本發(fā)明涉及一種帶有內(nèi)螺紋部的冷卻通道，可有效抑制近通道壁面的氣流在流過內(nèi)螺紋部后形成的回流區(qū)中的成團氣流。本發(fā)明還涉及用于航空發(fā)動機的渦輪葉片。本發(fā)明屬于航空發(fā)動機的渦輪葉片設計領域。

背景技術：

1、航空發(fā)動機是飛機的“心臟”，提高航空發(fā)動機的渦輪前溫度是提高發(fā)動機的推重比、降低油耗的最直接途徑。然而，渦輪前溫度的提高會對渦輪葉片等關鍵零部件的穩(wěn)定工作帶來巨大挑戰(zhàn)。

2、為了保證渦輪葉片等關鍵零部件在高溫、高速環(huán)境下的穩(wěn)定運行，發(fā)動機必須采取有效的熱防護措施來提高部件的耐熱能力。在高溫合金及陶瓷材料研發(fā)進程較慢的情況下，設計高效的冷卻結(jié)構是提高渦輪葉片耐熱能力的關鍵所在。

3、當前葉片冷卻技術主要有內(nèi)部冷卻及外部冷卻兩種主要方向，其中內(nèi)部冷卻主要通過在葉片內(nèi)部建立冷卻通道并通入冷氣來帶走葉身熱量，達到冷卻葉片的效果。葉片與冷卻氣體的換熱量大小取決于通道對流換熱系數(shù)和換熱面積。

4、現(xiàn)有的葉片內(nèi)部冷卻通道技術方案主要有沖擊冷卻、擾流柱冷卻、擾流肋冷卻等。請參見圖1，示意性示出了渦輪葉片內(nèi)部復雜的冷卻技術。

5、沖擊冷卻的技術方案是利用冷氣從外部以一定速度沖擊葉片內(nèi)壁面，通過強化表面換熱系數(shù)來達到葉片內(nèi)壁面降溫效果，主要應用于葉片的前緣區(qū)域。

6、擾流柱冷卻的技術方案利用圓柱擾流來強化湍流換熱，擾流柱的兩端分別與所述壓力側(cè)壁面和吸力側(cè)壁面固定相連，在擾流柱的后緣產(chǎn)生紊亂的尾流區(qū)，強化對流換熱效果，主要應用于葉片的尾緣區(qū)域。

7、擾流肋冷卻的技術方案是在冷卻通道的內(nèi)壁面設大致橫向于流動方向的肋條，肋條對通道內(nèi)流體形成強烈擾動，增加流體湍流強度，破壞其傳熱邊界層，使換熱系數(shù)增大，具有較強的對流換熱的效果。

8、然而，上述的擾流柱柱、擾流柱肋的技術方案通過凸起部阻礙冷卻通道中的冷卻氣流的主流動，使其中一部分流動轉(zhuǎn)換為湍流，雖然能在很大程度上增強湍流程度，強化傳熱效果，然而其帶來的副流動現(xiàn)象比較明顯。

9、請參見圖2，其示意性示出了采用平行的橫向肋引起的溫度分布圖案。副流動會形成回流區(qū)，在回流區(qū)中成團氣流阻止冷卻氣流帶走熱量，容易造成熱量局部積聚，導致?lián)Q熱效果分布不均勻和局部熱應力過大。此外，回流區(qū)中的成團氣流容易導致流動阻力增大。

10、因此，亟需提出一種結(jié)構簡單、同時兼顧低流動阻力、換熱效果分布均勻的冷卻結(jié)構。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術的上述問題，發(fā)明人提供了一種帶有內(nèi)螺紋部的冷卻通道，用于航空發(fā)動機的渦輪葉片，有效抑制靠近通道壁面的氣流在流過內(nèi)螺紋部后形成的回流情況，可以改善局部傳熱惡化，并在一定程度上起到減阻、降低壓力損失的效果。

2、在該帶有內(nèi)螺紋部的冷卻通道的第一示例中，內(nèi)螺紋部連續(xù)螺旋式地設在冷卻通道的至少一部分的內(nèi)壁上。

3、在該帶有內(nèi)螺紋部的冷卻通道的第二示例中，內(nèi)螺紋部連續(xù)螺旋式地設在冷卻通道的全部的內(nèi)壁上。

4、在該帶有內(nèi)螺紋部的冷卻通道的第三示例中，可選地包括第一示例和第二示例中的一個或多個，內(nèi)螺紋部的螺紋截面的形狀包括方波、正弦波和鋸齒波形狀中的至少一種。

5、在該帶有內(nèi)螺紋部的冷卻通道的第四示例中，可選地包括第一示例至第三示例中的一個或多個，內(nèi)螺紋部包括朝向冷卻通道中的冷卻氣流的主流動的離開方向的第一面，并且內(nèi)螺紋部在第一面上設有出氣口，出氣口通向到位于第一面附近的回流區(qū)，通過設置出氣口吹散回流氣流團。

