CN203296825U - 涡轮叶片前缘结构 - Google Patents
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Abstract
一种涡轮叶片前缘结构，属于涡轮叶片技术领域。它以现有空腔涡轮叶片气膜冲击冷却结构为基础，其关键技术是在叶片前缘结构中设置隔离体，形成受限空间，同时合理布置气膜孔冲击角度，冷却空气孔阵列和气膜孔阵列的交错排列，使得在受限空间产生和控制涡流，将叶片外壁面的高温带向叶片内部相对低温空间。这是基于涡强化的高效冷却结构，是在不增加涡轮叶片前缘冷却通道复杂性的基础上，通过精细组织流场结构来实现不增加冷却空气用量的同时提高叶片综合冷却效果的目的。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种涡轮叶片前缘结构，尤其涉及一种具有扰流冷却的涡轮叶片前缘结构。
背景技术
冷却技术是高性能航空发动机发展的基础和保障。航空发动机是长期工作在高温、高压、高速旋转等恶劣环境条件下的复杂热动力机械，是知识、技术高度密集的军民两用产品。在航空燃气涡轮发动机的发展过程中，为了提高发动机的热效率和推重比或功重比，压气机的增压比和涡轮进口温度不断被提高。以目前推重比10一级的发动机为例，涡扇发动机涡轮前燃气温度达2000K，叶片所采用单晶材料能承受的最高温度却仅为1300K，而下一代的燃气涡轮发动机还会要求更高的工作温度。但是大量空气用于冷却势必导致动力装置性能的损失，因此冷却需求和冷却气量之间的矛盾日益突出，导致未来高性能发动机中高温部件的冷却难度更大。通过分析国内外各种新型冷却技术，发现目前多数热端部件内部均还是采用对流+冲击+气膜的复合冷却形式。而随着冷却技术的日益成熟，先进冷却技术的发展方向有:1.发展新的冷却方式和冷却结构；2.挖掘现有冷却方式的潜力，精细组织冷却气流的布局和流量，提高冷却效率。因此，研究设计一种具有运用高效冷却技术的航空涡轮叶片，减少冷却的气量，已成为发展下一代燃气涡轮的紧迫要求。
发明内容
为了解决不断提高涡轮前燃气温度和高温材料有限耐受温度之间的矛盾，不断提升的冷却需求和逐步减小的冷却气量之间的矛盾，严格保密的国外新技术和相对薄弱的国内研究之间的矛盾，本实用新型设计一种涡轮叶片前缘结构，使得在相同冷气量的条件下，实现了叶片的高耐热性能。
本实用新型叶片前缘结构的技术方案是：
一种涡轮叶片前缘结构，其特征在于：
叶片前缘结构内通过设置有垂直于叶型的第一隔离体和第二隔离体，其中第一隔离体和第二隔离体相互垂直，第一隔离体一端与叶片前缘顶端接触，另一端与第二隔离体中部接触，第二隔离体一端与叶片前缘上表面接触，第二隔离体另一端与叶片前缘下表面接触；其中第一隔离体将叶片前缘结构内部分成上受限空间和下受限空间；
上述第二隔离体的上端设置有与上受限空间相通的上冷却气体孔阵列，下端设置有与下受限空间相通的下冷却气体孔阵列；
上述叶片前缘结构的叶片前缘上表面设置有与上受限空间相通的有第一上气膜孔阵列和第二上气膜孔阵列；下表面设置有与下受限空间相通的有第一下气膜孔阵列和第二下气膜孔阵列；
前缘长度计作L, 上述叶片前缘顶端到第二隔离体的距离计作L0，上述叶片前缘顶端到第一上气膜孔阵列的距离在前缘长度的投影距离计作L1，上述叶片前缘顶端到第二上气膜孔阵列的距离在前缘长度的投影距离计作L2，上述叶片前缘顶端到第一下气膜孔阵列的距离在前缘长度的投影距离计作L3，上述叶片前缘顶端到第二下气膜孔阵列的距离在前缘长度的投影距离计作L4：上述L0：L=0.9-1；L1：L=0.05-0.08；L2：L=0.3-0.4；L3：L=0.10-0.13；L4：L=0.3-0.4。
