CN203347846U - 一种涡轮叶片前缘结构 - Google Patents
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Abstract
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，使得气流在前端受限空间中形成冲击曲面结构和上下受限空间里形成双层单腔结构，并在其空间中形成无源涡流调控，将叶片外壁面的高温带向叶片内部相对低温空间。这是基于无源涡流调控高效强化换热技术的冷却系统，是在不增加涡轮叶片前缘冷却通道复杂性和外部能耗的基础上，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10一级的军用航空发动机为例，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.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，使得在相同冷气量和不增加外部能耗的条件下，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：
1.叶片前缘结构内通过设置有垂直于叶型的第一隔离体、第二隔离体，第三隔离体和第四隔离体，四个隔离体形成一个形似“Ⅱ”的结构。其中第一隔离体和第四隔离体相互平行，第二隔离体和第三隔离体相互平行且位于第一隔离体和第四隔离体之间。第一隔离体和第四隔离体一端与叶片前缘上表面接触，第一隔离体和第四隔离体另一端与叶片前缘下表面接触；第二隔离体一端与第一隔离体靠近叶片前缘上表面三分之一处接触，第二隔离体另一端与第四隔离体接触；第三隔离体一端与第一隔离体靠近叶片前缘下表面三分之一处接触，第三隔离体另一端与第四隔离体接触。其中第一隔离体与叶片前缘结构
前端形成前端受限空间，第一隔离体和第四隔离体之间的空间被第二隔离体和第三隔离体分成3个空间，其中第二隔离体和叶片前缘上表面形成上受限空间，第三隔离体和叶片前缘下表面形成下受限空间，第二隔离体和第三隔离体之间为冷却空气气腔。
上述第一隔离体中部设置有使前端受限空间和冷却空气气腔相通的中部冷却气体孔阵列，第二隔离体的前端设置有使上受限空间和冷却空气气腔相通的第一上冷却气体孔阵列，第二隔离体的后端设置有使上受限空间和冷却空气气腔相通的第二上冷却气体孔阵列；第三隔离体的前端设置有使下受限空间和冷却空气气腔相通的第一下冷却气体孔阵列，第三隔离体的后端设置有使下受限空间和冷却空气气腔相通的第二下冷却气体孔阵列。
上述叶片前缘结构的叶片前缘上表面设置有使前端受限空间和叶片外部流场相通的有第一上气膜孔阵列和第二上气膜孔阵列，使上受限空间和叶片外部流场相通的第三上气膜孔阵列；下表面设置有使前端受限空间和叶片外部流场相通的有第一下气膜孔阵列和第二下气膜孔阵列，使下受限空间和叶片外部流场相通的第三下气膜孔阵列。
前缘长度计作L, 上述叶片前缘顶端到第一隔离体的距离计作L0，上述叶片前缘顶端到第四隔离体的距离计作L1，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L2，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L3，上述叶片前缘顶端到第三上气膜孔阵列的距离在前缘长度的投影距离计作L4；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L5，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L6：上述叶片前缘顶端到第三下气膜孔阵列的距离在前缘长度的投影距离计作L7；上述L0：L=0.32-0.45；L1：L=0.9-1；L2：L=0.05-0.08；L3：L=0.2-0.3；L4：L=0.6-0.75；L5：L=0.05-0.08；L6：L=0.2-0.3；L7：L=0.6-0.75。
上述第一上气膜孔阵列、第二上气膜孔阵列、第三上气膜孔阵列、第一下气膜孔阵列、第二下气膜孔阵列、第三下气膜孔阵列在叶高方向上为平行排列方式，上述中部冷却气体孔阵列、第一上冷却气体孔阵列、第二上冷却气体孔阵列、第一下冷却气体孔阵列、第二下冷却气体孔阵列在叶高方向上为平行排列方式。上述中部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，上述第一上冷却气体孔阵列和第三上气膜孔阵列之间在叶高方向上为交错排列方式，上述第一下冷却气体孔阵列和第三下气膜孔阵列之间在叶高方向上为交错排列方式，即气膜孔和冷却气体孔在叶高方向上应当交错排列方式。
