CN109751090A - 导向叶片及具有其的涡轮导向器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的导向叶片，包括叶片主体以及冲击管体，所述叶片主体具有叶片前缘以及叶片尾缘及由其围设成空心结构，所述叶片尾缘开设有用于排出冷却气流的排气缝，所述冲击管体为空心结构，所述冲击管体内嵌于所述叶片主体中，冲击管体外壁与叶片主体内壁之间留有间隙，所述冲击管体上开设有若干冲击孔，其中，所述叶片主体内壁设有若干第一沙丘扰流柱，所述第一沙丘扰流柱具有迎风面，所述迎风面设置在所述第一沙丘扰流柱远离所述排气缝的一侧利用第一沙丘扰流柱增大了扰流柱表面与冷却气流的接触面积，增加了冷却气流的湍流数目，在增大换热面积、强化冷却气流湍流的同时也不会提高风阻，提高导向叶片整体的换热效果。

Description

导向叶片及具有其的涡轮导向器

技术领域

本发明涉及航空发动机冷却领域，特别是涉及一种导向叶片及具有其的涡轮导向器。

背景技术

高性能航空发动机包括一种紧凑高效的导向叶片，高性能航空发动机在运行时，其涡轮进口处温度高，涡轮导向器叶片在温度高达1800K甚至2000K的燃气中工作，任何材料都不能长时间在如此恶劣的环境下工作，已超过导向叶片的材料允许温度，使用时须对导向叶片进行冷却设计以保证其安全可靠的工作。所以将导向器叶片掏空，在内部通入温度较低(800K左右)的冷却气流，从而降低叶片壁面和整体涡轮导向器的温度。目前用于航空发动机涡轮导向器叶片冷却的基本冷却结构主要有气膜冷却、冲击冷却、肋壁强化换热、扰流柱强化换热等，其基本冷却原理是冷气从叶片顶部进入叶片内部，通过内部冷却通道，对叶片的内表面实施有效的冷却。一部分冷气通过冲击孔，以冲击冷却的形式对叶片前缘内表面进行冷却；一部分通过气膜孔流出，在涡轮叶片表面形成一层冷气薄层，对叶片外表面进行有效的保护。同时，气体经过扰流柱，被扰动强化换热进一步降低叶片温度后排出。

随着航空发动机技术的飞跃发展，航空发动机压气机增压比以及涡轮前进口温度均大幅提高，这必然导致涡轮导向器叶片所受到的热负荷急剧增加，而使其承受非常严重的热应力。为解决这个问题，除了不断发展新材料和新工艺以外，决定性的因素之一是对涡轮导向器叶片采用先进的高效强化冷却技术。涡轮导向器叶片的冷却技术主要从两个方面进行：一是强化涡轮叶片内部冷却空气的扰动，增加涡轮叶片内部的换热面积，二是在叶片表面采用气膜冷却，以有效阻隔高温燃气对涡轮叶片的对流换热。

国内外对涡轮导向器叶片内部强化换热技术进行了大量的研究，其核心思想和采取的措施均围绕着增大叶片内部换热面积，强化叶片内部冷却的空气的扰动开展的。传统的涡轮叶片内部强化换热大部分采用在涡轮叶片内部加装粗糙肋片或者加装圆柱型扰流柱，以强化换热。但这些结构存在以下不足之处：(1)冷却空气流经这些结构时流阻损失较大，使得涡轮导向器叶片在相同的进口压力下冷却空气不足以满足对叶片冷却的需求；(2)换热效果不佳，由于较大的流阻损失使得冷却空气较少，从而限制了换热效果。

发明内容

基于此，有必要针对涡轮叶片通过增大叶片内部换热面积、强化内部冷却空气扰动限制换热效果的技术问题，提供一种导向叶片及具有其的涡轮导向器。

本发明提供的一种导向叶片，包括叶片主体以及冲击管体，所述叶片主体具有叶片前缘以及叶片尾缘，由所述叶片前缘以及所述叶片尾缘围设成空心结构，所述叶片尾缘开设有用于排出冷却气流的排气缝，所述冲击管体为空心结构，所述冲击管体内嵌于所述叶片主体中，所述冲击管体的外壁与叶片主体内壁之间留有间隙，所述冲击管体上开设有若干冲击孔，其中，所述叶片主体内壁设有若干第一沙丘扰流柱，所述第一沙丘扰流柱具有迎风面，所述迎风面设置在所述第一沙丘扰流柱远离所述排气缝的一侧。

