CN115111002A - 一种发动机高压涡轮导向叶片冷却结构 - Google Patents

Abstract

本申请属于非变容式发动机设计技术领域，具体涉及一种发动机高压涡轮导向叶片冷却结构，包括：根部冷却气进孔，位于叶片根部，与燃烧室内环冷却气连通；尖部冷却气进孔，位于叶片尖部，与燃烧室外环冷却气连通；多个气膜孔，分布在叶片叶盆、叶背侧；多个冷却进气腔，位于叶片内部，侧壁具有多个冲击冷却孔，沿叶片弦向分布，其中，靠近叶片前缘的部分冷却进气腔与根部冷却气进孔连通，靠近叶片后缘的部分冷却进气腔与尖部冷却气进孔连通；多个冲击冷却腔，位于叶片内部，绕叶片周向分布；各个冲击冷却腔与相应部位的气膜孔、冲击冷却孔连通。

Description

一种发动机高压涡轮导向叶片冷却结构

技术领域

本申请属于非变容式发动机设计技术领域，具体涉及一种发动机高压涡轮导向叶片冷却结构。

背景技术

随着发动机推力的增加，其高压涡轮导向叶片在燃烧室出口部位承受较高的温度载荷，以及温度梯度，易发生非均匀性较大变形，严重影响航空发动机的整体性能，为此，设计有高压涡轮导向叶片冷却结构。

当前，高压涡轮导向叶片冷却结构，其设计高压涡轮导向叶片外壁具有冷却气进孔，内部具有与冷却气进孔连通的冷却进气腔，以及具有多个在叶盆、叶背侧分布的气膜孔，各个气膜孔与冷却进气腔连通，冷却气可自冷却进气孔流入冷却进气腔，进而自各个气膜孔流出，在导向叶片侧壁形成气膜，以此对导向叶片进行冷却，降低导向叶片承受的温度载荷，该种技术方案存在以下缺陷：

1）对涡轮导向叶片的冷却效率较低，需要大量的冷却气进行冷却才能够到达期望的冷却效果；

2）涡轮导向叶片叶盆、叶背侧存在较大的温差，以及侧壁沿弦向具有较大的温度梯度，冷却气通过一个冷却气进口进入冷却进气腔，自各个气膜孔流出，难以对各个气膜孔流出的冷却气量进行控制，不能够有效降低叶盆、叶背侧的温差，以及不能够有效降低导向叶片侧壁沿弦向的温度梯度，不能够有效克服导向叶片发生较大非均匀性变形的问题。

鉴于上述技术缺陷的存在提出本申请。

需注意的是，以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本申请的目的是提供一种发动机高压涡轮导向叶片冷却结构，以克服或减轻已知存在的至少一方面的技术缺陷。

本申请的技术方案是：

一种发动机高压涡轮导向叶片冷却结构，包括：

根部冷却气进孔，位于叶片根部，与燃烧室内环冷却气连通；

尖部冷却气进孔，位于叶片尖部，与燃烧室外环冷却气连通；

多个气膜孔，分布在叶片叶盆、叶背侧；

多个冷却进气腔，位于叶片内部，侧壁具有多个冲击冷却孔，沿叶片弦向分布，其中，靠近叶片前缘的部分冷却进气腔与根部冷却气进孔连通，靠近叶片后缘的部分冷却进气腔与尖部冷却气进孔连通；

多个冲击冷却腔，位于叶片内部，绕叶片周向分布；各个冲击冷却腔与相应部位的气膜孔、冲击冷却孔连通。

根据本申请的至少一个实施例，上述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构中，靠近叶片前缘的部分冷却进气腔与根部冷却气进孔分别通过根部连通通道连通；

靠近叶片后缘的部分冷却进气腔与尖部冷却气进孔分别通过尖部连通通道连通。

根据本申请的至少一个实施例，上述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构中，位于叶片叶盆侧气膜孔的排列密度大于位于叶背侧对应部位气膜孔的排列密度，和/或位于叶片叶盆侧气膜孔的直径大于位于叶背侧对应部位气膜孔的直径。