2. 在上述的涡轮叶片前缘结构涡轮叶片前缘结构，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前端受限空间方向的偏转角度在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向前端受限空间方向的偏转角度在3°—6°之间；在叶型平面上以水平线为基准，上述第三上气膜孔内侧一端向上受限空间方向的偏转角度在20°—30°之间；在叶型平面上以水平线为基准，上述第三下气膜孔阵列内侧一端向下受限空间方向的偏转角度在20°—30°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，使得气流在前端受限空间中形成冲击曲面结构和上下受限空间里形成双层单腔结构，并在其空间中形成无源涡流调控，将叶片外壁面的高温带向叶片内部相对低温空间。这是基于无源涡流调控高效强化换热技术的冷却系统，是在不增加涡轮叶片前缘冷却通道复杂性和外部能耗的基础上，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流，涡流将会把叶片外壁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，实现涡轮进口温度提高100K的目标和实现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、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6气膜孔，3-1、3-2、3-3受限空间， 4-1、4-2、4-3、4-4隔离体，5-1、5-2、5-3、5-4、5-5冷却气体孔， 6-1、6-2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。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、第二隔离体4-2，第三隔离体4-3和第四隔离体4-4，四个隔离体形成一个形似“Ⅱ”的结构。其中第一隔离体4-1和第四隔离体4-4相互平行，第二隔离体4-2和第三隔离体4-3相互平行且位于第一隔离体4-1和第四隔离体4-4之间。第一隔离体4-1和第四隔离体4-4一端与叶片前缘上表面接触，第一隔离体4-1和第四隔离体4-4另一端与叶片前缘下表面接触；第二隔离体4-2一端与第一隔离体4-1靠近叶片前缘上表面三分之一处接触，第二隔离体4-2另一端与第四隔离体4-4接触；第三隔离体4-3一端与第一隔离体4-1靠近叶片前缘下表面三分之一处接触，第三隔离体4-3另一端与第四隔离体4-4接触。其中第一隔离体4-1与叶片前缘结构1前端形成前端受限空间3-1，第一隔离体4-1和第四隔离体4-4之间的空间被第二隔离体4-2和第三隔离体4-3分成3个空间，其中第二隔离体4-2和叶片前缘上表面形成上受限空间3-2，第三隔离体4-3和叶片前缘下表面形成下受限空间3-3，第二隔离体4-2和第三隔离体4-3之间为冷却空气气腔6-1。
上述第一隔离体4-1中部设置有使前端受限空间3-1和冷却空气气腔(6-1)相通的中部冷却气体孔阵列5-1，第二隔离体4-2的前端设置有使上受限空间3-2和冷却空气气腔6-1相通的第一上冷却气体孔阵列5-2，第二隔离体4-2的后端设置有使上受限空间3-2和冷却空气气腔6-1相通的第二上冷却气体孔阵列5-3；第三隔离体4-3的前端设置有使下受限空间3-2和冷却空气气腔6-1相通的第一下冷却气体孔阵列5-4，第三隔离体4-3的后端设置有使下受限空间3-3和冷却空气气腔6-1相通的第二下冷却气体孔阵列5-5。
上述叶片前缘结构1的叶片前缘上表面设置有使前端受限空间3-1和叶片外部流场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，使上受限空间（3-2）和叶片外部流场相通的第三上气膜孔阵列2-3；下表面设置有使前端受限空间3-1和叶片外部流场相通的有第一下气膜孔阵列2-4和第二下气膜孔阵列2-5，使下受限空间3-3和叶片外部流场相通的第三下气膜孔阵列2-6。
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2-4、第二下气膜孔阵列2-5、中部冷却气体孔阵列5-1在前端受限空间3-1中形成冲击曲面结构；第三上气膜孔阵列2-3、第一上冷却气体孔阵列5-2、第二上冷却气体孔阵列5-3在上受限空间3-2中形成双层单腔结构；第三下气膜孔阵列2-6、第一下冷却气体孔阵列5-4、第二下冷却气体孔阵列5-5在下受限空间3-3中形成双层单腔结构。
特别参看图2，上述第一上气膜孔阵列2-1、第二上气膜孔阵列2-2、第三上气膜孔阵列2-3、第一下气膜孔阵列2-4、第二下气膜孔阵列2-5、第三下气膜孔阵列2-6在叶高方向上为平行排列方式，上述中部冷却气体孔阵列5-1、第一上冷却气体孔阵列5-2、第二上冷却气体孔阵列5-3、第一下冷却气体孔阵列5-4、第二下冷却气体孔阵列5-5在叶高方向上为平行排列方式。上述中部冷却气体孔阵列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，上述第一上冷却气体孔阵列5-2和第三上气膜孔阵列2-3之间在叶高方向上为交错排列方式，上述第一下冷却气体孔阵列5-4和第三下气膜孔阵列2-6之间在叶高方向上为交错排列方式，即气膜孔和冷却气体孔在叶高方向上应当交错排列方式。
