CN115585020A - 一种适用于高压涡轮叶片的端壁冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于高压涡轮叶片的端壁冷却结构，所述冷却结构包括环形端壁和用于安装环形端壁的端壁安装边。在端壁内侧受主流马蹄涡影响大的区域，合理的布置离散气膜孔，同时增强端壁外侧冲击换热效果，能够对冷气进行高效利用，对近叶片前缘位置的端壁实施有效的冷却保护。特别是对于冷却难度更高的、进气边较短的端壁，通过端壁安装边引气，保证近叶片前缘位置端壁充足的冷气量，增强端壁冷却的可靠性。

Description

一种适用于高压涡轮叶片的端壁冷却结构

技术领域

本发明属于航空发动机涡轮叶片技术领域，具体涉及一种适用于高压涡轮叶片的端壁冷却结构。

背景技术

为了提高发动机的性能，需要提高压气机的增压比和涡轮进口燃气温度。随着涡轮进口燃气温度的提高，发动机高温部件需要承受更大的热负荷。根据已知文献资料，现有的推重比10级别的航空发动机涡轮进口温度达到了1800K～1900K，未来更高推重比航空发动机涡轮进口温度可高达2100K～2300K，这已远远超出目前涡轮材料的耐热极限。高压涡轮叶片的端壁面对主流高温燃气，受限于本身几何结构的狭小空间、复杂的外部流动以及与叶身相比较低的冷气流量，导致涡轮叶片端壁的冷却问题日益突出。

根据查阅文献发现，目前端壁冷却方案大多采用冲击和气膜孔的形式对端壁进行复合冷却。但是随着航空发动机燃气温度的不断攀升，近叶片前缘位置的端壁容易产生高温区。现有的冷却结构仍然存在一些问题：1)近叶片前缘位置的端壁没有独立分区，导致布置在该区域的气膜孔产生的气膜覆盖效果差，更多是依赖从燃烧室与涡轮之间槽缝泄露的冷气对其进行冷却；2)冲击孔排布多为均布，没有针对高温区域进行有效的冲击换热设计；3)针对进气边短的端壁结构，受限于狭小的几何空间，冷气的引气位置单一，冷气量不足，上述问题更加突出。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种适用于高压涡轮叶片的端壁冷却结构，以解决航空发动机近叶片前缘位置的端壁冷却不足的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案，一种适用于高压涡轮叶片的端壁冷却结构，所述冷却结构包括环形端壁和用于安装环形端壁的端壁安装边，所述环形端壁的外侧设有冲击板，冲击板上排布有多个冲击孔，所述环形端壁的中间层通过隔板在前缘区域设置了独立的冲击腔，所述冲击腔内设有多个扰流肋，所述环形端壁在前缘区域布置有多个第一气膜孔，所述端壁安装边位于环形端壁的上游，与端壁外侧冲击板接触的壁面分布有通气孔，端壁安装边内部设有用于收集从通气孔中流出冷气的集气腔，所述集气腔靠近端壁内侧进气边上开有多个第二气膜孔和多个第三气膜孔。

本发明所提供的适用于高压涡轮叶片的端壁冷却结构，还具有这样的特征，所述冲击腔依据端壁内侧压力分布将前缘高压区划分为不同区域。

本发明所提供的适用于高压涡轮叶片的端壁冷却结构，还具有这样的特征，所述冲击孔的直径D为0.6-0.8mm；冲击孔面积为第一气膜孔面积的1.1-1.3倍；冲击孔和扰流肋呈扇形交错排列。

本发明所提供的适用于高压涡轮叶片的端壁冷却结构，还具有这样的特征，多个冲击孔扇形排布有五排，将靠近前缘位置设为第一排，则

第一排和第二排冲击孔的横向间距P1＝2.8*D-3.5*D，第三排、第四排和第五排冲击孔横向间距P2＝3.4*D-4.5*D，

第一排和第二排之间的纵向间距L4＝2.5*D-4.2*D、第二排和第三排之间的纵向间距L5＝3.4*D-7.0*D、第三排和第四排之间的纵向间距L6＝L5＝3.4*D-7.0*D、第四排和第五排之间的纵向间距L7＝4.2*D-8.4*D。

本发明所提供的适用于高压涡轮叶片的端壁冷却结构，还具有这样的特征，所述通气孔与端壁安装边的壁面夹角α不小于50°，所述通气孔的面积是第二气膜孔和第三气膜孔面积之和的1.2-1.4倍。

