專利名稱：一種燃?xì)鉁u輪冷卻葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種渦輪冷卻葉片，特別適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)。
技術(shù)背景隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，燃?xì)鉁u輪的性能要求越來越高，而提高渦輪性能的最基本技術(shù)途徑是提高渦輪進(jìn)口溫度。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪為例，渦輪前總溫每提高55'C,在 發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸不變的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)推力可提高10%，推重比10的一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口 溫度已經(jīng)達(dá)到1900K以上。高溫所帶來的問題，其解決的途徑有兩個(gè) 一是采用更高 耐熱性能的材料制造渦輪葉片； 一是采用先進(jìn)的冷卻技術(shù)，提高冷卻效果和效率。然 而，隨著燃?xì)廨啓C(jī)性能的不斷提高，渦輪入口溫度以每年平均提高2(TC的速度增加， 而金屬耐熱程度僅以每年約『C的速度增加，而且，即使發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部件采用如碳-碳 復(fù)合耐高溫材料也不能完全取消冷卻，先進(jìn)的冷卻可使高溫部件承受更高的工作溫度， 從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)壽命和可靠性。目前先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前進(jìn)口溫度已達(dá)到了 2000K左 右，比高壓渦輪葉片金屬材料的熔點(diǎn)高400K，因此，冷卻葉片的設(shè)計(jì)已成為燃?xì)鉁u輪 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的核心技術(shù)之一。早期的渦輪葉片采用直流式冷卻，目前各種冷卻技術(shù)如沖擊冷卻、氣膜冷卻、強(qiáng) 化換熱冷卻等逐漸應(yīng)用于渦輪葉片，冷卻葉片結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，在一些先進(jìn)的燃?xì)?渦輪中，用于冷卻渦輪的空氣量高達(dá)15%,因此，提高空氣冷卻效率，降低冷卻空氣量 已成為冷卻葉片設(shè)計(jì)的重要研究方向。 發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜、單位空氣量的冷卻效率不高的不足，本實(shí)用新 型提出了一種燃?xì)鉁u輪冷卻葉片，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，并且在不增加冷卻空氣量的條件下 能夠提高冷卻效率，有效地降低葉片前緣和尾緣部位的溫度。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是在葉片內(nèi)壁自葉片前緣到尾緣 依次排列有若干個(gè)沿葉片徑向排列的隔板，其中一個(gè)隔板將葉片內(nèi)腔分割為前、后兩 個(gè)獨(dú)立的部分，其余隔板將葉片內(nèi)腔的前、后兩部分分別分割成若干個(gè)連通的冷卻腔， 沿葉片縱向形成兩條回流式冷卻通道，通道的入口均在葉片根部，距離葉片前緣最近的隔板上具有若干個(gè)沖擊冷卻孔，對(duì)葉片前緣內(nèi)壁形成沖擊冷卻；同時(shí)葉片前緣有若 干個(gè)從葉片內(nèi)壁面穿透至外壁面的氣膜孔，冷氣從氣膜孔流出后，在主流壓力和摩擦 力作用下向下游彎曲，粘附在在葉片表面形成氣膜冷卻，將葉片壁面與高溫燃?xì)飧糸_， 從而降低葉片溫度；距離葉片尾緣最近的冷卻腔在葉片尾緣處開有排氣縫，在排氣縫 處從葉片壓力面穿透至吸力面交錯(cuò)排列有若干擾流柱，擾流柱改變了冷卻通道內(nèi)冷卻 氣流的湍流度，增強(qiáng)了冷卻氣流的流動(dòng)和傳熱，同時(shí)擾流柱還能加強(qiáng)葉片壁面的傳熱 面積，進(jìn)一步強(qiáng)化尾緣換熱，提高冷卻效率。冷卻氣體通過兩個(gè)入口進(jìn)入，對(duì)前面部 分冷卻通道而言，冷卻氣體沿著通道流動(dòng)，最終通過在前緣氣膜冷卻孔流出，形成葉 片前緣表面的冷卻；對(duì)后面部分冷卻通道而言，氣體在入口進(jìn)入后，沿著冷卻通道流 動(dòng)，經(jīng)過在由壓力面至吸力面之間形成的交錯(cuò)排列的擾流柱強(qiáng)化換熱，最終在葉片尾 緣排氣縫流出，形成完整的通路。為了降低鑄造成本，本實(shí)用新型所述的擾流柱為圓形截面。本實(shí)用新型的有益效果是①由于冷卻通道分為前、后兩個(gè)部分，使得冷卻氣體 在前后緣位置均具有較高的換熱系數(shù)，提高了冷卻效果；②冷卻通道包含多個(gè)冷卻腔， 冷卻氣體在葉片內(nèi)具有較長的行程，可大大增加冷卻效率；③葉片前緣位置的氣膜冷 卻孔降低了葉片前緣的溫度，擾流柱提高了冷卻空氣在靠近葉片尾緣位置的冷卻效果； ④冷卻通道第一個(gè)隔板上排列的沖擊冷卻孔對(duì)葉片前緣內(nèi)壁面進(jìn)行沖擊冷卻，可進(jìn)一 步降低前緣溫度；⑤葉片整體表面溫度分布更為均勻，大大增加了葉片的壽命和可靠 性；⑥冷卻葉片結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，具有良好的加工性和工程應(yīng)用前景。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。