通过精细组织涡轮叶片前缘通道的流场结构，使得冷却气流在叶片前缘受限空间中产生涡流，涡流将会把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）、第二隔离体（4-2），第三隔离体（4-3）和第四隔离体（4-4），四个隔离体形成一个形似“Ⅱ”的结构；其中第一隔离体（4-1）和第四隔离体（4-4）相互平行，第二隔离体（4-2）和第三隔离体（4-3）相互平行且位于第一隔离体（4-1）和第四隔离体（4-4）之间；第一隔离体（4-1）和第四隔离体（4-4）一端与叶片前缘上表面接触，第一隔离体（4-1）和第四隔离体（4-4）另一端与叶片前缘下表面接触；第二隔离体（4-2）一端与第一隔离体（4-1）靠近叶片前缘上表面三分之一处接触，第二隔离体（4-2）另一端与第四隔离体（4-4）接触；第三隔离体（4-3）一端与第一隔离体（4-1）靠近叶片前缘下表面三分之一处接触，第三隔离体（4-3）另一端与第四隔离体（4-4）接触；其中第一隔离体（4-1）与叶片前缘结构（1）前端形成前端受限空间（3-1），第一隔离体（4-1）和第四隔离体（4-4）之间的空间被第二隔离体（4-2）和第三隔离体（4-3）分成3个空间，其中第二隔离体（4-2）和叶片前缘上表面形成上受限空间（3-2），第三隔离体（4-3）和叶片前缘下表面形成下受限空间（3-3），第二隔离体（4-2）和第三隔离体（4-3）之间为冷却空气气腔(6-1)；
上述第一隔离体（4-1）中部设置有使前端受限空间（3-1）和冷却空气气腔(6-1)相通的中部冷却气体孔阵列（5-1），第二隔离体（4-2）的前端设置有使上受限空间（3-2）和冷却空气气腔(6-1)相通的第一上冷却气体孔阵列（5-2），第二隔离体（4-2）的后端设置有使上受限空间（3-2）和冷却空气气腔(6-1)相通的第二上冷却气体孔阵列（5-3）；第三隔离体（4-3）的前端设置有使下受限空间（3-2）和冷却空气气腔(6-1)相通的第一下冷却气体孔阵列（5-4），第三隔离体（4-3）的后端设置有使下受限空间（3-3）和冷却空气气腔(6-1)相通的第二下冷却气体孔阵列（5-5）；
上述叶片前缘结构（1）的叶片前缘上表面设置有使前端受限空间（3-1）和叶片外部流场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），使上受限空间（3-2）和叶片外部流场相通的第三上气膜孔阵列（2-3）；下表面设置有使前端受限空间（3-1）和叶片外部流场相通的有第一下气膜孔阵列（2-4）和第二下气膜孔阵列（2-5），使下受限空间（3-3）和叶片外部流场相通的第三下气膜孔阵列（2-6）；
前缘长度计作L, 上述叶片前缘顶端到第一隔离体（4-1）的距离计作L0，上述叶片前缘顶端到第四隔离体（4-4）的距离计作L1，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L2，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L3，上述叶片前缘顶端到第三上气膜孔阵列（2-3）的距离在前缘长度的投影距离计作L4；上述叶片前缘顶端到第一下气膜孔阵列（2-4）的距离在前缘长度的投影距离计作L5，上述叶片前缘顶端到第二下气膜孔阵列（2-5）的距离在前缘长度的投影距离计作L6：上述叶片前缘顶端到第三下气膜孔阵列（2-6）的距离在前缘长度的投影距离计作L7；上述L0：L=0.32-0.45；L1：L=0.9-1；L2：L=0.05-0.08；L3：L=0.2-0.3；L4：L=0.6-0.75；L5：L=0.05-0.08；L6：L=0.2-0.3；L7：L=0.6-0.75；
上述第一上气膜孔阵列（2-1）、第二上气膜孔阵列（2-2）、第三上气膜孔阵列（2-3）、第一下气膜孔阵列（2-4）、第二下气膜孔阵列（2-5）、第三下气膜孔阵列（2-6）在叶高方向上为平行排列方式，上述中部冷却气体孔阵列（5-1）、第一上冷却气体孔阵列（5-2）、第二上冷却气体孔阵列（5-3）、第一下冷却气体孔阵列（5-4）、第二下冷却气体孔阵列（5-5）在叶高方向上为平行排列方式；上述中部冷却气体孔阵列（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，上述第一上冷却气体孔阵列（5-2）和第三上气膜孔阵列（2-3）之间在叶高方向上为交错排列方式，上述第一下冷却气体孔阵列（5-4）和第三下气膜孔阵列（2-6）之间在叶高方向上为交错排列方式，即气膜孔和冷却气体孔在叶高方向上应当交错排列方式。
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）内侧一端向前端受限空间（3-1）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（2-5）内侧一端向向前端受限空间（3-1）方向的偏转角度在3°—6°之间；在叶型平面上以水平线为基准，上述第三上气膜孔（2-3）内侧一端向上受限空间（3-2）方向的偏转角度在20°—30°之间；在叶型平面上以水平线为基准，上述第三下气膜孔阵列（2-6）内侧一端向下受限空间（3-3）方向的偏转角度在20°—30°之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20131218 Termination date: 20160614 |
|
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