根据本申请的至少一个实施例，上述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构中，还包括：

多组横向肋，每组横向肋对应在一个冲击冷却腔内设置，其中各个横向肋连接对应冲击冷却腔的内壁、外壁。

根据本申请的至少一个实施例，上述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构中，位于叶片叶盆侧横向肋的排列密度大于位于叶背侧对应部位横向肋的排列密度。

根据本申请的至少一个实施例，上述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构中，相邻两个冲击冷却腔内横向肋在叶片径向上交错分布。

根据本申请的至少一个实施例，上述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构中，各个横向肋的截面呈方形，方形的边长为对应气膜孔直径的1.6~2倍。

根据本申请的至少一个实施例，上述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构中，对应于一个冲击冷却腔的气膜孔有两列、冲击冷却孔有一列、横向肋有一列，其中：

两列气膜孔与一列横向肋沿叶片轴向交错的分布；

一列冲击冷却孔位于两列气膜孔之间，各个冲击冷却孔间隔的位于横向肋上。

根据本申请的至少一个实施例，上述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构中，各个冲击冷却腔外侧壁厚小于内侧壁厚。

根据本申请的至少一个实施例，上述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构中，各个冲击冷却腔外侧壁厚为0.7mm，内侧壁厚为0.9mm。

本申请至少具有以下有益技术效果：

提供一种发动机高压涡轮导向叶片冷却结构，其设计来自燃烧室内环的冷却气可通过根部冷却气进孔流入靠近叶片前缘的部分冷却进气腔，进而通过相应的冲击冷却孔流入靠近叶片前缘部分的冲击冷却腔，对相应的冲击冷却腔进行冲击冷却，进而自靠近叶片前缘部分的气膜孔流出，在靠近叶片前缘部位的侧壁形成气膜，来自燃烧室外环的冷却气可通过尖部冷却气进孔流入靠近叶片后缘的部分冷却进气腔，进而通过相应的冲击冷却孔流入靠近叶片后缘部分的冲击冷却腔，对相应的冲击冷却腔进行冲击冷却，进而自靠近叶片后缘部分的气膜孔流出，在靠近叶片后缘部位的侧壁形成气膜，具有较高的冷却效率，能够以较少量的冷却气实现对导向叶片的有效冷却，降低导向叶片承受的温度载荷。

上述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构中，设计导向叶片侧壁沿弦向具有较大的压力梯度，叶片前缘部位的压力远大于叶片后缘部位的压力，设计靠近叶片前缘的部分冷却进气腔通过位于叶片根部的根部冷却气进孔引入燃烧室内环的冷却气，具有较高的压力，能够保证使自靠近叶片前缘部分的气膜孔流出的冷却气具有足够的压力裕度，此外，设计靠近叶片后缘的部分冷却进气腔通过位于叶片尖部的尖部冷却气进孔引入燃烧室外环的冷却气，压力相对较低，适配于叶片后缘部位相对较低的压力，且设计靠近叶片前缘的部分冷却进气腔、靠近叶片后缘的部分冷却进气腔分别通过根部冷却气进孔、尖部冷却气进孔引入冷却气，可便于对位于叶片各弦向区域气膜孔流出冷却气量的控制，进而能够降低导向叶片侧壁沿弦向的温度梯度，避免使导向叶片发生较大非均匀性变形，并能够有效利用导向叶片根部、尖部的空间结构，避免过渡削弱导向叶片的局部强度。

上述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构中，设计各个冷却进气腔沿叶片弦向分布，相邻冷却进气腔间形成的间隔肋支撑在叶盆、叶背侧之间，一方面可保证结构稳定性，另一方面可在叶盆、叶背侧之间进行导热，以此能够降低叶盆、叶背侧的温差，避免使导向叶片发生较大非均匀性变形。

