CN114017131B - 一种变几何低压涡轮导向叶片半层板冷却结构 - Google Patents

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Abstract

本申请属于涡轮导向叶片领域，特别涉及一种变几何低压涡轮导向叶片半层板冷却结构。包括：上旋转轴，下旋转轴以及叶片。本申请的变几何低压涡轮导向叶片半层板冷却结构，采用单腔供气、三路流道的冷却设计，在满足叶片冷却需要的同时能够保证盘腔供气。该冷却结构对冷气有着较高的利用率，叶片整体的综合冷效较高。本申请的变几何低压涡轮导向叶片半层板冷却结构，在实现了导向叶片的高效冷却的同时，兼顾了盘腔冷却、封严的要求，与常规的低压涡轮导向叶片冷却结构相比，本申请的冷却结构能满足更高的涡轮前温度要求，且不需要安装导管等其它辅助结构，就可实现同等相对冷气量下的高冷却效率，减少了叶片的零部件数量，提高冷气使用效率。

Description

一种变几何低压涡轮导向叶片半层板冷却结构
技术领域
本申请属于涡轮导向叶片领域，特别涉及一种变几何低压涡轮导向叶片半层板冷却结构。
背景技术
为适应航空发动机在飞机超声速、格斗和机动飞行状态下的高单位推力，以及飞机在亚音速巡航、待机和空中巡逻时的低耗油率，变循环发动机在此背景下应运而生。为了使变循环发动机能够在整个亚声速和超声速飞行期间实现性能与效率最大化，设计人员通过旋转低压涡轮导向叶片，改变低压涡轮导向器的喉道面积来调节燃气流量，从而满足不同发动机工作状态需要。为实现低压涡轮导向叶片旋转，叶片的叶身与上下缘板分离，在叶身上下两端增加了旋转台，构成变几何低压涡轮导向叶片。由于叶身与上下缘板分离，且有转台的局限，叶片内腔冷却结构设计更为困难。
常规发动机的低压涡轮导向叶片通常采用的是单腔冷却结构，即在腔内安装冲击导管。冷气由上缘板进入冲击导管，大部分冷气经过冲击导管后排入下缘板的盘腔，平衡转子轴向力，并对盘腔进行冷却和封严；少量气体经过冲击导管上的冲击孔流出，形成对叶片局部高温区域的冲击冷却，强化换热；冲击后的冷却气体流向尾缘，从尾缘气膜孔排入主通道，形成气膜冷却。变循环发动机属于预先研究技术，在国内的研究刚刚起步，与之相匹配的变几何低压涡轮导向叶片尚无成熟的技术方案和应用案例。由于变几何低压涡轮导向叶片的转台结构限制，在常规循环发动机中采用的导管冷却结构已无法实现，而且变循环发动机涡轮前温度较常规循环发动机更进一步提高。目前所普遍采用的冷却结构形式已经无法满足叶片冷却的需要。
因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
发明内容
本申请的目的是提供了一种变几何低压涡轮导向叶片半层板冷却结构，以解决现有技术存在的至少一个问题。
本申请的技术方案是：
一种变几何低压涡轮导向叶片半层板冷却结构，包括：
上旋转轴，所述旋转轴的侧壁上开设有冷气进口，所述旋转轴的内部设置有第一冷却腔；
下旋转轴，所述下旋转轴的内部设置有第二冷却腔，所述下旋转轴还设置有冷气出口；
叶片，所述叶片设置在所述上旋转轴以及所述下旋转轴之间，所述叶片的内部设置有第三冷却腔，所述第三冷却腔分别与所述第一冷却腔以及所述第二冷却腔连通，所述叶片具有盆侧外壁，所述盆侧外壁上开设有盆侧气膜孔；
所述叶片具有叶背冲击板以及背侧外壁，所述叶背冲击板上开设有背侧冲击孔，所述叶背冲击板与所述背侧外壁之间设置有背侧冲击腔，所述叶片还设置有尾缘前端冲击板以及尾缘前端外壁，所述尾缘前端冲击板上开设有与所述背侧冲击腔连通的尾缘前端冲击孔，所述尾缘前端冲击板与所述尾缘前端外壁之间设置有尾缘冲击通道，所述尾缘前端外壁上开设有尾缘气膜孔；