在其中一个实施例中，所述冲击管体的外壁设有若干第二沙丘扰流柱，所述第二沙丘扰流柱的迎风面与冷却气流相向设置。

在其中一个实施例中，所述第一沙丘扰流柱和/或所述第二沙丘扰流柱的高度为0.5～1.0mm。

在其中一个实施例中，所述第一沙丘扰流柱和/或所述第二沙丘扰流柱为新月形沙丘。

在其中一个实施例中，所述第一沙丘扰流柱一端固定在所述叶片主体内壁上，另一端与所述冲击管体的外壁之间具有间隙；和/或，

所述第二沙丘扰流柱一端固定在所述冲击管体的外壁上，另一端与所述叶片主体内壁之间具有间隙。

在其中一个实施例中，所述导向叶片还包括若干冷却肋柱，所述冷却肋柱的两端与所述叶片主体内壁连接并贯穿所述冲击管体。

在其中一个实施例中，所述冷却肋柱的半径为0.4～2.0mm。

在其中一个实施例中，所述冷却肋柱贯穿所述冲击管体处与所述冲击管体之间具有缝隙。

在其中一个实施例中，所述冲击孔为锥形孔，所述锥形孔在所述冲击管体内壁的孔径大于所述锥形孔在所述冲击管体外壁的孔径。

本发明还提供了一种涡轮导向器，其中，所述涡轮导向器包括如上所述的导向叶片。

上述导向叶片，在叶片主体内壁设有若干第一沙丘形扰流柱，所述第一沙丘形扰流柱的迎风面与冷却气流的流向相向设置，利用第一沙丘扰流柱增大了扰流柱表面与冷却气流的接触面积，增加了冷却气流的湍流数目，在增大换热面积、强化冷却气流湍流的同时也不会提高风阻，提高导向叶片整体的换热效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明导向叶片横截面示意图；

图2为本发明涡轮导向器结构示意图；

图3为本发明涡轮导向器纵截面示意图；

其中，

100-导向叶片；

110-叶片主体；

111-叶片前缘；

112-叶片尾缘；

113-排气缝；

114-叶片主体内壁；

115-叶片主体外壁；

120-冲击管体；

121-冲击孔；

130-第一沙丘扰流柱；

147-冷却肋柱；

Q1-壁面冷却腔；

Q2-冲击冷却腔；

200-内环；

300-外环；

310-外环进气孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明的导向叶片及具有其的涡轮导向器进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参照图1所示，本发明一实施例的导向叶片100具有叶片主体110和冲击管体120。

叶片主体110为空心结构，叶片主体110具有叶片前缘111和叶片尾缘112，由叶片前缘111和叶片尾缘112围设成该空心结构，叶片主体内壁114构成该空心结构的壁面，在叶片尾缘112开设有排气缝113用于排出冷却气流。

冲击管体120为空心结构，在冲击管体120内部形成冲击冷却腔Q2。冲击管体120内嵌于叶片主体110中，冲击管体120外壁与叶片主体内壁114之间留有间隙，在冲击管体120外壁与叶片主体内壁114之间形成壁面冷却腔Q1。冲击管体120上开设有若干冲击孔121，冲击孔121用于使冲击管体120内的冷却气流进入壁面冷却腔Q1中。冲击管体120还与涡轮导向器的外环进气孔连通，用于引入冷却气流。

其中，在叶片主体内壁114设有若干第一沙丘扰流柱130，第一沙丘扰流柱130的迎风面与冷却气流相向设置。利用第一沙丘扰流柱130增大了扰流柱表面与冷却气流的接触面积，增加了冷却气流的湍流数目，在增大换热面积、强化冷却气流湍流的同时也不会提高风阻，提高导向叶片100整体的换热效果。

作为一种可选实施方式，冲击管体120外壁设有若干第二沙丘扰流柱，第二沙丘扰流柱的迎风面与冷却气流相向设置。利用第二沙丘扰流柱进一步增大扰流柱表面与冷却气流的接触面积，增加冷却气流的湍流数目，提高导向叶片100整体的换热效果。