圖1為本實(shí)用新型冷卻葉片橫截面示意圖；圖中，l一隔板一，2—隔板二， 3—隔板三，4一隔板四，5—隔板五，6 — 冷卻腔一，7—冷卻腔二， 8，冷卻腔三，9—冷卻腔四，IO—冷卻腔五，ll一 冷卻腔六，1 2 —沖擊冷卻孔，1 3 —?dú)饽だ鋮s孔，1 4 一擾流柱，1 5 —排氣縫， A—葉片外壁，B—葉片內(nèi)壁。圖2為本實(shí)用新型冷卻葉片冷卻通道結(jié)構(gòu)示意圖； 圖中，16—進(jìn)氣孔一，17—進(jìn)氣孔二。圖3為本實(shí)用新型冷卻葉片整體外形及冷氣出流示意圖。圖4為本實(shí)用新型冷卻葉片剖面圖。 圖5為本實(shí)用新型底部進(jìn)氣口示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1和圖2所示，根據(jù)氣動(dòng)參數(shù)，葉片外壁面型線采用五次多項(xiàng)式方法構(gòu)造， 葉片前緣、尾緣型線采用圓弧連接，連接處二階可導(dǎo)。根據(jù)葉片外壁面型線函數(shù)，定 義葉片壁面厚度分布函數(shù)，得到葉片內(nèi)壁面型線函數(shù)，建立葉片外壁A和葉片內(nèi)壁B， 由葉片前緣到尾緣依次排列有隔板一 1,隔板二2，隔板三3，隔板四4，隔板五5， 將葉片內(nèi)腔分割成冷卻腔一 6，冷卻腔二 7，冷卻腔三8，冷卻腔四9，冷卻腔五10 和冷卻腔六ll，其中隔板三3將葉片冷卻通道分割為前、后兩個(gè)獨(dú)立部分；隔板一l 上等間距排列有3個(gè)沖擊冷卻孔12，冷卻氣流在冷卻腔二7流動(dòng)時(shí)，通過沖擊冷卻孔 噴出冷卻空氣對(duì)葉片內(nèi)壁B前緣吹送冷卻空氣進(jìn)行冷卻。葉片前緣有交錯(cuò)排列的氣膜 冷卻孔13，從葉片內(nèi)壁B穿透至葉片外壁A，如圖3所示，多個(gè)薄膜冷卻孔在葉片前 緣沿葉高方向排列，構(gòu)成氣膜冷卻孔陣列。從薄膜冷卻孔流出的氣流遇到主流高溫燃 氣，轉(zhuǎn)折向后沿著葉片外壁A流動(dòng)，在葉片外壁面A形成了薄膜冷卻。葉片尾緣部分 的冷卻腔六11在葉片壓力面和吸力面之間形成若干交錯(cuò)排列的擾流柱14，多個(gè)擾流 柱在葉片最后一個(gè)冷卻腔內(nèi)沿葉高方向交錯(cuò)排列，通過擾流柱對(duì)冷卻通道內(nèi)冷卻氣流 的擾動(dòng)，影響氣流的流動(dòng)和傳熱，同時(shí)擾流柱還能加強(qiáng)葉片壁面的傳熱。最后冷氣通 過排氣縫15流出。相鄰冷卻腔之間上端與上端相互連通或下端與下端相互連通，冷氣 從葉片榫頭底部入口一 16和入口二 17分別進(jìn)入前后兩個(gè)冷卻通道，前面部分冷卻通 道冷氣在前緣流出，后面部分冷卻通道冷氣在尾緣排氣縫流出，構(gòu)成完整的通路。如上所述，通過本實(shí)用新型的冷卻葉片設(shè)計(jì)方案，可以在不增加冷卻空氣流量的 前提下提高冷氣的冷卻效率，提高渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟?，從而提高燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的性 能和工作效率，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。
權(quán)利要求1、一種燃?xì)鉁u輪冷卻葉片，包括葉片和若干隔板，其特征在于在葉片內(nèi)壁自葉片前緣到尾緣依次排列有若干個(gè)沿葉片徑向排列的隔板，其中一個(gè)隔板將葉片內(nèi)腔分割為前、后兩個(gè)獨(dú)立的部分，其余隔板將葉片內(nèi)腔的前、后兩部分分別分割成若干個(gè)連通的冷卻腔，沿葉片縱向形成兩條回流式冷卻通道，通道的入口均在葉片根部，距離葉片前緣最近的隔板上具有若干個(gè)沖擊冷卻孔，葉片前緣有若干個(gè)從葉片內(nèi)壁面穿透至外壁面的氣膜孔，距離葉片尾緣最近的冷卻腔在葉片尾緣處開有排氣縫，在排氣縫處從葉片壓力面穿透至吸力面交錯(cuò)排列有若干擾流柱。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃?xì)鉁u輪冷卻葉片，其特征在于所述的擾流 柱為圓形截面。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種燃?xì)鉁u輪冷卻葉片，在葉片內(nèi)壁自葉片前緣到尾緣依次排列有若干個(gè)沿葉片徑向排列的隔板，其中一個(gè)隔板將葉片內(nèi)腔分割為前、后兩個(gè)獨(dú)立的部分，其余隔板將葉片內(nèi)腔的前、后兩部分分別分割成若干個(gè)連通的冷卻腔，沿葉片縱向形成兩條回流式冷卻通道，通道的入口均在葉片根部，距離葉片前緣最近的隔板上具有若干個(gè)沖擊冷卻孔，葉片前緣有若干個(gè)從葉片內(nèi)壁面穿透至外壁面的氣膜孔，距離葉片尾緣最近的冷卻腔在葉片尾緣處開有排氣縫，在排氣縫處從葉片壓力面穿透至吸力面交錯(cuò)排列有若干擾流柱。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，有效增加了冷卻效率。
文檔編號(hào)F01D5/18GK201218110SQ20082002954
公開日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2008年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月3日
發(fā)明者俊 倪, 偉 劉, 軍 劉, 劉永壽, 呂震宙, 岳珠峰, 磊 李, 虞跨海, 高宗戰(zhàn) 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)