[發明專利]燃氣渦輪冷卻葉片

有效

• 申請號: 201110163286.1
• 申請日: 2011-06-16
• 公開（公告）號: CN102828781A
• 公開（公告）日: 2012-12-19
• 發明（設計）人: 王智勇;廖堅
• 申請（專利權）人: 中航商用航空發動機有限責任公司
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 樓仙英

技術領域

本發明涉及燃氣渦輪發動機，尤其涉及燃氣渦輪的葉片冷卻技術領域。

背景技術

隨著航空發動機技術的飛躍發展，航空發動機壓氣機增壓比以及渦輪前進口溫度均大幅提高，這必然導致渦輪葉片所受到的熱負荷增加，而使其承受非常嚴重的熱應力。為解決這個問題，除了不斷發展新材料和新工藝以外，決定性的因素之一是對渦輪葉片采用先進的高效強化冷卻技術。渦輪葉片的冷卻技術主要從兩個方面進行：一是強化渦輪葉片內部冷卻空氣的擾動，增加渦輪葉片內部的換熱面積；二是在葉片表面采用氣膜冷卻，以有效阻隔高溫燃氣對渦輪葉片的對流換熱。以往，為了在內部強化換熱，大部分渦輪葉片采用在渦輪葉片內部加裝粗糙肋片或者加裝柱型擾流柱的結構。但這種結構存在如下不足之處：(1)冷卻空氣流經這種結構時流阻損失較大，使得在相同的進口壓力下冷卻空氣不足以滿足對渦輪葉片冷卻的需求；(2)換熱效果不佳，由于較大的流阻損失使得冷卻空氣較少，從而限制了換熱效果。

國內外對渦輪葉片內部強化換熱技術進行了大量的研究，其技術核心以及所采取的措施均圍繞著增大葉片內部的換熱面積，強化葉片內部的冷卻空氣的擾動開展的。例如有人提出了在葉片內部采用三角形肋片和V形間斷肋片的結構。也有人提出了在渦輪葉片內部采用圓柱形擾流柱以增強換熱的結構形式。還有人提出了采用橢圓形擾流柱強化葉片內部換熱的結構形式。以上這些葉片內部的結構形式均強化了冷卻空氣在葉片內部的擾動，傳統的直肋片相比，換熱均有所增強，但同時也反映出這些結構有著較大的流動阻力損失。

發明內容

為此，本發明旨在通過在渦輪葉片內部加裝經過改型的擾流柱，該擾流柱在柱身上開孔增加了冷卻流體的流通面積減少了流動阻力，并通過將擾流柱身的孔設置為傾斜孔來產生射流，強化葉片內部的換熱，使葉片保持在較低的溫度水平，提高葉片的使用壽命。

在此，公開了一種燃氣渦輪冷卻葉片，包括葉片主體、冷卻腔和多個擾流柱，其中，冷卻腔由葉片主體的壁部形成用以供冷卻流體從其中流過，擾流柱固定在冷卻腔內，其特征在于：擾流柱具有供冷卻流體流經的孔。

其中，上述孔可以設置為其中心線與未進入孔前的冷卻流體的流動方向所在的直線相平行的平行通道，這種平行通道的孔徑在中心線的前后方向上可以是不變的，也可以是變化的諸如形成先大后小的收縮型通道或先小后大的擴張型通道，無論怎樣設計這種平行通道，均可以使得流動空間增大，流體的流速降低，流阻損失減小。再者，在擾流柱上加工平行通道也使得總的換熱面積增大從而增強了換熱，更進一步地，經過擾流柱上的平行通道的冷卻流體也會與其他的相鄰擾流柱的柱面形成射流，從而能加強換熱。

優選地，上述孔還可以設置為其中心線與未進入孔前的冷卻流體的流動方向所在的直線呈一定角度的傾斜通道。傾斜通道的傾斜角度的大小應根據擾流柱沿流動方向的間距、擾流柱的高度以及冷卻流體的流速而定。當冷卻流體流經安置有該種結構擾流柱的空間時，一部分冷卻流體流經擾流柱上的傾斜通道，這部分冷卻流體由傾斜通道流出在葉片主體的壁面形成沖擊射流，從而加強了冷卻流體和壁面之間的換熱。同時，由于流動空間的增大，使得冷卻流體流經擾流柱時的流速有所降低，壓力損失減少。

較優地，傾斜角度的范圍在30°-60°之間。

更優地，傾斜角度大體上為45°。如此設置時，換熱強化作用最好，而流阻損失卻并非最大。

較優地，葉片主體的壁部具有壓力側壁部和吸力側壁部，孔包括第一通孔和第二通孔，第一通孔用于冷卻流體流經其后與壓力側壁部的表面形成射流，第二通孔用于冷卻流體流經其后與吸力側壁部的表面形成射流。這樣設置后，冷卻流體可以在通過第一通孔和第二通孔后分別在壓力側壁面和吸力側壁面形成沖擊射流。因此，加強了冷卻流體與葉片的壓力側壁部和吸力側壁部的表面之間的換熱。同時，由于流動空間的增大，使得冷卻流體流經擾流柱時的流速有所降低，壓力損失減少。

可選擇地，擾流柱可以為順排或叉排布置，優選地，擾流柱為叉排布置。這樣，當冷卻氣體流經冷卻腔時，冷卻氣體就會繞擾流柱前進而形成湍流從而強化冷卻空氣的擾動并增加葉片內部的換熱面積。

上述擾流柱上的平行通道或傾斜通道可以根據實際需要沿流體的流動方向在擾流柱上設置為多個。

總之，在渦輪葉片內部采用其上開設有平行通道或傾斜通道的擾流柱，一方面強化了換熱，另一方面降低了流動損失。這樣，有效地降低渦輪葉片的溫度水平和溫度梯度，使渦輪葉片使用壽命大幅提高。

附圖說明

為了解釋本發明，將在下文中參考附圖描述其示例性實施方式，

附圖中：