本发明所提供的适用于高压涡轮叶片的端壁冷却结构，还具有这样的特征，所述集气腔截面呈半月型，截面宽度L2为端壁安装边宽度L1的50％-60％，集气腔的高度L3＝2*L2-2.5*L2。

本发明所提供的适用于高压涡轮叶片的端壁冷却结构，还具有这样的特征，所述第二气膜孔和第三气膜孔以前缘驻点为分界线，第二气膜孔向叶盆侧倾斜，第三气膜孔向叶背侧倾斜，第二气膜孔和第三气膜孔之间的夹角β为25°-35°，

所述第二气膜孔和所述第三气膜孔的孔轴线与端壁内壁面的夹角为30°-35°，

第二气膜孔和第三气膜孔包括从圆孔和异形孔中选出的一种或多种孔。

本发明所提供的适用于高压涡轮叶片的端壁冷却结构，还具有这样的特征，所述第一气膜孔的孔轴线与端壁内壁面的夹角为30°-35°，多个第一气膜孔沿前缘叶型均匀排布。

有益效果

本发明所提供的适用于高压涡轮叶片的新型端壁冷却结构，在端壁内侧受主流马蹄涡影响大的区域，合理的布置离散气膜孔，同时增强端壁外侧冲击换热效果，能够对冷气进行高效利用，对近叶片前缘位置的端壁实施有效的冷却保护。特别是对于冷却难度更高的、进气边较短的端壁，通过端壁安装边引气，保证近叶片前缘位置端壁充足的冷气量，增强端壁冷却的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附仅仅是本公开的一些实施例，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它的附图。

图1为本发明实施例所提供的高压涡轮叶片端壁的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的端壁冷却结构的结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的端壁安装边集气腔的结构示意图；

图4为本发明实施例所提供的端壁外侧冲击孔与扰流肋的结构示意图；

图5为本发明实施例所提供的端壁气膜孔排列示意图，

其中，1-环形端壁、2-端壁安装边、11-冲击板、12-冲击孔、13-冲击腔、14-扰流肋、15-第一气膜孔、16-端壁内侧进气边、21-通气孔、22-集气腔、23-第二气膜孔、24-第三气膜孔。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“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发明创造和简化描述，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发明创造的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

如图1-5所示，本实施例提供了一种适用于高压涡轮叶片的端壁冷却结构，所述冷却结构包括环形端壁1和用于安装环形端壁1的端壁安装边2，所述环形端壁1的外侧设有冲击板11，冲击板11上排布有多个冲击孔12，所述环形端壁1的中间层通过隔板在前缘区域设置了独立的冲击腔13，所述冲击腔13内设有多个扰流肋14，所述环形端壁1在前缘区域布置有多个第一气膜孔15，所述端壁安装边2位于环形端壁1的上游，与端壁外侧冲击板11接触的壁面分布有通气孔21，端壁安装边2内部设有用于收集从通气孔21中流出冷气的集气腔22，所述集气腔22靠近端壁内侧进气边16上开有多个第二气膜孔23和多个第三气膜孔24。

在上述实施例中，高压涡轮叶片冷气一部分由端壁外侧冲击孔12进入端壁内部，对环形端壁1进行冲击冷却，经过扰流肋14换热后，通过环形端壁1内侧近叶片前缘处的离散第一气膜孔15流出，对环形端壁1表面形成气膜覆盖；另一部分冷气从端壁安装边2上的通气孔21进入端壁内部，流经半月型集气腔22，从端壁内侧第二气膜孔23和第三气膜孔24排出。两部分冷气相互配合，实现对叶片端壁的有效保护。该结构在端壁内侧合理的布置离散气膜孔的同时，增强端壁外侧冲击换热效果，对近叶片前缘位置的端壁实施有效的冷却保护。特别是对于冷却难度更高的、进气边较短的端壁，通过端壁安装边引气，使近叶片前缘位置的端壁的冷气量增加，气膜覆盖效果得到提升，可以解决高压涡轮叶片近前缘处的端壁局部冷却困难的问题，从而可以大幅提高涡轮叶片端壁的承温能力。

