[發明專利]一種具有前緣凹腔的渦輪葉片

無效

• 申請號: 201410025859.8
• 申請日: 2014-01-20
• 公開（公告）號: CN103806952A
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發明（設計）人: 陶智;郭文;吳宏;李育隆;蘇云亮;呼艷麗;潘炳華
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學;中國燃氣渦輪研究院
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種適用于燃氣渦輪發動機的具有前緣凹腔結構的渦輪葉片。該渦輪葉片有著很好的冷卻效果和氣動性能。

背景技術

渦輪葉片是燃氣渦輪發動機最重要的熱端部件之一，燃燒室中產生的高溫燃氣經過導向葉片的整流加速后直接沖擊在渦輪葉片上，渦輪葉片處于溫度最高、應力最復雜、環境最惡劣的部位。渦輪葉片是一種特殊的零件，它的數量多，形狀復雜，要求高，加工難度大，而且是故障多發的零件，一直以來是各發動機廠的生產的關鍵。而為了提高航空發動機中燃氣渦輪的效率，增加航空發動機推重比，就必須提高發動機燃燒室出口燃氣溫度也即渦輪前的進口溫度，即必須提高渦輪葉片的高溫性能。為此，人們在渦輪葉片設計、高溫材料的研制、冷卻方法研究及表面涂層等方面作了大量的工作。據統計，渦輪入口溫度以平均每年提高20℃的速度增加，而金屬耐溫程度僅以每年約8℃的速度增加，因此，即使發動機渦輪部件采用類似于碳—碳復合材料這樣的耐高溫材料，也不能完全取消冷卻，先進的冷卻可使高溫部件承受更高的溫度，使發動機的壽命更長、可靠性更高。目前航空發動機渦輪葉片都采用空心結構，即在渦輪葉片上設計了很多細小的管道，可以使高壓冷空氣通過這些管道流經高溫葉片，起到強制冷卻作用，以提高渦輪的耐熱性能。但是由于渦輪葉片為滿足強度要求，一般結構較為厚實，特別是葉片前緣部分，直接承受高溫燃氣沖擊，這造成葉片內部溫度場很不均勻，熱應力較大。本發明提出一種具有前緣凹腔結構的渦輪冷卻葉片，其主要特征在于在渦輪葉片前緣以駐點線為中心線，以葉片前緣型面為參考型面，向內切出一個深1mm～2mm凹腔，該結構能大大提高渦輪葉片的冷卻效果，改善葉片前緣部分表面溫度場分布，減小熱應力。

發明內容

本發明的目的是提供一種適用于燃氣渦輪發動機的具有前緣凹腔結構的渦輪葉片，以改善渦輪葉片前緣部分溫度分布狀況，提高冷卻效果。該渦輪葉片包括葉片基體（1）、前緣凹腔（2）及氣膜孔（3），其特征在于：渦輪葉片前緣以駐點線為中心線，以葉片前緣型面為參考型面，向內切出一個深1mm～2mm前緣凹腔（2），前緣凹腔（2）開口處展向寬（a）范圍為3mm～5mm，形成的前緣凹腔（2）底面型面與葉片原前緣型面相同，前緣凹腔（2）底面展向寬（b）范圍為2mm～3mm，前緣凹腔（2）下端面與葉根的距離(p₁)范圍為6mm～8mm，前緣凹腔（2）上端面與葉頂的距離（p₂）范圍為6mm～8mm，前緣凹腔（2）上各銳邊以弧形過渡，前緣凹腔（2）底面開有氣膜孔（3），氣膜孔（3）的幾何形式為圓柱形，出口中心分布于駐點線上，其直徑（D）范圍為0.5mm～0.8mm，孔間距（s）范圍為直徑（D）的1.5～2倍。

本發明的優點在于：（1）渦輪葉片前緣駐點區域直接承受高溫燃氣沖擊，是局部溫度最高的部位，采用前緣凹腔結構減小前緣厚度，可大幅度減小導熱熱阻，在相同熱流及冷氣量情況下，前緣凹腔結構的葉片的冷卻效率比常規渦輪葉片的冷卻效率能提高150%～200%；（2）在凹腔底面開設氣膜孔排，在內部冷氣的沖擊下，部分冷氣從駐點位置流出，冷氣在高溫主流燃氣的作用下，彎曲向后粘附與壓力面前緣和吸力面前緣，形成冷卻氣膜，從而提高了冷卻氣膜的覆蓋面積，是葉片表面溫度分布更加均勻，減小熱應力，大大提高了冷卻效率和葉片壽命；（3）前緣凹腔結構簡單，易于制造，成本較低。

附圖說明

圖1本發明結構示意圖

圖2本發明剖視圖及凹腔局部放大圖

圖中：1.葉片基體2.前緣凹腔3.氣膜孔4.冷卻氣體5.高溫燃氣

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。

如圖1所示，是具有前緣凹腔結構的渦輪葉片整體結構示意圖。該渦輪葉片包括葉片基體（1）、前緣凹腔（2）及氣膜孔（3），其特征在于：渦輪葉片前緣以駐點線為中心線，以葉片前緣型面為參考型面，向內切出一個深1mm～2mm前緣凹腔（2），前緣凹腔（2）開口處展向寬（a）范圍為3mm～5mm，形成的前緣凹腔（2）底面型面與葉片原前緣型面相同，前緣凹腔（2）底面展向寬（b）范圍為2mm～3mm，前緣凹腔（2）下端面與葉根的距離(p₁)范圍為6mm～8mm，前緣凹腔（2）上端面與葉頂的距離（p₂）范圍為6mm～8mm，前緣凹腔（2）上各銳邊以弧形過渡，前緣凹腔（2）底面開有氣膜孔（3），氣膜孔（3）的幾何形式為圓柱形，出口中心分布于駐點線上，其直徑（D）范圍為0.5mm～0.8mm，孔間距（s）范圍為直徑（D）的1.5～2倍。