涡轮转子叶片的多腔高效冷却结构及其冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮转子叶片的多腔高效冷却结构及其冷却方法，该冷却结构包括设于叶身内腔中且由所述叶身前缘向所述叶身尾缘依次固定设置的第一隔板、第二隔板以及第三隔板；所述第一隔板靠近所述叶身前缘的一侧向所述榫头方向纵向延伸并与所述榫头前缘的内壁形成第一冷气通道，所述第一隔板背离所述叶身前缘的一侧向所述第二隔板和所述第三隔板下方横向延伸、向所述榫头方向纵向延伸并与所述榫头尾缘的内壁形成第二冷气通道。本发明能够有效抑制流动分离，可承受强度水平高，冷气利用率高，叶片温度更均匀，具有较高的强度寿命水平。

Description

一种涡轮转子叶片的多腔高效冷却结构及其冷却方法

技术领域

本发明属于涡轮叶片领域，特别涉及一种涡轮转子叶片的多腔高效冷却结构及其冷却方法。

背景技术

燃气涡轮发动机为了提高热效率和功率输出水平而不断地提升燃气涡轮转子进口温度(RIT)。当前服役的先进航空发动机的RIT远比转子叶片材料的熔点高，同时转子叶片在工作时还承受着高达数吨的离心力，因此，设计一种能够承受高温、高压、高转速且安全可靠长寿命的燃气涡轮转子叶片是十分困难的。

为保证燃气涡轮转子叶片在高温、高压、高转速条件下的工作，不仅需要燃气涡轮转子叶片的材料提高耐温水平和力学性能，同时更需要使用高效先进可靠的热防护措施。资料统计表明新型耐温材料的耐温能力每年平均提升8K，远低于燃气涡轮进口温度每年平均增速20K，且新材料的成本随其耐温性的提高呈指数倍增长，同时为保证发动机可靠性其真正应用仍需很长时间。因此，当前中小发航空发动机随着燃气涡轮转子进口温度(RIT)的提高，转子叶片主要是依靠其冷却设计水平的提高来保证其安全可靠性。当前燃气涡轮转子叶片冷却设计主要手段有增加径向直通道数量、冲击射流、柱肋扰流、气膜覆盖、发散冷却、双层壁冷却等。

涡轮转子叶片的冷却可以从内部和外部实施。内部冷却措施有径向多腔直通道、多腔蜿蜒廻流通道、冲击射流、柱肋扰流、双层壁等，通过利用增加内部流动流程、内部换热面积、内部扰流强度等以尽可能少的冷却气量获得较高的冷却效率；外部冷却措施有气膜冷却、发散冷却等，通过在高温区增开一排或多排气膜孔或多孔的介质材料，将内部的冷却气引入到涡轮转子叶片的表面，并在表面形成一层冷气膜，从而阻隔高温燃气对叶片外壁面的加热。为了满足当前发动机燃气涡轮转子叶片的高强度长寿命要求，以上这些冷却技术的最优组合是设计冷却燃气涡轮转子叶片的关键。

目前国内中小发航空发动机为提高功率和效率一般燃气涡轮转速高达每分钟数万转以上，在RIT为1600K及以下时，基于现有成熟材料、强度寿命及可靠性考虑，一般不采用气膜冷却、双层壁、发散冷却等技术，当前多采用径向多腔直通道(见图1)、前缘径向单腔+中后部蜿蜒回流通道(见图2)、三腔蜿蜒回流通道(见图3～4)等。如图1所示的径向多腔直通道，其冷气利用率最差，当RIT越高时需要使用的冷气量越多，对发动机性能不利；图2所示结构为了降低转子叶片前缘温度，在前缘设置独立径向单腔冷却，同样存在冷气未充分利用的问题，同时中后部三腔尤其是第二隔板底部容易出现滞止回流区，使得叶片外表面同部位温度较高，对发动机寿命不利；图3～4所示三腔蜿蜒廻流结构，不仅存在第一腔或者第三腔底部容易出现回流滞止问题，还存在前缘或尾缘不能得到充分冷却(图3中冷却气体由叶片尾缘底部向叶片前部流动使得前缘冷却不充分，图4中冷却气体由叶片前缘底部向叶片尾缘流动使得尾缘冷却不充分)的问题。同时以上所示结构均存在横向肋条的流动损失较大的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明采用的技术方案是：一种涡轮转子叶片的多腔高效冷却结构，所述叶片包括榫头及与所述榫头贯通并固定连接的叶身；

所述冷却结构包括设于叶身内腔中的第一隔板、第二隔板以及第三隔板，且由所述叶身前缘向所述叶身尾缘依次固定设置；

所述第一隔板靠近所述叶身前缘的一侧向所述榫头方向纵向延伸并与所述榫头前缘的内壁形成第一冷气通道，所述第一隔板背离所述叶身前缘的一侧向所述第二隔板和所述第三隔板下方横向延伸、向所述榫头方向纵向延伸并与所述榫头尾缘的内壁形成第二冷气通道；

