CN114017133B - 一种冷却式变几何低压涡轮导向叶片 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空发动机涡轮导向叶片领域，特别涉及一种冷却式变几何低压涡轮导向叶片。包括：由上端至下端依次连接的上转轴(1)、上转台(2)、叶身(3)、下转台(4)以及下转轴(5)，上转轴(1)的侧壁上开设有冷气进口(6)，上转轴(1)的内部设置有集气腔(17)，上转轴(1)的下侧底板上开设有多个节流孔(7)；上转台(2)、叶身(3)、下转台(4)、下转轴(5)的内部均设置有气流通道，上转台(2)以及叶身(3)的内部设置有第一隔肋以及第二隔肋，第一隔肋以及第二隔肋将整体的气流通道分隔为三条冷气流路。本申请能够实现变几何低压涡轮导向叶片的冷却，兼顾叶片冷却、盘腔供气，端壁封严以及可生产性等多方面要求。

Description

一种冷却式变几何低压涡轮导向叶片

技术领域

本申请属于航空发动机涡轮导向叶片领域，特别涉及一种冷却式变几何低压涡轮导向叶片。

背景技术

随着航空技术的发展，要求航空发动机要兼顾超声速、格斗和机动飞行状态的高单位推力，以及亚音速巡航、待机和空中巡逻的低耗流率。这一发展趋势促使研究人员提出了变循环发动机的概念，为了使变循环发动机的性能与效率在整个亚声速和超声速飞行期间最大化，设计者通过旋转导向叶片，调节涡轮导向器的喉道面积来改变通过它的空气流量，以满足不同的发动机工作状态。为实现导向叶片旋转，低压涡轮导向叶片的叶身与上下缘板分离，在叶身上下两端增加了旋转轴，形成变几何低压涡轮导向叶片。由于叶身与上下缘板分离，加之转轴的限制，叶片内腔冷却结构设计更为困难。

常规结构低压涡轮导向叶片普遍采用的是单腔冷却结构，腔内安装冲击导管片，冷气由上缘板进入冲击导管，大部分冷气经过冲击导管后排入下缘板的盘腔，平衡转子轴向力；少量气体经过冲击导管上的冲击孔流出，形成对叶片局部高温区域的冲击冷却，强化换热，冲击后的冷却气体流向尾缘，从尾缘气膜孔排入主通道，形成气膜冷却。变循环发动机属于预先研究技术，国内研究刚刚起步，与之相匹配的变几何低压涡轮导向叶片尚没有成熟的技术方案和应用案例。相比常规低压涡轮导向叶片，变几何低压涡轮导向叶片外型结构发生了显著变化，常规结构低压涡轮导向叶片中普遍采用的冷却结构形式无法继续在变几何低压涡轮导向叶片中应用。同时，变循环发动机的涡轮前温度进一步提高，目前所普遍采用的冷却结构形式无法满足叶片冷却的需要。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

本申请的目的是提供了一种冷却式变几何低压涡轮导向叶片，以解决现有技术存在的至少一个问题。

本申请的技术方案是：

一种冷却式变几何低压涡轮导向叶片，包括：由上端至下端依次连接的上转轴、上转台、叶身、下转台以及下转轴，其中，

所述上转轴的侧壁上开设有冷气进口，所述上转轴的内部设置有集气腔，所述上转轴的下侧底板上开设有多个节流孔；

所述上转台、所述叶身、所述下转台以及所述下转轴的内部均设置有气流通道，所述上转台以及所述叶身的内部设置有第一隔肋以及第二隔肋，所述第一隔肋以及所述第二隔肋将整体的气流通道分隔为三条冷气流路，包括：

第一冷气流路，所述第一冷气流路为回转通道结构，所述第一冷气流路包括所述上转台前侧的气流通道以及所述叶身的前缘位置的气流通道，冷气由所述节流孔进入所述第一冷气流路，经过回转通道，由位于回转通道末端的第一通孔以及所述叶身前缘的叶背气膜孔排出；

第二冷气流路，冷气由所述节流孔进入所述第二冷气流路，依次经过所述上转台中部的气流通道、所述叶身中部的气流通道、所述下转台的气流通道以及所述下转轴的气流通道后排入盘腔；