附图说明

图1是本申请实施例提供的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构的示意图；

图2是本申请实施例提供的相邻两个冲击冷却腔中气膜孔、冲击冷却孔、横向肋分布的示意图；

其中：

1-根部冷却气进孔；2-尖部冷却气进孔；3-气膜孔；4-冷却进气腔；5-冲击冷却孔；6-冲击冷却腔；7-横向肋。

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸，此外，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

具体实施方式

为使本申请的技术方案及其优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的技术方案作进一步清楚、完整的详细描述，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅是本申请的部分实施例，其仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分，其他相关部分可参考通常设计，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合以得到新的实施例。

此外，除非另有定义，本申请描述中所使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内一般技术人员所理解的通常含义。本申请描述中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“中心”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等表示方位的词语仅用以表示相对的方向或者位置关系，而非暗示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，当被描述对象的绝对位置发生改变后，其相对位置关系也可能发生相应的改变，因此不能理解为对本申请的限制。本申请描述中所使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似用语，仅用于描述目的，用以区分不同的组成部分，而不能够将其理解为指示或暗示相对重要性。本申请描述中所使用的“一个”、“一”或者“该”等类似词语，不应理解为对数量的绝对限制，而应理解为存在至少一个。本申请描述中所使用的“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

此外，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，在本申请的描述中使用的“安装”、“相连”、“连接”等类似词语应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，领域内技术人员可根据具体情况理解其在本申请中的具体含义。

下面结合附图1至图2对本申请做进一步详细说明。

一种发动机高压涡轮导向叶片冷却结构，包括：

根部冷却气进孔1，位于叶片根部，与燃烧室内环冷却气连通；

尖部冷却气进孔2，位于叶片尖部，与燃烧室外环冷却气连通；

多个气膜孔3，分布在叶片叶盆、叶背侧；

多个冷却进气腔4，位于叶片内部，侧壁具有多个冲击冷却孔5，沿叶片弦向分布，其中，靠近叶片前缘的部分冷却进气腔4与根部冷却气进孔1连通，靠近叶片后缘的部分冷却进气腔4与尖部冷却气进孔2连通；

多个冲击冷却腔6，位于叶片内部，绕叶片周向分布；各个冲击冷却腔6与相应部位的气膜孔3、冲击冷却孔5连通。

对于上述实施例公开的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构，领域内技术人员可以理解的是，来自燃烧室内环的冷却气可通过根部冷却气进孔1流入靠近叶片前缘的部分冷却进气腔4，进而通过相应的冲击冷却孔5流入靠近叶片前缘部分的冲击冷却腔6，对相应的冲击冷却腔6进行冲击冷却，进而自靠近叶片前缘部分的气膜孔3流出，在靠近叶片前缘部位的侧壁形成气膜，来自燃烧室外环的冷却气可通过尖部冷却气进孔2流入靠近叶片后缘的部分冷却进气腔4，进而通过相应的冲击冷却孔5流入靠近叶片后缘部分的冲击冷却腔6，对相应的冲击冷却腔6进行冲击冷却，进而自靠近叶片后缘部分的气膜孔3流出，在靠近叶片后缘部位的侧壁形成气膜，具有较高的冷却效率，能够以较少量的冷却气实现对导向叶片的有效冷却，降低导向叶片承受的温度载荷。

对于上述实施例公开的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构，领域内技术人员还可以理解的是，导向叶片侧壁沿弦向具有较大的压力梯度，叶片前缘部位的压力远大于叶片后缘部位的压力，设计靠近叶片前缘的部分冷却进气腔4通过位于叶片根部的根部冷却气进孔1引入燃烧室内环的冷却气，具有较高的压力，能够保证使自靠近叶片前缘部分的气膜孔3流出的冷却气具有足够的压力裕度，此外，设计靠近叶片后缘的部分冷却进气腔4通过位于叶片尖部的尖部冷却气进孔2引入燃烧室外环的冷却气，压力相对较低，适配于叶片后缘部位相对较低的压力，且设计靠近叶片前缘的部分冷却进气腔4、靠近叶片后缘的部分冷却进气腔4分别通过根部冷却气进孔1、尖部冷却气进孔2引入冷却气，可便于对位于叶片各弦向区域气膜孔流出冷却气量的控制，进而能够降低导向叶片侧壁沿弦向的温度梯度，避免使导向叶片发生较大非均匀性变形，并能够有效利用导向叶片根部、尖部的空间结构，避免过渡削弱导向叶片的局部强度。