所述叶片具有前缘冲击板以及前缘外壁，所述前缘冲击板上开设有前缘冲击孔，所述前缘冲击板与所述前缘外壁之间设置有前缘冲击腔，所述前缘外壁上开设有前缘气膜孔；
还包括三条冷气流路，分别为：
第一冷气流路，冷气依次经过第一冷却腔、第三冷却腔、第二冷却腔后，由冷气出口排出，实现盘腔引气；同时冷气在经过叶盆时，通过盆侧气膜孔流出叶片进入主流道；
第二冷气流路，冷气经过第一冷却腔进入第三冷却腔后，由叶背冲击板上的背侧冲击孔进入背侧冲击腔，然后经过尾缘前端冲击孔进入尾缘冲击通道，最后由尾缘气膜孔流出叶片进入主流道；
第三冷气流路，冷气经过第一冷却腔进入第三冷却腔后，由前缘冲击板上的前缘冲击孔进入前缘冲击腔，最后由前缘气膜孔流出叶片进入主流道。
在本申请的至少一个实施例中，所述冷气进口沿所述上旋转轴的侧壁周向均匀开设4个。
在本申请的至少一个实施例中，所述盆侧外壁的内侧设置有多个盆侧肋。
在本申请的至少一个实施例中，所述背侧冲击腔中设置有多个扰流柱。
在本申请的至少一个实施例中，所述尾缘冲击通道中布置有多个尾缘肋。
发明至少存在以下有益技术效果：
本申请的变几何低压涡轮导向叶片半层板冷却结构，在实现了导向叶片的高效冷却的同时，兼顾了盘腔冷却、封严的要求，与常规的低压涡轮导向叶片冷却结构相比，本申请的冷却结构能满足更高的涡轮前温度要求，且不需要安装导管等其它辅助结构，就可实现同等相对冷气量下的高冷却效率，减少了叶片的零部件数量，提高冷气使用效率。
附图说明
图1是常规结构与变几何导向叶片对比示意图；
图2是本申请一个实施方式的变几何低压涡轮导向叶片示意图；
图3是图2的B-B视图；
图4是图3的A-A视图；
图5是图3的C-C视图。
其中：
1-冷气进口；2-冷气出口；3-前缘气膜孔；4-盆侧气膜孔；5-尾缘气膜孔；6-第三冷却腔；7-叶背冲击板；8-前缘冲击板；9-尾缘冲击通道；10-背侧冲击腔；11-前缘冲击腔；12-前缘冲击孔；13-背侧冲击孔；14-尾缘前端冲击孔；15-扰流柱；16-盆侧肋；17-尾缘肋。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，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。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
下面结合附图1至图5对本申请做进一步详细说明。
本申请提供了一种变几何低压涡轮导向叶片半层板冷却结构，包括：上旋转轴，下旋转轴以及叶片。
如图1所示，变几何低压涡轮导向叶片与常规结构低压涡轮导向叶片在结构相似，均由上缘板A、下缘板B和叶身C组成，主要区别在于变几何低压涡轮导向叶片的上、下缘板与叶身是相互独立的，为了实现叶身转动，在上下两端增加了旋转轴E。这一结构上的变化导致变几何低压涡轮导向叶片内腔处于半封闭状态，不具有常规结构低压涡轮导向叶片大开口敞开式的内腔结构，无法在叶片内腔安装冷气导管D等辅助冷却的结构，冷却结构设计更为困难。