作为一种可选实施方式，第一沙丘扰流柱130的一端固定在叶片主体内壁114上，另一端不与冲击管体120外壁接触，为自由端。可选地，第一沙丘扰流柱130高度可以是0.5～2.0mm。

作为一种可选实施方式，第二沙丘扰流柱的一端固定在冲击管体120外壁上，另一端不与叶片主体内壁114接触，为自由端。可选地，第二沙丘扰流柱高度可以是0.5～2.0mm。

作为一种可选实施方式，第一沙丘扰流柱130、第二沙丘扰流柱为新月形。新月形沙丘是流动沙丘中最基本的形态，新月形沙丘形成的基本过程如下：

新月形沙丘最初形态是一种较小的盾状沙堆。盾状沙堆一经形成，就成为风沙流运行的更大障碍，贴地层气流在沙堆的背风坡会发生分离，形成具有水平轴的涡旋，速度减弱，使气流搬运的沙粒过丘顶后，在背风坡的涡旋区沉积下来。随着沙子不断沉积，盾形沙堆尺寸的增长，背风坡沉积量相对最大位置愈来愈接近顶部，遂使背风坡的坡度不断加陡，当坡度达到沙子的最大休止角34°时，沙体发生剪切运动，部分沙粒崩坠，形成小落沙坡，发育为雏形新月形沙丘。此后，随着沙丘的不断堆积增高，气流分离愈来愈厉害，涡流的尺度和强度都不断加大，小落沙坡进一步扩大。在同一发展过程中，沿沙堆两侧绕过的气流，把沙子搬运到两侧的前方堆积，由于两侧较顶部低矮，移动就快，在沙丘的两翼逐渐形成了两个顺着风向前伸的兽角。在气流的作用下，最终形成对气流阻力最小、产生的涡流尺度和强度较大的新月形沙丘。

本申请基于新月形沙丘的形成原理，将第一沙丘扰流柱130、第二沙丘扰流柱设计为新月形，能够尽可能降低第一沙丘扰流柱130、第二沙丘扰流柱对冷却气流的阻力，降低冷却气流的流动损失，同时还能够产生较大、较强的湍流扰动冷却气流，提高换热效果。

作为一种可选实施方式，本发明一实施例的导向叶片100还设有若干冷却肋柱140，冷却肋柱140的两端与叶片主体内壁114连接并贯穿冲击管体120。冷却肋柱140一方面能够增强冲击冷却腔Q2中冷却气流的湍流，加强冲击冷却腔Q2内部的对流换热，另一方面还能够通过热传导，带走叶片主体内壁114、叶片主体外壁115上的热量。可选地，冷却肋柱140为圆柱体，冷却肋柱140的半径可以是0.4～2.0mm。

作为一种可选实施方式，冷却肋柱140贯穿冲击管体120处与冲击管体120之间具有缝隙。冷却气流能够通过该缝隙进入壁面冷却腔Q1，与避免冷却腔中冷却气流交汇混合换热，增强壁面冷却腔Q1中冷却气流的扰动。

作为一种可选实施方式，本发明一实施例的冲击孔121为锥形孔，锥形孔在冲击管体120内壁的孔径大于锥形孔在冲击管体120外壁的孔径。可选地，锥形孔的喷流角度为0°到90°。

可选地，本发明的导向叶片100由3D打印成型方法制备而成。采用3D打印成型方法可以一体成型，也可以制备复杂冷却通道的加工制造，也即导向叶片100的设计不受到传统制备方法是否能够制备的限制。

请参阅图2至图3所示，本发明一实施例的涡轮导向器具有内环200、外环300以及上述导向叶片100，可选地，本实施例的涡轮导向器在内环200与外环300之间设有19个上述导向叶片100。外环300上设有外环进气孔310，外环进气孔310与冲击管体120连通，冷却气流由该外环进气孔310进入冲击管体120中，即进入冲击管体120形成的冲击冷却腔Q2中。