对于上述实施例公开的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构，领域内技术人员还可以理解的是，其设计各个冷却进气腔4沿叶片弦向分布，相邻冷却进气腔4间形成的间隔肋支撑在叶盆、叶背侧之间，一方面可保证结构稳定性，另一方面可在叶盆、叶背侧之间进行导热，以此能够降低叶盆、叶背侧的温差，避免使导向叶片发生较大非均匀性变形。

在一些可选的实施例中，上述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构中，靠近叶片前缘的部分冷却进气腔4与根部冷却气进孔1分别通过根部连通通道连通，即靠近叶片前缘的部分冷却进气腔4分别通过单独的根部连通通道与根部冷却气进孔1连通，以此可便于对靠近叶片前缘部位各弦向区域气膜孔流出冷却气量的控制，以此能够降低导向叶片侧壁沿弦向的温度梯度；

靠近叶片后缘的部分冷却进气腔4与尖部冷却气进孔2分别通过尖部连通通道连通，即靠近叶片后缘的部分冷却进气腔4分别通过单独的尖部连通通道与尖部冷却气进孔2连通，以此可便于对靠近叶片后缘部位各弦向区域气膜孔流出冷却气量的控制，以此能够降低导向叶片侧壁沿弦向的温度梯度。

在一些可选的实施例中，上述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构中，位于叶片叶盆侧气膜孔3的排列密度大于位于叶背侧对应部位气膜孔3的排列密度，和/或位于叶片叶盆侧气膜孔3的直径大于位于叶背侧对应部位气膜孔3的直径。

对于上述实施例公开的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构，领域内技术人员可以理解的是，叶片叶盆侧相对叶背侧的对应部位温度较大，设计位于叶片叶盆侧气膜孔3的排列密度大于位于叶背侧对应部位气膜孔3的排列密度，和/或位于叶片叶盆侧气膜孔3的直径大于位于叶背侧对应部位气膜孔3的直径，可使位于叶片叶盆侧气膜孔3能够相对于位于叶背对应部位处气膜孔3流出较大量的冷却气，以此能够降低叶盆、叶背侧的温差，避免使导向叶片发生较大非均匀性变形。

在一些可选的实施例中，上述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构中，还包括：

多组横向肋7，每组横向肋7对应在一个冲击冷却腔6内设置，以对进入冲击冷却腔6的冷却气进行高湍流度扰流，且具有较大的冷却换热面积，可增加冷却气在冲击冷却腔6内的换热效果，以此能够降低冷却气的使用量。

在一些可选的实施例中，上述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构中，每组横向肋7中的各个横向肋连接对应冲击冷却腔6的内壁、外壁，一方面可与各个冷却进气腔4间形成的间隔肋共同构成框架式承力结构，保证结构整体的稳定性，另一方面可在冲击冷却腔6的内壁、外壁间进行导热、扰流传热，并与冲击冷却腔6的内壁、外壁具有较大的接触面积，可有效降低冲击冷却腔6的内壁、外壁间的温差。

在一些可选的实施例中，上述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构中，位于叶片叶盆侧横向肋7的排列密度大于位于叶背侧对应部位横向肋7的排列密度，以此能够降低叶盆、叶背侧的温差，避免使导向叶片发生较大非均匀性变形。

在一些可选的实施例中，上述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构中，相邻两个冲击冷却腔6内横向肋7在叶片径向上交错分布，以对结构整体取得较好的支撑效果，保证结构整体的稳定性。

在一些可选的实施例中，上述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构中，各个横向肋7的截面呈方形，方形的边长为对应气膜孔3直径的1.6~2倍。

在一些可选的实施例中，上述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构中，对应于一个冲击冷却腔6的气膜孔3有两列、冲击冷却孔5有一列、横向肋7有一列，其中：