在部分实施例中，所述冲击腔13依据端壁内侧压力分布将前缘高压区划分为不同区域。可有效控制冷气在端壁的分配，保证前缘高温区域具备充足的冷气量。

在部分实施例中，所述冲击孔12的直径D为0.6-0.8mm；冲击孔12面积为第一气膜孔15面积的1.1-1.3倍；冲击孔12和扰流肋14呈扇形交错排列。冲击孔12面积指的是所有冲击孔12的面积和，第一气膜孔15面积指的是所有第一气膜孔15面积之和。

在部分实施例中，多个冲击孔12扇形排布有五排，将靠近前缘位置设为第一排，则第一排和第二排冲击孔的横向间距P1＝2.8*D-3.5*D，第三排、第四排和第五排冲击孔横向间距P2＝3.4*D-4.5*D，第一排和第二排之间的纵向间距L4＝2.5*D-4.2*D、第二排和第三排之间的纵向间距L5＝3.4*D-7.0*D、第三排和第四排之间的纵向间距L6＝L5＝3.4*D-7.0*D、第四排和第五排之间的纵向间距L7＝4.2*D-8.4*D。该冲击孔12的排列用于控制冷气，其对前缘滞止区可以进行有效冷却。

在部分实施例中，所述通气孔21与端壁安装边2的壁面夹角α不小于50°，所述通气孔21的面积是第二气膜孔和第三气膜孔面积之和的1.2-1.4倍。夹角α的最大角度根据冲击板外侧具体结构空气确定，全部通气孔21所占用面积是所有第二气膜孔23和所有第三气膜孔24占用面积和的1.2-1.4倍。通气孔21面积和能保证第二气膜孔23和第三气膜孔24的冷气能够有效出流。

在部分实施例中，如图1所示，所述集气腔22的A-A截面呈半月型，截面宽度L2为端壁安装边2宽度L1的50％-60％，集气腔22的高度L3＝2*L2-2.5*L2。半月型集气腔22可以在汇集冷气的同时，降低冷气在集气腔22内的漩涡，减小冷气压力损失。

在部分实施例中，所述第二气膜孔23和第三气膜孔24以前缘驻点为分界线，第二气膜孔23向叶盆侧倾斜，第三气膜孔24向叶背侧倾斜，第二气膜孔23和第三气膜孔24之间的夹角β为25°-35°，

所述第二气膜孔23和所述第三气膜孔24的孔轴线与端壁内壁面的夹角为30°-35°，

第二气膜孔23和第三气膜孔24包括从圆孔和异形孔中选出的一种或多种孔。

在部分实施例中，所述第一气膜孔15的孔轴线与端壁内壁面的夹角为30°-35°，多个第一气膜孔15沿前缘叶型均匀排布。第一气膜孔15、第二气膜孔23和第三气膜孔24的相互配合，提高了前缘区域气膜覆盖效果。

在部分实施例中，

环形端壁1外侧独立冲击腔13的划分依据端壁内侧压力分布，将前缘高压区进行独立划分。

环形端壁1外侧的扰流肋14和冲击孔12呈扇形交错排列。

环形端壁1外侧冲击孔12的排布，靠近前缘位置的两排横向间距P1为1.9mm，其他位置横向间距P2为2.4mm；各排纵向间距依次为L4＝2.0mm、L5＝3.0mm、L6＝3.0mm、L7＝3.8mm。

环形端壁1外侧冲击孔12靠近叶片前缘位置的孔直径为0.6mm，同时冲击孔12的面积是端壁1内侧第一气膜孔15的面积的1.1倍。

通气孔21与端壁安装边2的壁面夹角α为50°，通气孔21的面积是第二气膜孔23和第三气膜孔24面积和的1.1倍。

集气腔22沿A-A方向截面宽度L2占端壁安装边2宽度L1的50％，集气腔22的高度L3＝L2*2。

环形端壁1内侧第一气膜孔15、第二气膜孔23和第三气膜孔24的轴线与端壁1内壁面的夹角为30°。

环形端壁1内侧气膜孔23和气膜孔24的孔型为圆孔，以前缘驻点为分界点，分别向叶盆、叶背侧倾斜，夹角β为30°。

在部分实施例中，

环形端壁1外侧独立冲击腔13的划分依据端壁内侧压力分布，将前缘高压区进行独立划分。

环形端壁1外侧的扰流肋14和冲击孔12呈扇形交错排列。

环形端壁1外侧冲击孔12的排布，靠近前缘位置的两排横向间距P1为2.0mm，其他位置横向间距P2为2.4mm；各排纵向间距依次为L4＝2.2mm、L5＝3.0mm、L6＝3.0mm、L7＝4.0mm。