本申请的变几何低压涡轮导向叶片半层板冷却结构，根据变几何低压涡轮导向叶片的结构特点，冷却气只能从旋转轴E上的冷气进口1进入到叶片内腔，如图2所示。在叶片内腔，根据冷却和其它功能性的需要对冷气流路进行设计。结合叶片的外壁热负荷分布情况，前缘、叶背、尾缘是叶片热负荷较高的两个区域，需要进行冲击强化冷却。流经叶片内腔的冷气除了对叶片本身进行冷却以外，绝大部分的冷气会流出叶片进入到发动机盘腔中，平衡发动机的轴向力。为了避免盘腔引气和冷却用气相互影响，且须保证盘腔引气质量的基础上对叶身前缘、叶背、尾缘进行高效换热，因此采用了半层板冷却结构。叶片内腔冷却结构如图2、3、4、5所示。
本申请的变几何低压涡轮导向叶片半层板冷却结构，具体的，旋转轴的侧壁上开设有冷气进口1，旋转轴的内部设置有第一冷却腔；本实施例中，冷气进口1沿上旋转轴的侧壁周向均匀开设4个。下旋转轴的内部设置有第二冷却腔，下旋转轴还设置有冷气出口2；叶片设置在上旋转轴以及下旋转轴之间，叶片的内部设置有第三冷却腔6，第三冷却腔6分别与第一冷却腔以及第二冷却腔连通，叶片具有盆侧外壁，盆侧外壁上开设有盆侧气膜孔4；叶片具有叶背冲击板7以及背侧外壁，叶背冲击板7上开设有背侧冲击孔13，叶背冲击板7与背侧外壁之间设置有背侧冲击腔10，叶片还设置有尾缘前端冲击板以及尾缘前端外壁，尾缘前端冲击板上开设有与背侧冲击腔10连通的尾缘前端冲击孔14，尾缘前端冲击板与尾缘前端外壁之间设置有尾缘冲击通道9，尾缘前端外壁上开设有尾缘气膜孔5；叶片具有前缘冲击板8以及前缘外壁，前缘冲击板8上开设有前缘冲击孔12，前缘冲击板8与前缘外壁之间设置有前缘冲击腔11，前缘外壁上开设有前缘气膜孔3。
本申请的变几何低压涡轮导向叶片半层板冷却结构，通过上述冷却结构形成三条冷气流路，分别为：
第一冷气流路，冷气依次经过第一冷却腔、第三冷却腔6、第二冷却腔后，由冷气出口2排出，实现盘腔引气；同时冷气在经过叶盆时，通过盆侧气膜孔4流出叶片进入主流道；
第二冷气流路，冷气经过第一冷却腔进入第三冷却腔6后，由叶背冲击板7上的背侧冲击孔13进入背侧冲击腔10，然后经过尾缘前端冲击孔14进入尾缘冲击通道9，最后由尾缘气膜孔5流出叶片进入主流道；
第三冷气流路，冷气经过第一冷却腔进入第三冷却腔6后，由前缘冲击板8上的前缘冲击孔12进入前缘冲击腔11，最后由前缘气膜孔3流出叶片进入主流道。
本申请的变几何低压涡轮导向叶片半层板冷却结构，冷气由上旋转轴上的冷气进口1进入，再经过第二冷却腔进入叶片的第三冷却腔6，在第三冷却腔6内，冷气分成3路流通。第一冷气流路为叶盆冷却+盘腔供气流路，冷气进入第三冷却腔6后，以最小限度的温增和压降排出冷气出口2，保证了盘腔引气的冷气质量，满足盘腔冷却和封严需求；与此同时，该路冷气在经过叶盆时，会对盆侧外壁进行冷却，并有一小部分冷气通过盆侧气膜孔4流出叶片进入主流道，在盆侧形成气膜。本实施例中，盆侧外壁的内侧设置有多个盆侧肋16，增加盆侧外壁内侧换热面积的同时，能够提高盆侧壁面强度。
第二冷气流路为叶背-尾缘冷流路，一部分第三冷却腔6内的冷气通过叶背冲击板7的背侧冲击孔13，对叶片背部进行冲击强化换热。本实施例中，背侧冲击腔10中分布有多个扰流柱15，除了增加背侧换热面积外，也能够起到增加背侧结构强度的作用。冷气在背侧冲击冷却后，经过尾缘前端冲击孔14进入到尾缘冲击通道9，继续对尾缘部分进行强化冲击冷却，随后，冷气通过尾缘气膜孔5流入主流道，对叶片盆侧尾缘区域进行气膜冷却。本实施例中，尾缘冲击通道9中布置有多个尾缘肋17，用来增加换热面积以及提高尾缘结构强度。
第三冷气流路为前缘冲击流路，主要用来冷却叶片前缘高温区。一部分第三冷却腔6内的冷气通过叶片前缘冲击板8的前缘冲击孔12进入叶片前缘冲击腔11，对叶片前缘壁面进行冲击冷却，随后冷气通过前缘气膜孔3流入主流道，在叶片前缘表面形成气膜覆盖，进一步降低叶片前缘温度，保证叶片使用安全。
