CN114439553B - 一种低热应力涡轮冷却导向叶片 - Google Patents
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Abstract
本申请属于涡轮叶片冷却设计领域，为一种低热应力涡轮冷却导向叶片，在吸力侧板、压力侧板、前缘和尾缘之间设有冷却腔，在尾缘内开设有供冷却气流出的尾缝，每个冷却腔内均设有冲击板，冲击板为一侧开口的不封闭板体，冲击板位于冷却腔内燃气换热量大的一侧；位于冲击板一侧的叶片侧壁在冲击孔的作用下能够有效地提高换热强度，使得燃气换热量大的一部分叶片与燃气换热量小的一部分叶片外表面的温度大致相同，这样叶片的温度分布更为均匀，热应力较小，整体的冷却性能更好。同时，相比于冷气导管，冲击板的横截面更小，重量更轻，也即是说，本申请通过采用更轻的冷却结构取得了更好的冷却效果。
Description
技术领域
本申请属于涡轮叶片冷却设计领域，特别涉及一种低热应力涡轮冷却导向叶片。
背景技术
航空发动机及燃气轮机的涡轮叶片工作在高温高压环境下，高压涡轮导向叶片位于燃烧室出口，其所处环境温度远高于叶片基体材料可承受温度，目前普遍采用冷却技术对叶片进行降温，以保证叶片正常工作。
图1、图2为涡轮冷却导向叶片结构示意图，目前涡轮冷却导向叶片多采用分腔供气，内部装配冷气导管，叶身布置气膜孔，冷却气体经冷气导管上的冲击孔流出，对叶片内壁形成冲击冷却，再经气膜孔流出，对叶片外壁形成气膜冷却。
涡轮冷却导向叶片的内部为冷却气体，外部为高温燃气，二者温差达800℃以上，叶片温度分布导致的热应力是影响导向叶片使用寿命的主要因素之一，降低热应力有助于提高叶片使用寿命。
涡轮冷却导向叶片的温度分布越均匀，温度梯度越小，热应力越小。影响涡轮冷却导向叶片温度分布的传热过程包括叶片外部的燃气与叶片基体之间的换热、叶片基体的导热以及叶片内部的冷气与叶片基体之间的换热。由于涡轮冷却导向叶片外部燃气在叶片不同位置的换热温度和换热系数是不同的，为使叶片的温度分布均匀，叶片内部冷气换热需要与外部燃气换热相适应。
在冷气导管上布置冲击孔，冷气通过冲击孔对叶片内壁面形成冲击冷却，可显著提高冷气与基体的换热系数，冲击孔的存在一方面可以提高换热强度，另一方面为冷气提供流通通道，保证足够的冷气流量。冲击孔的双重功能使得这种冷气导管结构在调解内部冷却换热强度上灵活性不足。当叶片外部不同位置燃气换热差别较大时，由于内部冷却结构不能与叶片外部燃气换热进行适应性匹配，会导致叶片的温度分布均匀性差，热应力大，降低叶片使用寿命。
因此，如何根据叶片不同位置处的换热性能进行适配性设计，提高冷气的利用率是一个需要解决的问题。
发明内容
本申请的目的是提供了一种低热应力涡轮冷却导向叶片，以解决现有技术中采用冷气导管对叶片进行冷却时灵活性不足，叶片温度分布均匀性差、寿命短的问题。
本申请的技术方案是：一种低热应力涡轮冷却导向叶片，，包括前缘、尾缘、吸力侧板和压力侧板，所述吸力侧板、压力侧板、前缘和尾缘之间设有冷却腔，所述冷却腔内设有冲击板，所述冲击板为一侧开口的不封闭板体，所述冲击板位于冷却腔内燃气换热量大的一侧，所述冲击板上开设有冲击孔，所述冲击板与冷却腔内壁之间设有定位结构，所述冲击板与叶片的上缘板与下缘板之间设有固定结构。