所述叶身远离所述榫头的一端设有横向设置的挡板，所述挡板上开设有多个叶尖孔，所述叶身尾缘的侧壁上开设有多个尾缘孔。

可选地，所述第一隔板、所述第二隔板和所述第三隔板将所述叶身内腔分隔成依次设置的第一腔、第二腔、第三腔和第四腔，至少所述第一腔、所述第二腔和所述第三腔上方设有所述叶尖孔。

可选地，所述第一隔板背离所述叶片前缘的一侧向所述第二隔板和所述第三隔板下方横向延伸形成有导流台，所述第二隔板和所述第三隔板与所述导流台之间具有一定间隙，所述第二隔板和所述导流台之间设有导流片。

可选地，所述导流片为多节段且呈弧形绕接设置。

可选地，所述第一腔、所述第二腔、所述第三腔和所述第四腔内分别固设有斜肋。

可选地，所述叶片的叶盆侧和叶背侧的所述斜肋呈交叉状。

可选地，所述第二隔板靠近所述挡板的一端向所述叶身尾缘方向横向延伸形成位于所述第三隔板上方的导流面。

可选的，所述尾缘孔包括第一尾缘孔和大于所述第一尾缘孔的第二尾缘孔，所述第一尾缘孔设于靠近叶片的叶尖位置。

可选的，所述第一尾缘孔为跑道型尾缘孔，所述第二尾缘孔为圆形尾缘孔。

以及，一种涡轮转子叶片的多腔高效冷却结构的冷却方法，所述第一隔板、所述第二隔板和所述第三隔板将所述叶身内腔分隔成依次设置的第一腔、第二腔、第三腔和第四腔，所述冷却方法包括：

冷却气体由所述第一冷气通道和所述第二冷气通道分别进入所述第一腔和所述第四腔；

流入所述第一腔内的冷却气体一部分经所述叶尖孔流出，一部分由所述第一隔板的顶端进入所述第二腔上方；

流入所述第二腔上方的冷却气体一部分水平流动至所述第三腔和所述第四腔的上方并由所述尾缘孔排出，一部分经所述第二腔下方进入所述第三腔和所述第四腔的下方；

流入所述第三腔下方的冷却气体流至所述第三腔的上方并由尾缘孔排出；

流入所述第四腔内的冷却气体由尾缘孔排出。

本发明由于采用上述技术方案，使其具有以下有益效果：能够有效抑制流动分离，可承受强度水平高，冷气利用率高，叶片温度更均匀，具有较高的强度寿命水平。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图5至附图10是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据现有技术中径向三腔直通道冷却结构示意图；

图2示出了根据现有技术中前缘单腔+蜿蜒回流直通道冷却结构示意图；

图3示出了根据现有技术中尾缘底部进气径向三腔蜿蜒廻流通道冷却结构示意图；

图4示出了根据现有技术中前缘底部进气径向三腔蜿蜒廻流通道冷却结构示意图；

图5示出了根据本发明实施例的多腔高效冷却结构示意图；

图6示出了根据本发明实施例的多腔高效冷却结构内部流路示意图；

图7示出了根据本发明实施例的多腔高效冷却结构相关尺寸示意图；

图8示出了根据本发明实施例的斜肋剖面图(沿图7中A-A的剖切面)；

图9示出了根据本发明实施例的跑道孔结构示意图(图7中B向视图)；

图10示出了根据本发明实施例的多腔高效冷却结构中叶盆与叶背侧交叉斜肋布置示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例的涡轮转子叶片的多腔高效冷却结构，如图5所示，叶片1包括榫头及与榫头贯通并固定连接的叶身，冷却结构包括纵向设于叶身内腔中的第一隔板3、第二隔板4以及第三隔板5，且第一隔板3、第二隔板4以及第三隔板5由叶身前缘向叶身尾缘依次固定设置。第一隔板3靠近叶身前缘的一侧向榫头方向纵向延伸并与榫头前缘的内壁形成第一冷气通道7，第一隔板3背离叶身前缘的一侧向第二隔板4和第三隔板5下方横向延伸、向榫头方向纵向延伸并与榫头尾缘的内壁形成第二冷气通道8，其中第一冷气通道7为主要冷气流量通道，第二冷气通道8为补充冷气流量通道。叶身远离榫头的一端设有横向设置的挡板2，挡板2上开设有多个叶尖孔10，叶身尾缘的侧壁上开设有多个尾缘孔。第一隔板3、第二隔板4和第三隔板5将叶身内腔分隔成依次设置的第一腔、第二腔、第三腔和第四腔。