上述第一上气膜孔阵列、第二上气膜孔阵列、第一下气膜孔阵列、第二下气膜孔阵列在叶高方向上为平行排列方式，上述上冷却气体孔阵列和第一上气膜孔阵列之间在叶高方向上为交错排列方式，上述上冷却气体孔阵列和第二上气膜孔阵列之间在叶高方向上为交错排列方式，上述下冷却气体孔阵列和第一下气膜孔阵列之间在叶高方向上为交错排列方式，上述下冷却气体孔阵列和第二下气膜孔阵列之间在叶高方向上为交错排列方式。
所述的涡轮叶片前缘结构，其特征在于：在叶型平面上以水平线为基准，上述第一上气膜孔和第一下气膜孔内侧一端向隔离体方向的偏转角度在1.5°—6°之间；在叶型平面上以水平线为基准，上述第二上气膜孔和第二下气膜孔阵列内侧一端向隔离体方向的偏转角度在3°—6°之间。
本实用新型是一种涡轮叶片前缘结构。它以现有空腔涡轮叶片气膜冲击冷却结构为基础，其关键技术是在叶片前缘结构中通过设置隔离体，形成受限空间，同时合理布置气膜孔冲击角度（即上述气膜孔的偏转角度），冷却空气孔阵列和气膜孔阵列的交错排列，使得在受限空间产生和控制涡流，将叶片外壁面的高温带向叶片内部相对低温空间。这是基于涡强化的高效冷却结构，是在不增加涡轮叶片前缘冷却通道复杂性的基础上，通过精细组织流场结构来实现不增加冷却空气用量的同时提高叶片综合冷却效果的目的。
本实用新型叶片前缘结构达到的效益是：通过精细组织涡轮叶片前缘通道的流场结构，使得冷却空气在叶片前缘受限空间中产生涡，通过涡将前端高温带向叶片内部相对低温空间，改善叶片的热量传递和提高换热能力，可以使该涡轮叶片在冷却空气用量相同的条件下，涡轮进口温度提高了100K，实现了叶片工作温度绝对温降600K以上的目标。
附图说明
图1是本实用新型的涡轮叶片前缘结构横截面图；
图2是图1的A-A叶高方向剖面图；
图中标号名称：1、叶片前缘结构，2-1、第一上气膜孔阵列，2-2、第二上气膜孔阵列，2-3、第一下气膜孔阵列，2-4、第二下气膜孔阵列，3-1、上受限空间， 3-2、下受限空间， 4-1、第一隔离体，4-2、第二隔离体，5-1、上冷却气体孔阵列，5-2、下冷却气体孔阵列， 6、冷却空气气腔。
具体实施方式
如图1和如何2所示，公开了一种涡轮导向叶片前缘结构1。参看图1和图2该涡轮叶片前缘结构1内通过设置有垂直于叶型的第一隔离体4-1和第二隔离体4-2，其中第一隔离体4-1和第二隔离体4-2相互垂直，第一隔离体4-1一端与叶片前缘顶端接触，另一端与第二隔离体4-2中部接触，第二隔离体4-2一端与叶片前缘上表面接触，第二隔离体4-2另一端与叶片前缘下表面接触；其中第二隔离体4-2将叶片前缘结构1前后两部分，内部形成上受限空间3-1和下受限空间3-2；
上述第二隔离体4-2的上端设置有与上受限空间3-1相通的上冷却气体孔阵列5-1，下端设置有与下受限空间3-2相通的下冷却气体孔阵列5-2；
叶片前缘结构1的叶片前缘上表面设置有与上受限空间3-1相通的有第一上气膜孔阵列2-1和第二上气膜孔阵列2-2；下表面设置有与下受限空间3-2相通的有第一下气膜孔阵列2-3和第二下气膜孔阵列2-4；
特别参看图2，第一上气膜孔阵列2-1和第二上气膜孔阵列2-2在叶高方向上为平行排列方式，上冷却气体孔阵列5-1和第一上气膜孔阵列2-1之间在叶高方向上为交错排列方式，上冷却气体孔阵列5-1和第二上气膜孔阵列2-2之间在叶高方向上为交错排列方式。同理：第一下气膜孔阵列2-3和第二下气膜孔阵列2-4在叶高方向上为平行排列方式，下冷却气体孔阵列5-2和第一下气膜孔阵列2-3之间在叶高方向上为交错排列方式，下冷却气体孔阵列5-2和第二下气膜孔阵列2-4之间在叶高方向上为交错排列方式。
通过精细化组织，可以在受限空间3-1和受限空间3-2中形成可控制涡流，将外壁的高热量更为有效地携带至相对低温的涡轮叶片内部，改善叶片的热量传递和提高换热能力。
