[發(fā)明專利]一種渦輪葉片彎曲枝網(wǎng)式冷卻結(jié)構(gòu)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110153320.0
• 申請日: 2021-02-04
• 公開（公告）號: CN112922675B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 呂東;王相平;康浩;陳云;王楠;孫一楠
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 戴風(fēng)友

本發(fā)明屬于航空發(fā)動機渦輪葉片冷卻技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種渦輪葉片彎曲枝網(wǎng)式冷卻結(jié)構(gòu)。一種渦輪葉片彎曲枝網(wǎng)式冷卻結(jié)構(gòu)，包括與緣板外表面垂直的陣列圓柱支撐結(jié)構(gòu)和彎曲網(wǎng)狀連接結(jié)構(gòu)組成。所述圓柱支撐結(jié)構(gòu)截面為直徑φD₁＝1～2mm的圓形，為能夠在較為狹小的空間內(nèi)布置更多的擾流結(jié)構(gòu)，各柱體在緣板外表面葉片內(nèi)腔冷卻氣通道入口周圍應(yīng)呈正三角形排布，且各柱體分別位于正三角形的頂點，該正三角形邊長即相鄰圓柱支撐的間距L為3～5mm。本發(fā)明結(jié)構(gòu)覆蓋于緣板的外表面，并能夠顯著增加冷氣側(cè)的換熱面積，增強對冷卻氣流的擾動程度，從而有效提高冷卻效果。此外，該結(jié)構(gòu)還能夠增強緣板的抗變形能力，并且易于制造。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于航空發(fā)動機渦輪葉片冷卻技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種渦輪葉片彎曲枝網(wǎng)式冷卻結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

航空發(fā)動機是一種將熱能轉(zhuǎn)化為噴氣推力或機械功的動力裝置，其渦輪前溫度越高，產(chǎn)生的推力就越大，發(fā)動機性能也越高。數(shù)據(jù)預(yù)測顯示，渦輪前燃?xì)鉁囟让可?00℃，發(fā)動機熱效率提升8％，最大推力可以提升15％左右。因此，提高燃?xì)鉁囟瘸蔀榱嗽O(shè)計的首要追求。在這種條件下，作為典型熱端部件的渦輪葉片，它的耐溫能力就成為了制約航空發(fā)動機性能提升的瓶頸因素。在材料耐高溫性能很難進(jìn)一步提升的情況下，對渦輪葉片采用先進(jìn)冷卻設(shè)計必然衍生為航空發(fā)動機研制的關(guān)鍵技術(shù)。總的來說，渦輪葉片的冷卻方式按位置可分為內(nèi)部冷卻和外部冷卻，按作用效果可分為對流冷卻、沖擊冷卻和氣膜冷卻等?，F(xiàn)代航空發(fā)動機一般采用上述組合冷卻方式，以提高冷卻效率。

如圖1所示，在已有的渦輪導(dǎo)向葉片的緣板冷卻中，常規(guī)采用的是強化對流與氣膜覆蓋組合的方式，在緣板上開設(shè)有氣膜孔，且分布在葉片內(nèi)腔冷卻氣通道入口的周圍。在此類方案中，冷卻氣從緣板外部進(jìn)入，沖刷緣板外表面并帶走熱量，然后通過氣膜孔到達(dá)葉片的內(nèi)流道，形成氣膜覆蓋，阻隔高溫燃?xì)鈱θ~片基體的加熱，進(jìn)一步對葉片進(jìn)行保護。由于此類結(jié)構(gòu)換熱面積小，對氣流的擾動少，因此其冷卻效率不能滿足高推重比航空發(fā)動機的需求，迫切的需要加以改進(jìn)提高。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)存在的不足，以及為了滿足高推重比航空發(fā)動機的需求，本發(fā)明提供了一種渦輪導(dǎo)向葉片緣板彎曲枝網(wǎng)式冷卻結(jié)構(gòu)。相較于常規(guī)冷卻方案，該結(jié)構(gòu)覆蓋于緣板的外表面，并能夠顯著增加冷氣側(cè)的換熱面積，增強對冷卻氣流的擾動程度，從而有效提高冷卻效果。此外，該結(jié)構(gòu)還能夠增強緣板的抗變形能力，并且易于制造。

本發(fā)明為取得上述效果采用了如下技術(shù)方案：

如圖2所示，一種渦輪葉片彎曲枝網(wǎng)式冷卻結(jié)構(gòu)，包括與緣板外表面垂直的陣列圓柱支撐結(jié)構(gòu)和彎曲網(wǎng)狀連接結(jié)構(gòu)組成。

所述圓柱支撐結(jié)構(gòu)截面為直徑φD₁＝1～2mm的圓形，為能夠在較為狹小的空間內(nèi)布置更多的擾流結(jié)構(gòu)，各柱體在緣板外表面葉片內(nèi)腔冷卻氣通道入口周圍應(yīng)呈正三角形排布，且各柱體分別位于正三角形的頂點，該正三角形邊長即相鄰圓柱支撐的間距L為3～5mm。

所述彎曲網(wǎng)狀連接結(jié)構(gòu)的軸線呈橢圓形，橢圓長軸長為L，橢圓短軸長為0.3～0.7L。彎曲網(wǎng)狀連接結(jié)構(gòu)沿軸線各截面為直徑φD₂＝1～2mm的圓形。為保證本發(fā)明效果，φD₂與φD₁相等。彎曲枝網(wǎng)式冷卻結(jié)構(gòu)的總高度H為2～4mm。由于圓柱支撐呈正三角形排布，因此彎曲枝網(wǎng)在連接相鄰兩個圓柱支撐的端部后，形成的網(wǎng)孔在緣板外表面投影近似呈正三角形，且彎曲網(wǎng)狀連接結(jié)構(gòu)相鄰兩分枝之間的夾角∠A₁＝60°。

彎曲網(wǎng)狀連接結(jié)構(gòu)的各節(jié)點、圓柱支撐、緣板外表面連接位置均平滑過渡。

為保證最優(yōu)的冷卻效果，緣板氣膜孔的冷卻氣入口應(yīng)布置在彎曲網(wǎng)狀連接結(jié)構(gòu)中連接兩個圓柱支撐的分枝正下方，氣膜孔軸線方向與緣板平面切向夾角∠A₂＝30°～40°，氣膜孔直徑φd＝0.5～0.8mm。

本發(fā)明采用上述結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：