两列气膜孔3与一列横向肋7沿叶片轴向交错的分布；

一列冲击冷却孔5位于两列气膜孔3之间，各个冲击冷却孔5间隔的位于横向肋7上，自各列冲击冷却孔5进入对应冲击冷却腔6的冷却气，受气膜孔3、横向肋7结构限定，发生湍流均匀回旋换热，具有较高的冷却效果，以此，可降低冷却气使用量。

在一些可选的实施例中，上述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构中，各个冲击冷却腔6外侧壁厚小于内侧壁厚，相对较薄的外侧壁构成导向叶片的气动外型，可强化冷却，相对较厚的内侧壁构成导向叶片框架，能够进行可靠的传载，保证结构整体的可靠性。

在一些可选的实施例中，上述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构中，各个冲击冷却腔6外侧壁厚为0.7mm，内侧壁厚为0.9mm。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本申请的技术方案，领域内技术人员应该理解的是，本申请的保护范围显然不局限于这些具体实施方式，在不偏离本申请的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种发动机高压涡轮导向叶片冷却结构，其特征在于，包括：

根部冷却气进孔（1），位于叶片根部，与燃烧室内环冷却气连通；

尖部冷却气进孔（2），位于叶片尖部，与燃烧室外环冷却气连通；

多个气膜孔（3），分布在叶片叶盆、叶背侧；

多个冷却进气腔（4），位于叶片内部，侧壁具有多个冲击冷却孔（5），沿叶片弦向分布，其中，靠近叶片前缘的部分冷却进气腔（4）与根部冷却气进孔（1）连通，靠近叶片后缘的部分冷却进气腔（4）与尖部冷却气进孔（2）连通；

多个冲击冷却腔（6），位于叶片内部，绕叶片周向分布；各个冲击冷却腔（6）与相应部位的气膜孔（3）、冲击冷却孔（5）连通。

2.根据权利要求1所述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构，其特征在于，

靠近叶片前缘的部分冷却进气腔（4）与根部冷却气进孔（1）分别通过根部连通通道连通；

靠近叶片后缘的部分冷却进气腔（4）与尖部冷却气进孔（2）分别通过尖部连通通道连通。

3.根据权利要求1所述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构，其特征在于，

位于叶片叶盆侧气膜孔（3）的排列密度大于位于叶背侧对应部位气膜孔（3）的排列密度，和/或位于叶片叶盆侧气膜孔（3）的直径大于位于叶背侧对应部位气膜孔（3）的直径。

4.根据权利要求1所述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构，其特征在于，

还包括：

多组横向肋（7），每组横向肋（7）对应在一个冲击冷却腔（6）内设置，其中各个横向肋连接对应冲击冷却腔（6）的内壁、外壁。

5.根据权利要求4所述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构，其特征在于，

位于叶片叶盆侧横向肋（7）的排列密度大于位于叶背侧对应部位横向肋（7）的排列密度。

6.根据权利要求4所述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构，其特征在于，

相邻两个冲击冷却腔（6）内横向肋（7）在叶片径向上交错分布。

7.根据权利要求4所述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构，其特征在于，

各个横向肋（7）的截面呈方形，方形的边长为对应气膜孔（3）直径的1.6~2倍。

8.根据权利要求4所述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构，其特征在于，

对应于一个冲击冷却腔（6）的气膜孔（3）有两列、冲击冷却孔（5）有一列、横向肋（7）有一列，其中：

两列气膜孔（3）与一列横向肋（7）沿叶片轴向交错的分布；

一列冲击冷却孔（5）位于两列气膜孔（3）之间，各个冲击冷却孔（5）间隔的位于横向肋（7）上。

9.根据权利要求1所述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构，其特征在于，

各个冲击冷却腔（6）外侧壁厚小于内侧壁厚。

10.根据权利要求9所述的发动机高压涡轮导向叶片冷却结构，其特征在于，

各个冲击冷却腔（6）外侧壁厚为0.7mm，内侧壁厚为0.9mm。

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