以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型不限于以上实例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其它改进和变化，均应认为包含在本使用新型的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种涡轮叶片前缘结构，其特征在于：
叶片前缘结构（1）内通过设置有垂直于叶型的第一隔离体（4-1）和第二隔离体（4-2），其中第一隔离体（4-1）和第二隔离体（4-2）相互垂直，第一隔离体（4-1）一端与叶片前缘顶端接触，另一端与第二隔离体（4-2）中部接触，第二隔离体（4-2）一端与叶片前缘上表面接触，第二隔离体（4-2）另一端与叶片前缘下表面接触；其中第一隔离体（4-1）将叶片前缘结构（1）内部分成上受限空间（3-1）和下受限空间（3-2）；
上述第二隔离体（4-2）的上端设置有与上受限空间（3-1）相通的上冷却气体孔阵列（5-1），下端设置有与下受限空间（3-2）相通的下冷却气体孔阵列（5-2）；
上述叶片前缘结构（1）的叶片前缘上表面设置有与上受限空间（3-1）相通的有第一上气膜孔阵列（2-1）和第二上气膜孔阵列（2-2）；下表面设置有与下受限空间（3-2）相通的有第一下气膜孔阵列（2-3）和第二下气膜孔阵列（2-4）；
前缘长度计作L, 上述叶片前缘顶端到第二隔离体（4-2）的距离计作L0，上述叶片前缘顶端到第一上气膜孔阵列（2-1）的距离在前缘长度的投影距离计作L1，上述叶片前缘顶端到第二上气膜孔阵列（2-2）的距离在前缘长度的投影距离计作L2，上述叶片前缘顶端到第一下气膜孔阵列（2-3）的距离在前缘长度的投影距离计作L3，上述叶片前缘顶端到第二下气膜孔阵列（2-4）的距离在前缘长度的投影距离计作L4：上述L0：L=0.9-1；L1：L=0.05-0.08；L2：L=0.3-0.4；L3：L=0.10-0.13；L4：L=0.3-0.4；
上述第一上气膜孔阵列（2-1）、第二上气膜孔阵列（2-2）、第一下气膜孔阵列（2-3）、第二下气膜孔阵列（2-4）在叶高方向上为平行排列方式，上述上冷却气体孔阵列（5-1）和第一上气膜孔阵列（2-1）之间在叶高方向上为交错排列方式，上述上冷却气体孔阵列（5-1）和第二上气膜孔阵列（2-2）之间在叶高方向上为交错排列方式，上述下冷却气体孔阵列（5-2）和第一下气膜孔阵列（2-3）之间在叶高方向上为交错排列方式，上述下冷却气体孔阵列（5-2）和第二下气膜孔阵列（2-4）之间在叶高方向上为交错排列方式。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶片前缘结构，其特征在于：在叶型平面上以水平线为基准，上述第一上气膜孔（2-1）和第一下气膜孔（2-3）内侧一端向隔离体（4-1）方向的偏转角度在1.5°—6°之间；在叶型平面上以水平线为基准，上述第二上气膜孔（2-2）和第二下气膜孔阵列（2-4）内侧一端向隔离体（4-1）方向的偏转角度在3°—6°之间。
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| CN108150224A (zh) * | 2017-12-21 | 2018-06-12 | 西安交通大学 | 一种旋流与冲击相结合的透平叶片内部冷却结构 |
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2013
- 2013-05-28 CN CN2013202982157U patent/CN203296825U/zh not_active Expired - Fee Related
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