优选地，所述定位结构包括设于冷却腔内壁上的凸起和凸台，所述冲击板一侧侧边上设有弯折部，所述弯折部与凸起卡接配合，所述冲击板另一侧侧边与凸台搭接配合。
优选地，所述固定结构包括设于冲击板上下两侧的翻折板，所述上缘板和下缘板对应翻折板的位置处开设有缘板凹台，所述翻折板插设于缘板凹台内并且翻折板与缘板凹台焊接配合。
本申请的一种低热应力涡轮冷却导向叶片，在吸力侧板、压力侧板、前缘和尾缘之间设有冷却腔，在尾缘内开设有供冷却气流出的尾缝，冷却腔的数量不限于一组，每个冷却腔内均设有冲击板，冲击板为一侧开口的不封闭板体，冲击板位于冷却腔内燃气换热量大的一侧，冲击板上开设有冲击孔，冲击板与冷却腔内壁之间设有定位结构，冲击板与叶片的上缘板与下缘板之间设有固定结构；冲击板为弧形结构从而形成外凸侧和内凹侧，外凸侧与冷却腔的内壁相距较近，内凹侧与冷却腔的内壁相距较远，并且外凸侧与冷却腔内燃气换热量大的一侧相对应。位于冲击板一侧的叶片侧壁在冲击孔的作用下能够有效地提高换热强度，并保证冷气流量，因此该侧的叶片冷却效果提高，并且由于该侧本身的燃气换热量较大，使得燃气换热量大的一部分叶片与燃气换热量小的一部分叶片外表面的温度大致相同，这样叶片的温度分布更为均匀，热应力较小，整体的冷却性能更好。同时，相比于冷气导管，冲击板的横截面更小，重量更轻，也即是说，本申请通过采用更轻的冷却结构取得了更好的冷却效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为背景技术中涡轮冷却导向叶片示意图；
图2为图1中M-M截面示意图；
图3为本申请整体结构示意图；
图4为图3中A部放大图；
图5为图3中B部放大图；
图6为本申请涡轮冷却导向叶片侧向剖视示意图。
1、前缘；2、尾缘；3、吸力侧板；4、压力侧板；5、冷却腔；6、冲击板；7、冲击孔；8、气膜孔；9、凸起；10、凸台；11、弯折部；12、翻折板；13、上缘板；14、下缘板；15、缘板凹台；16、尾缝。
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。
一种低热应力涡轮冷却导向叶片，包括前缘1、尾缘2、吸力侧板3和压力侧板4。吸力侧板3、压力侧板4、前缘1和尾缘2之间设有冷却腔5，在尾缘2内开设有供冷却气流出的尾缝16，冷却腔5的数量不限于一组，如图3所示的冷却腔5的数量为2组，每个冷却腔5内均设有冲击板6，为一侧开口的不封闭的弧形板，冲击板6位于冷却腔5内燃气换热量大的一侧，冲击板6上开设有冲击孔7，冲击板6与冷却腔5内壁之间设有定位结构，冲击板6与叶片的上缘板13与下缘板14之间设有固定结构。
冲击板6为弧形结构从而形成外凸侧和内凹侧，外凸侧与冷却腔5的内壁相距较近，内凹侧与冷却腔5的内壁相距较远，并且外凸侧与冷却腔5内燃气换热量大的一侧相对应。
在进行冷却时，冷却气体先进入到冲击板6的内凹侧与冷却腔5的内壁之间，此时冷却腔5内分成两部分，具有冲击板6的一侧和不具有冲击板6的一侧；冷却气体在冷却腔5内不具有冲击板6的一侧与冷却腔5的内壁直接接触，并经过叶片上的气膜孔8直接流出，形成气膜对该部分的叶片进行直接冷却；冷却气体在冷却腔5内具有冲击板6的一侧与冲击板6的内凹槽相接处，在冷却时限经过冲击孔7向外流出，对叶片内壁形成冲击冷却，而后在经过气膜孔8流出，对叶片外壁形成气膜冷却，靠近尾缘2一侧的冷却腔5内的冷却气体从冲击孔7流出之后，冲击到叶片的内壁上，而后从尾缝16处流出。