第三冷气流路，所述第三冷气流路为回转通道结构，所述第三冷气流路包括所述上转台后侧的气流通道以及所述叶身的尾缘位置的气流通道，冷气由所述节流孔进入所述第三冷气流路，经过回转通道，由位于回转通道末端的第二通孔以及所述叶身尾缘的叶盆气膜孔排出。

在本申请的至少一个实施例中，所述上转轴的侧壁上沿周向均布有4个冷气进口。

在本申请的至少一个实施例中，所述第一冷气流路内部设置有第一扰流肋。

在本申请的至少一个实施例中，所述叶身前缘设置有旋流腔，所述第一冷气流路中的冷气经过所述叶身前缘设置的冲击孔进入所述旋流腔后，经过叶背气膜孔排出。

在本申请的至少一个实施例中，所述冲击孔中冷气的射流角度与所述旋流腔相切。

在本申请的至少一个实施例中，所述叶身的内部还设置有第三隔肋，所述第三隔肋将所述叶身中部的气流通道分隔成两条冷气流路。

在本申请的至少一个实施例中，所述第二冷气流路内部设置有第二扰流肋。

在本申请的至少一个实施例中，所述第三冷气流路内部设置有第三扰流肋。

发明至少存在以下有益技术效果：

本申请的冷却式变几何低压涡轮导向叶片，兼顾叶片冷却、盘腔供气，端壁封严以及可生产性等多方面要求，在满足叶片冷却要求的基础上，设计了流通面积可调的盘腔供气流路，能够满足盘腔供气需要；在叶片端壁位置设计了冷气出流孔，以起到一定的封严效果；叶片工艺难度较低，铸造工艺性好。

附图说明

图1是本申请一个实施方式的常规结构与变几何导向叶片对比图；

图2是本申请一个实施方式的冷却式变几何低压涡轮导向叶片示意图；

图3是本申请一个实施方式的冷却式变几何低压涡轮导向叶片剖视图；

图4是图2的A-A视图；

图5是图2的C-C视图；

图6是图5中I区的放大图。

其中：

1-上转轴；2-上转台；3-叶身；4-下转台；5-下转轴；6-冷气进口；7-节流孔；8-第一通孔；9-第二通孔；10-第一冷气流路；11-第二冷气流路；12-第三冷气流路；13-叶背气膜孔；14-冲击孔；15-叶盆气膜孔。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

下面结合附图1至图6对本申请做进一步详细说明。

本申请提供了一种冷却式变几何低压涡轮导向叶片，包括：由上端至下端依次连接的上转轴1、上转台2、叶身3、下转台4以及下转轴5。

如图1所示，常规结构的低压涡轮导向叶片在结构上由上缘板A、下缘板B和叶身C组成，叶片悬挂在机匣上，属于静子件。为实现叶片整体可调，变几何低压涡轮导向叶片的叶身C与上、下缘板分离，只有上缘板A悬挂在机匣上，叶身C为转动件。为了实现叶身C转动，在其上下两端增加了上转轴1、下转轴5、上转台2、下转台4，其中，上转轴1、下转轴5为叶片悬转的轴线，上转台2、下转台4用来最大限度地包容叶型，减少端壁暴露，从而减少端壁间隙的燃气泄漏量，同时，上转台2、下转台4与上缘板A、下缘板B形成配合，避免主通道燃气外泄漏。转轴和转台的尺寸要明显小于叶身段的弦长，使得叶片内腔处于半封闭状态。变几何低压涡轮导向叶片不具备将叶片内腔设计为类似常规结构低压涡轮导向叶片敞开式的结构的条件，无法在叶片内腔安装冷气导管D等辅助冷却结构，极大增加了叶片冷却结构设计的困难。

本申请的冷却式变几何低压涡轮导向叶片，如图2-3所示，上转轴1的侧壁上开设有冷气进口6，上转轴1的内部设置有集气腔17，上转轴1的下侧底板上开设有多个节流孔7；上转台2、叶身3、下转台4以及下转轴5的内部均设置有气流通道，上转台2以及叶身3的内部设置有第一隔肋以及第二隔肋，第一隔肋以及第二隔肋将整体的气流通道分隔为三条冷气流路，包括：第一冷气流路10，第二冷气流路11以及第三冷气流路12。