环形端壁1外侧冲击孔12靠近叶片前缘位置的孔直径为0.8mm，同时冲击孔12的面积是环形端壁1内侧第一气膜孔15的面积的1.3倍。

通气孔21与端壁安装边2的壁面夹角α为60°，通气孔21的面积是第二气膜孔23和第三气膜孔24面积和的1.3倍。

集气腔22沿A-A方向截面宽度L2占端壁安装边2宽度L1的60％，集气腔22的高度L3＝L2*2.2。

环形端壁1内侧第一气膜孔15、第二气膜孔23和第三气膜孔24的轴线与端壁1内壁面的夹角为35°。

环形端壁1内侧第二气膜孔23和第三气膜孔24的孔型为异型孔，以前缘驻点为分界点，分别向叶盆、叶背侧倾斜，夹角β为30°。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种适用于高压涡轮叶片的端壁冷却结构，其特征在于，所述冷却结构包括环形端壁和用于安装环形端壁的端壁安装边，

所述环形端壁的外侧设有冲击板，冲击板上排布有多个冲击孔，所述环形端壁的中间层通过隔板在前缘区域设置了独立的冲击腔，所述冲击腔内设有多个扰流肋，所述环形端壁在前缘区域布置有多个第一气膜孔，

所述端壁安装边位于环形端壁的上游，与端壁外侧冲击板接触的壁面分布有通气孔，端壁安装边内部设有用于收集从通气孔中流出冷气的集气腔，

所述集气腔靠近端壁内侧进气边上开有多个第二气膜孔和多个第三气膜孔。

2.根据权利要求1所述的适用于高压涡轮叶片的端壁冷却结构，其特征在于，所述冲击腔依据端壁内侧压力分布将前缘高压区划分为不同区域。

3.根据权利要求1所述的适用于高压涡轮叶片的端壁冷却结构，其特征在于，所述冲击孔的直径D为0.6-0.8mm；冲击孔面积为第一气膜孔面积的1.1-1.3倍；冲击孔和扰流肋呈扇形交错排列。

4.根据权利要求3所述的适用于高压涡轮叶片的端壁冷却结构，其特征在于，多个冲击孔扇形排布有五排，将靠近前缘位置设为第一排，则

第一排和第二排冲击孔的横向间距P1＝2.8*D-3.5*D，第三排、第四排和第五排冲击孔横向间距P2＝3.4*D-4.5*D，

第一排和第二排之间的纵向间距L4＝2.5*D-4.2*D、第二排和第三排之间的纵向间距L5＝3.4*D-7.0*D、第三排和第四排之间的纵向间距L6＝L5＝3.4*D-7.0*D、第四排和第五排之间的纵向间距L7＝4.2*D-8.4*D。

5.根据权利要求1所述的适用于高压涡轮叶片的端壁冷却结构，其特征在于，所述通气孔与端壁安装边的壁面夹角α不小于50°，所述通气孔的面积是第二气膜孔和第三气膜孔面积之和的1.2-1.4倍。

6.根据权利要求1所述的适用于高压涡轮叶片的端壁冷却结构，其特征在于，所述集气腔截面呈半月型，截面宽度L2为端壁安装边宽度L1的50％-60％，集气腔的高度L3＝2*L2-2.5*L2。

7.根据权利要求1所述的适用于高压涡轮叶片的端壁冷却结构，其特征在于，所述第二气膜孔和第三气膜孔以前缘驻点为分界线，第二气膜孔向叶盆侧倾斜，第三气膜孔向叶背侧倾斜，第二气膜孔和第三气膜孔之间的夹角β为25°-35°，

所述第二气膜孔和所述第三气膜孔的孔轴线与端壁内壁面的夹角为30°-35°，

第二气膜孔和第三气膜孔包括从圆孔和异形孔中选出的一种或多种孔。

8.根据权利要求1所述的适用于高压涡轮叶片的端壁冷却结构，其特征在于，所述第一气膜孔的孔轴线与端壁内壁面的夹角为30°-35°，多个第一气膜孔沿前缘叶型均匀排布。

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