6、在該帶有內(nèi)螺紋部的冷卻通道的第五示例中，可選地包括第一示例至第四示例中的一個或多個，內(nèi)螺紋部包括朝向冷卻通道中的冷卻氣流的主流動的來臨方向的第二面，并且內(nèi)螺紋部包括貫穿孔，貫穿孔在第一面上形成出氣口，并且在第二面上形成進氣口，通過設置貫穿孔，將來臨氣流中的一部分作為用于吹散回流氣流團的氣流來源。

7、在該帶有內(nèi)螺紋部的冷卻通道的第六示例中，可選地包括第一示例至第五示例中的一個或多個，貫穿孔的延伸方向平行于冷卻通道中的冷卻氣流的主流動的流動方向，便于設計和加工，并且減少阻力。

8、在該帶有內(nèi)螺紋部的冷卻通道的第七示例中，可選地包括第一示例至第六示例中的一個或多個，貫穿孔的截面形狀包括圓形、卵圓形、跑道形、方形、長方形、圓角矩形、六邊形和八邊形中的至少一種。

9、在該帶有內(nèi)螺紋部的冷卻通道的第八示例中，可選地包括第一示例至第七示例中的一個或多個，進氣口大于出氣口，因此出氣口出的氣流速度增大。

10、在該帶有內(nèi)螺紋部的冷卻通道的第九示例中，可選地包括第一示例至第八示例中的一個或多個，冷卻通道在通道壁內(nèi)部包括氣流通路，并且氣流通路與出氣口中的每一者經(jīng)由分支氣流通路流體連通。

11、本發(fā)明提供了一種用于航空發(fā)動機的渦輪葉片，該渦輪葉片包括第一示例至第九示例中的一個或多個的帶有內(nèi)螺紋部的冷卻通道。

12、螺紋形壁面冷卻的技術方案是將冷卻通道的內(nèi)壁面制造成螺紋形，波峰、波谷的交替出現(xiàn)會對邊界層流場產(chǎn)生強烈擾動，即使流速很低也能迅速使得流動轉(zhuǎn)換為湍流，破壞傳熱邊界層，從而大幅度提高換熱系數(shù)。此外，由于螺紋的存在，使得換熱面積比光滑壁面顯著增大，更大的換熱面積能帶來更大的換熱量。螺紋形壁面不同于肋條冷卻技術方案中的擾流肋，未對主流流動造成明顯阻礙，帶來的流動阻力較小，流動損失也更小。

13、本發(fā)明的帶有內(nèi)螺紋部的冷卻通道，在內(nèi)螺紋部上包括出氣口，可有效抑制近通道壁面的氣流在流過內(nèi)螺紋部后形成的回流區(qū)中的成團氣流，改善熱量局部積聚造成的局部熱應力過大，并且消除成團氣流一定程度上起到減阻、降低壓力損失的效果，可以進一步提升冷卻通道的換熱性能。

技術特征：

1.一種帶有內(nèi)螺紋部的冷卻通道，用于航空發(fā)動機的渦輪葉片，其特征在于，

2.根據(jù)權利要求1所述的帶有內(nèi)螺紋部的冷卻通道，其特征在于，

3.根據(jù)權利要求1所述的帶有內(nèi)螺紋部的冷卻通道，其特征在于，

4.根據(jù)權利要求1所述的帶有內(nèi)螺紋部的冷卻通道，其特征在于，

5.根據(jù)權利要求4所述的帶有內(nèi)螺紋部的冷卻通道，其特征在于，

6.根據(jù)權利要求5所述的帶有內(nèi)螺紋部的冷卻通道，其特征在于，

7.根據(jù)權利要求5所述的帶有內(nèi)螺紋部的冷卻通道，其特征在于，

8.根據(jù)權利要求5所述的帶有內(nèi)螺紋部的冷卻通道，其特征在于，

9.根據(jù)權利要求4所述的帶有內(nèi)螺紋部的冷卻通道，其特征在于，

10.一種用于航空發(fā)動機的渦輪葉片，其特征在于，所述渦輪葉片包括根據(jù)權利要求1-9中任一項所述的帶有內(nèi)螺紋部的冷卻通道。

技術總結(jié)
本發(fā)明涉及帶有內(nèi)螺紋部的冷卻通道和用于航空發(fā)動機的渦輪葉片。在帶有內(nèi)螺紋部的冷卻通道中，該內(nèi)螺紋部連續(xù)螺旋式地設在冷卻通道的至少一部分的內(nèi)壁上。

技術研發(fā)人員：吳忱韓,呂靜,李闖,吳昊
受保護的技術使用者：中國商用飛機有限責任公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/10