其中，第一冷气流路10为回转通道结构，第一冷气流路10包括上转台2前侧的气流通道以及叶身3的前缘位置的气流通道，冷气由节流孔7进入第一冷气流路10，经过回转通道，由位于回转通道末端的第一通孔8以及叶身3前缘的叶背气膜孔13排出；第二冷气流路11，冷气由节流孔7进入第二冷气流路11，依次经过上转台2中部的气流通道、叶身3中部的气流通道、下转台4的气流通道以及下转轴5的气流通道后排入盘腔；第三冷气流路12为回转通道结构，第三冷气流路12包括上转台2后侧的气流通道以及叶身3的尾缘位置的气流通道，冷气由节流孔7进入第三冷气流路12，经过回转通道，由位于回转通道末端的第二通孔9以及叶身3尾缘的叶盆气膜孔15排出。

本申请的冷却式变几何低压涡轮导向叶片，根据变几何低压涡轮导向叶片的结构特点，冷却气从上转轴1上的冷气进口6进入上转轴1内部的集气腔17，为保证集气腔7内部的压力。本实施例中，上转轴1的侧壁上沿周向均布4个冷气进口6。在叶片内腔，根据冷却需要和其它功能性的需要对冷气流路进行设计，根据叶片的热负荷分布情况，前缘、尾缘是叶片热负荷较高的两个区域，需要进行强化冷却，这两个区域设置两个独立的冷气流路进行冷却。叶片中部设计了一条单独的冷气流路向盘腔供气，平衡发动机轴向力，同时兼顾叶片中部区域的冷却。整个导向叶片共有3条独立的冷气流路。冷却气经过集气腔17中的节流孔7流入各流路，节流孔7用来调节各流路的压力和流量。节流孔7如图4所示。

本申请的冷却式变几何低压涡轮导向叶片，第一冷气流路10用于冷却叶片前缘高温区域。冷气由节流孔7进入，由回转通道末端的第一通孔8和叶背气膜孔13排出。由于前缘位置距离冷气进口较远，第一冷气流路10采用了回转通道结构，该结构能够避免流路中出现大扩张角，减少流动损失，同时，在进出口压力和节流面积一定的情况下，回转通道能够显著减小通道内流通面积，增加气体流速，增强内部换热，第一冷气流路10内部还设置有第一扰流肋，强化表面换热。并且，为了增加第一冷气流路10中回转通道末端的冷却效果，在其末端增加出气孔第一通孔8，以保证末端冷气的流动性，同时，第一通孔8排出的冷气还可起到一定的气动封严作用。优选的，本实施例中，叶身3前缘设置有旋流腔16，冷气通过回转通道逼近前缘后，通过靠近叶身3前缘的冲击孔14进入前缘旋流腔16，最后经过叶背气膜孔13排出。优选的，在本实施例中，如图6所示，冲击孔14中冷气的射流角度与旋流腔16相切，冷气进入旋流腔16后贴壁流动，对旋流腔内壁面进行冲刷，实现对旋流腔16内壁面的冷却，而后，冷气经旋流腔16背侧的叶背气膜孔13排出，排出的冷气覆盖在叶背侧，形成对叶背的气膜冷却，该结构可在冷气量有限的情况下实现叶片的有效冷却。

本申请的冷却式变几何低压涡轮导向叶片，第二冷气流路11为盘腔引气流路，兼顾叶片冷却需要，主要负责将气体由发动机外环引入盘腔，用以平衡发动机轴向力，同时利用经过该流路的冷气对叶片进行冷却。冷气由节流孔7进入，由下转轴5的出口排入盘腔。有利的是，本实施例中，叶身3的内部还设置有第三隔肋，第三隔肋将叶身3中部的气流通道分隔成两条冷气流路，即第二冷气流路11的叶身段形成两个流路分支，流路中间设计有一条隔肋，能够避免由于流路过宽带来可能的强度不足的问题。本实施例中，第二冷气流路11内还设置有第二扰流肋，起到强化换热的作用。该流路设计在叶型厚度最大的区域，相比其它流路流通面积更大，需要更多的冷气流经才能取得与其它流路相当的换热效果，因此，将该流路设计为盘腔供气流路，利用盘腔供气量大的特点来提高该流路的换热强度，节流孔7起到调节流路流量的作用。

