[發(fā)明專利]導向葉片及具有其的渦輪導向器

有效

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• 申請日: 2017-11-03
• 公開（公告）號: CN109751090B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發(fā)明（設計）人: 袁荒;楊俊杰;孫經(jīng)雨;龐科技;李笑;曾武;黃凱
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: F01D9/04
• 分類號: F01D9/04;F01D25/12
• 代理公司: 北京華進京聯(lián)知識產(chǎn)權代理有限公司 11606
• 代理人: 王賽

本發(fā)明提供的導向葉片，包括葉片主體以及沖擊管體，所述葉片主體具有葉片前緣以及葉片尾緣及由其圍設成空心結構，所述葉片尾緣開設有用于排出冷卻氣流的排氣縫，所述沖擊管體為空心結構，所述沖擊管體內(nèi)嵌于所述葉片主體中，沖擊管體外壁與葉片主體內(nèi)壁之間留有間隙，所述沖擊管體上開設有若干沖擊孔，其中，所述葉片主體內(nèi)壁設有若干第一沙丘擾流柱，所述第一沙丘擾流柱具有迎風面，所述迎風面設置在所述第一沙丘擾流柱遠離所述排氣縫的一側(cè)利用第一沙丘擾流柱增大了擾流柱表面與冷卻氣流的接觸面積，增加了冷卻氣流的湍流數(shù)目，在增大換熱面積、強化冷卻氣流湍流的同時也不會提高風阻，提高導向葉片整體的換熱效果。

技術領域

本發(fā)明涉及航空發(fā)動機冷卻領域，特別是涉及一種導向葉片及具有其的渦輪導向器。

背景技術

高性能航空發(fā)動機包括一種緊湊高效的導向葉片，高性能航空發(fā)動機在運行時，其渦輪進口處溫度高，渦輪導向器葉片在溫度高達1800K甚至2000K的燃氣中工作，任何材料都不能長時間在如此惡劣的環(huán)境下工作，已超過導向葉片的材料允許溫度，使用時須對導向葉片進行冷卻設計以保證其安全可靠的工作。所以將導向器葉片掏空，在內(nèi)部通入溫度較低(800K左右)的冷卻氣流，從而降低葉片壁面和整體渦輪導向器的溫度。目前用于航空發(fā)動機渦輪導向器葉片冷卻的基本冷卻結構主要有氣膜冷卻、沖擊冷卻、肋壁強化換熱、擾流柱強化換熱等，其基本冷卻原理是冷氣從葉片頂部進入葉片內(nèi)部，通過內(nèi)部冷卻通道，對葉片的內(nèi)表面實施有效的冷卻。一部分冷氣通過沖擊孔，以沖擊冷卻的形式對葉片前緣內(nèi)表面進行冷卻；一部分通過氣膜孔流出，在渦輪葉片表面形成一層冷氣薄層，對葉片外表面進行有效的保護。同時，氣體經(jīng)過擾流柱，被擾動強化換熱進一步降低葉片溫度后排出。

隨著航空發(fā)動機技術的飛躍發(fā)展，航空發(fā)動機壓氣機增壓比以及渦輪前進口溫度均大幅提高，這必然導致渦輪導向器葉片所受到的熱負荷急劇增加，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(fā)展新材料和新工藝以外，決定性的因素之一是對渦輪導向器葉片采用先進的高效強化冷卻技術。渦輪導向器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(nèi)部冷卻空氣的擾動，增加渦輪葉片內(nèi)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。

國內(nèi)外對渦輪導向器葉片內(nèi)部強化換熱技術進行了大量的研究，其核心思想和采取的措施均圍繞著增大葉片內(nèi)部換熱面積，強化葉片內(nèi)部冷卻的空氣的擾動開展的。傳統(tǒng)的渦輪葉片內(nèi)部強化換熱大部分采用在渦輪葉片內(nèi)部加裝粗糙肋片或者加裝圓柱型擾流柱，以強化換熱。但這些結構存在以下不足之處：(1)冷卻空氣流經(jīng)這些結構時流阻損失較大，使得渦輪導向器葉片在相同的進口壓力下冷卻空氣不足以滿足對葉片冷卻的需求；(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。

發(fā)明內(nèi)容

基于此，有必要針對渦輪葉片通過增大葉片內(nèi)部換熱面積、強化內(nèi)部冷卻空氣擾動限制換熱效果的技術問題，提供一種導向葉片及具有其的渦輪導向器。

本發(fā)明提供的一種導向葉片，包括葉片主體以及沖擊管體，所述葉片主體具有葉片前緣以及葉片尾緣，由所述葉片前緣以及所述葉片尾緣圍設成空心結構，所述葉片尾緣開設有用于排出冷卻氣流的排氣縫，所述沖擊管體為空心結構，所述沖擊管體內(nèi)嵌于所述葉片主體中，所述沖擊管體的外壁與葉片主體內(nèi)壁之間留有間隙，所述沖擊管體上開設有若干沖擊孔，其中，所述葉片主體內(nèi)壁設有若干第一沙丘擾流柱，所述第一沙丘擾流柱具有迎風面，所述迎風面設置在所述第一沙丘擾流柱遠離所述排氣縫的一側(cè)。

在其中一個實施例中，所述沖擊管體的外壁設有若干第二沙丘擾流柱，所述第二沙丘擾流柱的迎風面與冷卻氣流相向設置。

在其中一個實施例中，所述第一沙丘擾流柱和/或所述第二沙丘擾流柱的高度為0.5～1.0mm。

在其中一個實施例中，所述第一沙丘擾流柱和/或所述第二沙丘擾流柱為新月形沙丘。