[發(fā)明專(zhuān)利]渦輪葉片蜂巢螺旋腔冷卻結(jié)構(gòu)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010008195.X
• 申請(qǐng)日: 2020-01-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111075510B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 呂東;李海旺;韋文濤;王楠;孔星傲
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): F01D5/18
• 分類(lèi)號(hào): F01D5/18
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專(zhuān)利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉;戴風(fēng)友

本發(fā)明屬于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)渦輪冷卻技術(shù)領(lǐng)域，涉及渦輪葉片蜂巢螺旋腔冷卻結(jié)構(gòu)。所述的渦輪葉片蜂巢螺旋腔冷卻結(jié)構(gòu)，包括空心渦輪葉片、蜂巢螺旋腔和擾流柱；所述的空心渦輪葉片的內(nèi)部設(shè)有冷氣通道，冷氣通道供低溫冷卻氣體在葉片內(nèi)部流動(dòng)，對(duì)葉片進(jìn)行冷卻。在空心渦輪葉片的葉片壁面內(nèi)設(shè)有多個(gè)陣列的蜂巢螺旋腔，以供冷卻氣體進(jìn)入并進(jìn)行對(duì)流冷卻。蜂巢螺旋腔中心設(shè)有擾流柱，擾流柱為圓柱形結(jié)構(gòu)。在每個(gè)單元體中，進(jìn)氣孔和出氣孔分別位于葉片壁面的兩側(cè)，其進(jìn)氣孔中心線和出氣孔中心線在同一豎直平面內(nèi)平行。本發(fā)明單位面積上的結(jié)構(gòu)要素?cái)?shù)量可以增加約15％，冷氣流動(dòng)阻力和損失減小約10～15％，進(jìn)而帶來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)效率的提高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)渦輪冷卻技術(shù)領(lǐng)域，涉及渦輪葉片蜂巢螺旋腔冷卻結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

在目前的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)領(lǐng)域中，為提高裝置效能而采取的措施通常為提高渦輪前燃?xì)鉁囟龋欢壳笆褂貌牧系某惺軜O限遠(yuǎn)低于燃?xì)猸h(huán)境溫度，故渦輪葉片的冷卻問(wèn)題備受關(guān)注。當(dāng)下對(duì)渦輪葉片的冷卻措施普遍為內(nèi)部強(qiáng)化對(duì)流換熱、外部形成氣膜隔絕，其冷卻設(shè)計(jì)的原則是使用最少的冷氣量來(lái)帶走盡可能多的熱量，保護(hù)零部件處于較低的溫度范圍，并且具有較小的溫度梯度，具體為對(duì)葉片采用中空設(shè)計(jì)，使冷卻氣在中空通道內(nèi)流動(dòng)同時(shí)利用豐富的內(nèi)腔表面積進(jìn)行強(qiáng)化換熱，并在冷卻氣體排出葉片時(shí)形成氣膜覆蓋以隔絕燃?xì)獾闹苯蛹訜幔诖嘶A(chǔ)上追求“更大的內(nèi)部換熱面積”、“更高的換熱效率”、“更好的覆蓋效果”、“更小的流動(dòng)阻力”、“對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞更小”、“更好的可造性和可維護(hù)性”等。

目前解決渦輪葉片冷卻問(wèn)題的一類(lèi)方案是采用層板結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其主要特征是采用多層結(jié)構(gòu)組成渦輪葉片的外壁。層板的主要結(jié)構(gòu)包括位于葉片內(nèi)部的進(jìn)氣板、位于葉片外側(cè)的出氣板。在工作時(shí)，冷卻氣體從葉片內(nèi)腔冷氣通道經(jīng)過(guò)進(jìn)氣孔進(jìn)入層板，在與內(nèi)腔擾流柱等結(jié)構(gòu)進(jìn)行換熱后，再通過(guò)氣膜孔流出，并對(duì)葉片外表面進(jìn)行氣膜覆蓋。該方案的主要特點(diǎn)是能夠?qū)?dǎo)熱、對(duì)流冷卻、沖擊冷卻和氣膜冷卻等方式有機(jī)的耦合在一起，具有較大的換熱面積，冷氣利用充分等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度大、流動(dòng)阻力大、強(qiáng)度較弱等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有渦輪葉片層板冷卻結(jié)構(gòu)存在的不足，發(fā)明了一種蜂巢螺旋腔式的冷卻結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

如圖2所示，渦輪葉片蜂巢螺旋腔冷卻結(jié)構(gòu)，包括空心渦輪葉片、蜂巢螺旋腔和擾流柱；

所述的空心渦輪葉片的內(nèi)部設(shè)有冷氣通道，冷氣通道供低溫冷卻氣體在葉片內(nèi)部流動(dòng)，對(duì)葉片進(jìn)行冷卻。

在空心渦輪葉片的葉片壁面內(nèi)設(shè)有多個(gè)陣列的蜂巢螺旋腔，以供冷卻氣體進(jìn)入并進(jìn)行對(duì)流冷卻。蜂巢螺旋腔中心設(shè)有擾流柱，擾流柱為圓柱形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅能增大葉片內(nèi)部換熱面積，還對(duì)冷卻氣流具有導(dǎo)向作用。冷氣在蜂巢螺旋腔內(nèi)繞擾流柱旋轉(zhuǎn)流動(dòng)一周后排出葉片，并在葉片表面形成氣膜覆蓋。

每一個(gè)蜂巢螺旋腔為一個(gè)單元體，每一個(gè)蜂巢螺旋腔形狀為近似正六邊形，并且多個(gè)單元體呈蜂巢狀排布，這樣可以在單位面積內(nèi)布置下較多的冷卻結(jié)構(gòu)，充分利用空間并形成豐富的換熱面積。相對(duì)于典型層板結(jié)構(gòu)，這種每個(gè)單元相對(duì)獨(dú)立的設(shè)計(jì)既保證了氣流均勻又可以避免各路冷氣間的相互影響。

在每個(gè)單元體中，進(jìn)氣孔和出氣孔分別位于葉片壁面的兩側(cè)，其進(jìn)氣孔中心線和出氣孔中心線在同一豎直平面內(nèi)平行。進(jìn)氣孔中心線和出氣孔中心線與水平面的夾角分別為入射角∠A1和出射角∠A2，入射角∠A1和出射角∠A2均為銳角。

進(jìn)一步的，進(jìn)氣孔和出氣孔的橫截面為矩形，進(jìn)氣孔和出氣孔與蜂巢螺旋腔內(nèi)的通道采用圓弧狀滑道光滑相銜接。

進(jìn)一步的，入射角∠A1和出射角∠A2均為20～45°。入射角∠A1和出射角∠A2典型值為30°。

該發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題：