基于上述发明实施例的一种涡轮转子叶片1的多腔高效冷却结构可知，第一隔板3、第二隔板4和第三隔板5将叶身内腔分隔成依次设置的第一腔、第二腔、第三腔和第四腔，如图6所示的多腔高效冷却结构内部流路示意图，本发明实施例的冷却方法包括：冷却气体由第一冷气通道7和第二冷气通道8分别进入第一腔和第四腔；流入第一腔内的冷却气体一部分经叶尖孔10流出，一部分由第一隔板3的顶端进入第二腔上方；流入第二腔上方的冷却气体一部分水平流动至第三腔和第四腔的上方并由尾缘孔排出，一部分经第二腔下方进入第三腔和第四腔的下方；流入第三腔下方的冷却气体流至第三腔的上方并由尾缘孔排出；流入第四腔内的冷却气体由尾缘孔排出。

在本实施例中，为了解决冷却气体从叶片1前缘底部进入对尾缘冷却造成的不利影响，设置靠近叶片1尾缘位置的第三隔板5，且第三隔板5既不与叶身内腔顶部的挡板2连接也不与叶身内腔的底部连接(如图5所示，第一隔板3背离叶身前缘的一侧向第二隔板4和第三隔板5下方横向延伸且与第二隔板4和第三隔板5之间具有一定间隙)，使第三腔和第四腔完全连通，能够很好地降低各截面温差，从而减少叶片1截面热应力，提高叶片1使用寿命，同时增加的第三隔板5能够有效地降低尾缘孔的应力以及增加叶片1尾缘部位抵抗振动的能力。此外由第一隔板3形成的与第四腔贯通的第二冷气通道8构成冷却气体补充通道，进一步增强内部流动的强化换热降低流动损失。

进一步的，第一隔板3背离叶片1前缘的一侧向第二隔板4和第三隔板5下方横向延伸形成有导流台，第二隔板4和第三隔板5与导流台之间具有一定间隙，如图5所示，导流台呈凹弧状，方便气体导流，能够很好地抑制气流转弯后滞止回流区的出现，且相比没有导流片6的转子叶片不仅降低了流动损失同时也很好地降低了第二、三腔底部对应叶片1外表面的金属壁温。且第二隔板4和导流台之间设有导流片6，导流片6为多节段且呈弧形绕接设置，保证冷却气体从第二腔能够很平顺的流动到第三腔。其中，第二隔板4位于导流台凹弧最低端的正上方，且距离较远，第三隔板5位于导流台凹弧端部，且距离较近，从而使得第二腔底部的冷却气体经导流片6整流后大部分径向流入第三腔内部，很少部分经进入第四腔与第二冷气通道8排入的冷却气体汇合后由尾缘孔排出。

在挡板2上开设的多个叶尖孔10中，至少第一腔、第二腔和第三腔上方设有叶尖孔10，由此使得第一腔、第二腔和第三腔内的一部分冷却气体可从该叶尖孔10排出。

第一腔、第二腔、第三腔和第四腔内分别固设有斜肋9，通过斜肋9的扰流作用增强冷却气体在腔内的流动，强化换热效率，降低流动损失，此外，斜向设置相较于横向设置流动损失减少。进一步的，结合图10所示的多腔高效冷却结构中叶盆与叶背侧交叉斜肋9布置示意图，叶片1的叶盆侧和叶背侧的斜肋9呈交叉状，相比水平设置或叶盆侧和叶背侧平行设置的斜肋可进一步降低流动损失，提高冷却效果。

如图5所示，第二隔板4靠近挡板2的一端向叶身尾缘方向横向延伸形成位于第三隔板5上方的导流面，且该导流面与挡板2之间具有一定间距，使进入第二腔上方的冷却气体可由导流面进入第四腔上方的尾缘孔排出。进一步的，在叶身尾缘的侧壁上开设的多个尾缘孔中，多个尾缘孔包括第一尾缘孔和大于第一尾缘孔的第二尾缘孔，第一尾缘孔设于靠近叶片1的叶尖位置，且第一尾缘孔为跑道型尾缘孔11、第二尾缘孔为圆形尾缘孔12，跑道型尾缘孔11的位置高于第三隔板5的顶端。在转子带动叶片1旋转时，在第三、四腔顶部尾缘部位增开的跑道型尾缘孔11可抵抗在旋转情况下哥氏力对尾缘顶部冷却的弱化，从而方便冷却气体的排出。