本申请的变几何低压涡轮导向叶片半层板冷却结构，采用单腔供气、三路流道的冷却设计，在满足叶片冷却需要的同时能够保证盘腔供气。该冷却结构对冷气有着较高的利用率，尤其是第二冷气流路的设计，几乎“榨干”了冷气的冷却能力，叶片整体的综合冷效较高。
本申请的变几何低压涡轮导向叶片半层板冷却结构，在实现了导向叶片的高效冷却的同时，兼顾了盘腔冷却、封严的要求，与常规的低压涡轮导向叶片冷却结构相比，本申请的冷却结构能满足更高的涡轮前温度要求，且不需要安装导管等其它辅助结构，就可实现同等相对冷气量下的高冷却效率，减少了叶片的零部件数量，提高冷气使用效率。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种变几何低压涡轮导向叶片半层板冷却结构，其特征在于，包括：
上旋转轴，所述旋转轴的侧壁上开设有冷气进口(1)，所述旋转轴的内部设置有第一冷却腔；
下旋转轴，所述下旋转轴的内部设置有第二冷却腔，所述下旋转轴还设置有冷气出口(2)；
叶片，所述叶片设置在所述上旋转轴以及所述下旋转轴之间，所述叶片的内部设置有第三冷却腔(6)，所述第三冷却腔(6)分别与所述第一冷却腔以及所述第二冷却腔连通，所述叶片具有盆侧外壁，所述盆侧外壁上开设有盆侧气膜孔(4)；
所述叶片具有叶背冲击板(7)以及背侧外壁，所述叶背冲击板(7)上开设有背侧冲击孔(13)，所述叶背冲击板(7)与所述背侧外壁之间设置有背侧冲击腔(10)，所述叶片还设置有尾缘前端冲击板以及尾缘前端外壁，所述尾缘前端冲击板上开设有与所述背侧冲击腔(10)连通的尾缘前端冲击孔(14)，所述尾缘前端冲击板与所述尾缘前端外壁之间设置有尾缘冲击通道(9)，所述尾缘前端外壁上开设有尾缘气膜孔(5)；
所述叶片具有前缘冲击板(8)以及前缘外壁，所述前缘冲击板(8)上开设有前缘冲击孔(12)，所述前缘冲击板(8)与所述前缘外壁之间设置有前缘冲击腔(11)，所述前缘外壁上开设有前缘气膜孔(3)；
还包括三条冷气流路，分别为：
第一冷气流路，冷气依次经过第一冷却腔、第三冷却腔(6)、第二冷却腔后，由冷气出口(2)排出，实现盘腔引气；同时冷气在经过叶盆时，通过盆侧气膜孔(4)流出叶片进入主流道；
第二冷气流路，冷气经过第一冷却腔进入第三冷却腔(6)后，由叶背冲击板(7)上的背侧冲击孔(13)进入背侧冲击腔(10)，然后经过尾缘前端冲击孔(14)进入尾缘冲击通道(9)，最后由尾缘气膜孔(5)流出叶片进入主流道；
第三冷气流路，冷气经过第一冷却腔进入第三冷却腔(6)后，由前缘冲击板(8)上的前缘冲击孔(12)进入前缘冲击腔(11)，最后由前缘气膜孔(3)流出叶片进入主流道。
2.根据权利要求1所述的变几何低压涡轮导向叶片半层板冷却结构，其特征在于，所述冷气进口(1)沿所述上旋转轴的侧壁周向均匀开设4个。
3.根据权利要求1所述的变几何低压涡轮导向叶片半层板冷却结构，其特征在于，所述盆侧外壁的内侧设置有多个盆侧肋(16)。
4.根据权利要求1所述的变几何低压涡轮导向叶片半层板冷却结构，其特征在于，所述背侧冲击腔(10)中设置有多个扰流柱(15)。
5.根据权利要求1所述的变几何低压涡轮导向叶片半层板冷却结构，其特征在于，所述尾缘冲击通道(9)中布置有多个尾缘肋(17)。
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