请参阅图1至图3所示，图中箭头方向表示冷却气流的流向。本发明的涡轮导向器的工作过程如下：

冷却气流通过外环300的外环进气孔310进入冲击管体120内形成的冲击冷却腔Q2中，经过贯穿冲击管体120的冷却肋柱140扰动，产生湍流，加强冲击冷却腔Q2内部的对流换热。进一步地，基于冷却肋柱140的两端设置在叶片主体内壁114上的特点，通过热传导带走叶片主体110的热量。

冷却气流通过冲击孔121进入由冲击管体120外壁与叶片主体内壁114围设而成的壁面冷却腔Q1中，冲击孔121位锥形孔，能够基于逐渐缩小的孔径产生喷流作用，使冷却气流扩散式地喷射入壁面冷却腔Q1，增大通过冲击孔121进入壁面冷却腔Q1冷却气流形成的扰流区域，提高对流换热的效果。

进入壁面冷却腔Q1的冷却气流在沙丘扰流柱、冷却肋柱140的作用下产生湍流，进一步加强壁面冷却腔Q1的对流换热，尤其是通过沙丘扰流柱，在增加换热面积、增强绕流的同时还能够尽可能降低冷却气流的流动损失，进一步地，通过沙丘扰流柱和冷却肋柱140的合理布局，能够进一步降低冷却气流的流动损失。

在壁面冷却腔Q1中充分换热后的冷却气流，通过叶片尾缘112开设的排气缝113排出叶片主体110。

通过冷却气流的冷却作用，能能够有效降低外环300、内环200和导向叶片100的平均温度，使整个涡轮导向器的使用寿命大幅度提高，同时也提高了涡轮导向器的可靠性。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

在本发明描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种导向叶片，包括叶片主体(110)以及冲击管体(120)，所述叶片主体(110)具有叶片前缘(111)以及叶片尾缘(112)，由所述叶片前缘(111)以及所述叶片尾缘(112)围设成空心结构，所述叶片尾缘(112)开设有用于排出冷却气流的排气缝(113)，所述冲击管体(120)为空心结构，所述冲击管体(120)内嵌于所述叶片主体(110)中，所述冲击管体(120)的外壁与叶片主体内壁(114)之间留有间隙，所述冲击管体(120)上开设有若干冲击孔(121)，其特征在于，所述叶片主体内壁(114)设有若干第一沙丘扰流柱(130)，所述第一沙丘扰流柱(130)具有迎风面，所述迎风面设置在所述第一沙丘扰流柱(130)远离所述排气缝(113)的一侧。

2.根据权利要求1所述的导向叶片，其特征在于，所述冲击管体(120)的外壁设有若干第二沙丘扰流柱，所述第二沙丘扰流柱的迎风面与冷却气流相向设置。

3.根据权利要求1或2所述的导向叶片，其特征在于，所述第一沙丘扰流柱(130)和/或所述第二沙丘扰流柱的高度为0.5～1.0mm。

4.根据权利要求1或2所述的导向叶片，其特征在于，所述第一沙丘扰流柱(130)和/或所述第二沙丘扰流柱为新月形沙丘。

5.根据权利要求1或2所述的导向叶片，其特征在于，所述第一沙丘扰流柱(130)一端固定在所述叶片主体内壁(114)上，另一端与所述冲击管体(120)的外壁之间具有间隙；和/或，

所述第二沙丘扰流柱一端固定在所述冲击管体(120)的外壁上，另一端为所述叶片主体内壁(114)之间具有间隙。

6.根据权利要求1或2所述的导向叶片，其特征在于，所述导向叶片(100)还包括若干冷却肋柱(140)，所述冷却肋柱(140)的两端与所述叶片主体内壁(114)连接并贯穿所述冲击管体(120)。

7.根据权利要求6所述的导向叶片，其特征在于，所述冷却肋柱(140)的半径为0.4～2.0mm。

8.根据权利要求6所述的导向叶片，其特征在于，所述冷却肋柱(140)贯穿所述冲击管体(120)处与所述冲击管体(120)之间具有缝隙。

9.根据权利要求1或2所述的导向叶片，其特征在于，所述冲击孔(121)为锥形孔，所述锥形孔在所述冲击管体(120)内壁的孔径大于所述锥形孔在所述冲击管体(120)外壁的孔径。

10.一种涡轮导向器，其特征在于，所述涡轮导向器包括如权利要求1至9任意一项所述的导向叶片(100)。