位于冲击板6一侧的叶片侧壁在冲击孔7的作用下能够有效地提高换热强度，并保证冷气流量，因此该侧的叶片冷却效果提高，并且由于该侧本身的燃气换热量较大，降温幅度较大；而另一侧的冷却效果较小，降温幅度较小，使得燃气换热量大的一部分叶片与燃气换热量小的一部分叶片外表面的温度大致相同，这样实现了冷却气体的冷气量与燃气换热量的适配，叶片的温度分布更为均匀，热应力较小，冷气利用率高，整体的冷却性能更好。
同时，相比于冷气导管，冲击板6的横截面更小，重量更轻，也即是说，本申请通过采用更轻的冷却结构取得了更好的冷却效果。
通过设置定位结构来对冲击板6进行定位，定位结构的设置能够有效地保证冲击板6位置的精度，使得冲击板6能够对叶片燃气换热量的一侧进行稳定的冷却。
冲击孔7在设置时仍然与气膜孔8为交错排布，以保证从冲击孔7流出的冷却气体能够均匀地流入到各个气膜孔8内。
冲击板6的位置不是固定的，也即是不一定仅设置在如图3所示的位置，而后根据冷却需求来进行排布，在进行冲击板6的安装前，需要先对对应的叶片进行燃气换热分析，找出燃气换热量排布，而后在燃气换热量大的一侧设置冲击板6，从而到达冷却腔5内温度分布均匀的效果。
优选地，定位结构包括设于冷却腔5内壁上的凸起9和凸台10，冲击板6一侧侧边上设有弯折部11，弯折部11与凸起9卡接配合，冲击板6另一侧侧边与凸台10搭接配合。通过设置凸起9和凸台10对冲击板6进行定位，定位精准的同时安装方便。
优选地，固定结构包括设于冲击板6上下两侧的翻折板12，上缘板13和下缘板14对应翻折板12的位置处开设有缘板凹台15，翻折板12插设于缘板凹台15内并且翻折板12与缘板凹台15焊接配合，缘板凹台15与翻转板的设置实现了对焊接位置的定位，而后通过焊接连接冲击板6与上缘板13和下缘板14，固定稳定。
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 (2)
1.一种低热应力涡轮冷却导向叶片，包括前缘(1)、尾缘(2)、吸力侧板(3)和压力侧板(4)，所述吸力侧板(3)、压力侧板(4)、前缘(1)和尾缘(2)之间设有冷却腔(5)，其特征在于：所述冷却腔(5)内设有冲击板(6)，所述冲击板(6)为一侧开口的不封闭板体，所述冲击板(6)位于冷却腔(5)内燃气换热量大的一侧，所述冲击板(6)上开设有冲击孔(7)，所述冲击板(6)与冷却腔(5)内壁之间设有定位结构，所述冲击板(6)与叶片的上缘板(13)与下缘板(14)之间设有固定结构；
所述定位结构包括设于冷却腔(5)内壁上的凸起(9)和凸台(10)，所述冲击板(6)一侧侧边上设有弯折部(11)，所述弯折部(11)与凸起(9)卡接配合，所述冲击板(6)另一侧侧边与凸台(10)搭接配合。
2.如权利要求1所述的低热应力涡轮冷却导向叶片，其特征在于：所述固定结构包括设于冲击板(6)上下两侧的翻折板(12)，所述上缘板(13)和下缘板(14)对应翻折板(12)的位置处开设有缘板凹台(15)，所述翻折板(12)插设于缘板凹台(15)内并且翻折板(12)与缘板凹台(15)焊接配合。
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