本申请的冷却式变几何低压涡轮导向叶片，第三冷气流路12主要用于冷却尾缘位置的高温区域。冷气由节流孔7进入第三冷气流路12，通过回转通道到达叶片尾缘高温区，由通道末端的第二通孔9和叶盆气膜孔15排出。与第一冷气流路10类似，该流路采用回转通道的原因是尾缘的高温区距离冷气进口较远。由于流路靠近叶片尾缘位置，叶型厚度较薄，与其它流路相比，相同流路宽度的情况下流通面积更小，更有利于叶片的冷却，第三冷气流路12的内部设置了第三扰流肋以强化换热，流路末端设置了出气孔-第二通气孔9，保证末端冷气的流动性。在尾缘换热最强的区域设计气膜孔，对叶盆侧表面形成气膜冷却，冷气出流会对流路12产生抽吸作用，流路内冷气的流动性主要取决于第二通孔9和叶盆气膜孔15出气量的大小。

本申请的冷却式变几何低压涡轮导向叶片，能够实现变几何低压涡轮导向叶片的冷却。该结构兼顾叶片冷却、盘腔供气，端壁封严以及可生产性等多方面要求，在满足叶片冷却要求的基础上，设计了流通面积可调的盘腔供气流路，能够满足盘腔供气需要；在叶片端壁位置设计了冷气出流孔，以起到一定的封严效果；叶片工艺难度较低，铸造工艺性好。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种冷却式变几何低压涡轮导向叶片，其特征在于，包括：由上端至下端依次连接的上转轴(1)、上转台(2)、叶身(3)、下转台(4)以及下转轴(5)，其中，

所述上转轴(1)的侧壁上开设有冷气进口(6)，所述上转轴(1)的内部设置有集气腔(17)，所述上转轴(1)的下侧底板上开设有多个节流孔(7)；

所述上转台(2)、所述叶身(3)、所述下转台(4)以及所述下转轴(5)的内部均设置有气流通道，所述上转台(2)以及所述叶身(3)的内部设置有第一隔肋以及第二隔肋，所述第一隔肋以及所述第二隔肋将整体的气流通道分隔为三条冷气流路，包括：

第一冷气流路(10)，所述第一冷气流路(10)为回转通道结构，所述第一冷气流路(10)包括所述上转台(2)前侧的气流通道以及所述叶身(3)的前缘位置的气流通道，冷气由所述节流孔(7)进入所述第一冷气流路(10)，经过回转通道，由位于回转通道末端的第一通孔(8)以及所述叶身(3)前缘的叶背气膜孔(13)排出；

第二冷气流路(11)，冷气由所述节流孔(7)进入所述第二冷气流路(11)，依次经过所述上转台(2)中部的气流通道、所述叶身(3)中部的气流通道、所述下转台(4)的气流通道以及所述下转轴(5)的气流通道后排入盘腔；

第三冷气流路(12)，所述第三冷气流路(12)为回转通道结构，所述第三冷气流路(12)包括所述上转台(2)后侧的气流通道以及所述叶身(3)的尾缘位置的气流通道，冷气由所述节流孔(7)进入所述第三冷气流路(12)，经过回转通道，由位于回转通道末端的第二通孔(9)以及所述叶身(3)尾缘的叶盆气膜孔(15)排出。

2.根据权利要求1所述的冷却式变几何低压涡轮导向叶片，其特征在于，所述上转轴(1)的侧壁上沿周向均布有4个冷气进口(6)。

3.根据权利要求1所述的冷却式变几何低压涡轮导向叶片，其特征在于，所述第一冷气流路(10)内部设置有第一扰流肋。

4.根据权利要求3所述的冷却式变几何低压涡轮导向叶片，其特征在于，所述叶身(3)前缘设置有旋流腔(16)，所述第一冷气流路(10)中的冷气经过所述叶身(3)前缘设置的冲击孔(14)进入所述旋流腔(16)后，经过叶背气膜孔(13)排出。

5.根据权利要求4所述的冷却式变几何低压涡轮导向叶片，其特征在于，所述冲击孔(14)中冷气的射流角度与所述旋流腔(16)相切。

6.根据权利要求1所述的冷却式变几何低压涡轮导向叶片，其特征在于，所述叶身(3)的内部还设置有第三隔肋，所述第三隔肋将所述叶身(3)中部的气流通道分隔成两条冷气流路。

7.根据权利要求6所述的冷却式变几何低压涡轮导向叶片，其特征在于，所述第二冷气流路(11)内部设置有第二扰流肋。

8.根据权利要求1所述的冷却式变几何低压涡轮导向叶片，其特征在于，所述第三冷气流路(12)内部设置有第三扰流肋。

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