在本实施例中，结合图7示出的腔高效冷却结构相关尺寸示意图、图8示出的图7中A-A的剖切面、图9示出的图7的B向视图以及图1所示。叶尖孔10的直径d1＝0.25～0.50mm，圆形尾缘孔12的直径d1＝0.25～0.50mm，跑道型尾缘孔11尺寸为：边缘弧形直径d2＝0.25～0.50mm、宽度L4＝d2、长度L5＝(2～4)d2，斜肋9尺寸为：角度α＝45°～60°、宽度L1＝0.25～0.6mm，斜肋9间距L2＝(6～10)L1、肋高L3＝0.25～0.6mm、肋与壁面倒角R1＝0.1～0.25mm，导流片6厚度L6＝0.5～0.9mm。

需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种涡轮转子叶片的多腔高效冷却结构，所述叶片包括榫头及与所述榫头贯通并固定连接的叶身，其特征在于：

所述冷却结构包括设于叶身内腔中的第一隔板、第二隔板以及第三隔板，且由所述叶身前缘向所述叶身尾缘依次固定设置；

所述第一隔板靠近所述叶身前缘的一侧向所述榫头方向纵向延伸并与所述榫头前缘的内壁形成第一冷气通道，所述第一隔板背离所述叶身前缘的一侧向所述第二隔板和所述第三隔板下方横向延伸、向所述榫头方向纵向延伸并与所述榫头尾缘的内壁形成第二冷气通道；

所述叶身远离所述榫头的一端设有横向设置的挡板，所述挡板上开设有多个叶尖孔，所述叶身尾缘的侧壁上开设有多个尾缘孔；

所述第一隔板、所述第二隔板和所述第三隔板将所述叶身内腔分隔成依次设置的第一腔、第二腔、第三腔和第四腔；

冷却气体由所述第一冷气通道和所述第二冷气通道分别进入所述第一腔和所述第四腔；

流入所述第一腔内的冷却气体一部分经所述叶尖孔流出，一部分由所述第一隔板的顶端进入所述第二腔上方；

流入所述第二腔上方的冷却气体一部分水平流动至所述第三腔和所述第四腔的上方并由所述尾缘孔排出，一部分经所述第二腔下方进入所述第三腔和所述第四腔的下方；

流入所述第三腔下方的冷却气体流至所述第三腔的上方并由尾缘孔排出；

流入所述第四腔内的冷却气体由尾缘孔排出。

2.如权利要求1所述的涡轮转子叶片的多腔高效冷却结构，其特征在于，所述第一隔板、所述第二隔板和所述第三隔板将所述叶身内腔分隔成依次设置的第一腔、第二腔、第三腔和第四腔，至少所述第一腔、所述第二腔和所述第三腔上方设有所述叶尖孔。

3.如权利要求1所述的涡轮转子叶片的多腔高效冷却结构，其特征在于，所述第一隔板背离所述叶片前缘的一侧向所述第二隔板和所述第三隔板下方横向延伸形成有导流台，所述第二隔板和所述第三隔板与所述导流台之间具有一定间隙，所述第二隔板和所述导流台之间设有导流片。

4.如权利要求3所述的涡轮转子叶片的多腔高效冷却结构，其特征在于，所述导流片为多节段且呈弧形绕接设置。

5.如权利要求2所述的涡轮转子叶片的多腔高效冷却结构，其特征在于，所述第一腔、所述第二腔、所述第三腔和所述第四腔内分别固设有斜肋。

6.如权利要求5所述的涡轮转子叶片的多腔高效冷却结构，其特征在于，所述叶片的叶盆侧和叶背侧的所述斜肋呈交叉状。

7.如权利要求1所述的涡轮转子叶片的多腔高效冷却结构，其特征在于，所述第二隔板靠近所述挡板的一端向所述叶身尾缘方向横向延伸形成位于所述第三隔板上方的导流面。

8.如权利要求1至7任意一项所述的涡轮转子叶片的多腔高效冷却结构，其特征在于，所述尾缘孔包括第一尾缘孔和第二尾缘孔，所述第一尾缘孔设于靠近叶片的叶尖位置，所述第一尾缘孔为跑道型尾缘孔，所述第二尾缘孔为圆形尾缘孔。

9.一种如权利要求1所述的涡轮转子叶片的多腔高效冷却结构的冷却方法，其特征在于，所述第一隔板、所述第二隔板和所述第三隔板将所述叶身内腔分隔成依次设置的第一腔、第二腔、第三腔和第四腔，所述冷却方法包括：

冷却气体由所述第一冷气通道和所述第二冷气通道分别进入所述第一腔和所述第四腔；

流入所述第一腔内的冷却气体一部分经所述叶尖孔流出，一部分由所述第一隔板的顶端进入所述第二腔上方；

流入所述第二腔上方的冷却气体一部分水平流动至所述第三腔和所述第四腔的上方并由所述尾缘孔排出，一部分经所述第二腔下方进入所述第三腔和所述第四腔的下方；

流入所述第三腔下方的冷却气体流至所述第三腔的上方并由尾缘孔排出；

流入所述第四腔内的冷却气体由尾缘孔排出。

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