待冷却壁体结构、涡轮叶片以及航空发动机的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种待冷却壁体结构、涡轮叶片以及航空发动机，涉及航空发动机技术领域。解决了现有技术存在待冷却壁体结构冷却效率较差的技术问题。该待冷却壁体结构包括第一层壁、第二层壁、冷流膜孔、展流槽以及间隔体，其中：第一层壁通过间隔体与第二层壁相连接，展流槽至少部分设置在间隔体沿厚度方向投影在第一层壁上的投影区域内，展流槽与至少一个冷流膜孔的出流口相连通。该涡轮叶片以及航空发动机各自均包括本实用新型提供的待冷却壁体结构。本实用新型用于提高待冷却壁体结构的冷却效率和强度。
【专利说明】
待冷却壁体结构、涡轮叶片以及航空发动机
技术领域
[0001]本实用新型涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种待冷却壁体结构、设置该待冷却壁体结构的涡轮叶片以及航空发动机。
【背景技术】
[0002]涡轮是航空发动机的重要组成部分之一。
[0003]为了获得更好的推进效率，航空发动机涡轮前温度不断提高，这使得涡轮叶片面临着日趋恶劣的工作环境，因此迫切需要发展新型高效的叶片冷却结构。传统的涡轮叶片多采用内部冲击、肋或扰流柱强化内部冷却和外部气膜冷却的复合冷却结构形式。近年来，逐渐提出将待冷却壁体结构设计为冲击加气膜的双层壁结构，由于该结构的整体冷却效果远高于传统冷却形式，因而双层壁结构逐渐被应用于实际叶片。
[0004]本
【申请人】发现:现有技术至少存在以下技术问题:
[0005]如图1所示，通常的双层壁结构是在内壁(也称内层壁)71布置冲击孔73，外壁(也称外层壁)72布置气膜孔74。气流从冲击孔73冲击到上壁面即外壁72，继而在两层壁之间流动很短的距离后即从气膜孔74流出，这使得冷气在两层壁中主要获得冲击换热效果，而对流换热效果较弱。即使在两层壁中间布置肋或扰流柱结构来增强扰动，由于冷气流动距离较短，扰动效果也收益甚微。另外，由于外壁72厚较薄，使得通常双层壁结构的气膜孔74均采用基础圆孔结构。圆孔射流集中，形成的气膜展向分布不佳，且气膜孔74出口射流的法向速度较大，形成的气膜不易较好地贴附壁面。
[0006]此外，为提高气膜的冷却的效果，现有技术还提供了一种在涡轮叶片外壁上设置与气膜孔连通的具有展流功能的凹槽的技术方案，通过凹槽提高气膜孔流出的气流的横向覆盖效果的方式，改善气膜分布的均一性，但由于涡轮叶片外壁通常厚度较薄，所以凹槽的深度较浅，未能有效地提高气流横向的覆盖效果，且凹槽的设置会大大地降低涡轮叶片外壁的强度，导致涡轮叶片外壁使用寿命降低。
【实用新型内容】
[0007]本实用新型的至少一个目的是提出一种待冷却壁体结构、设置该待冷却壁体结构的涡轮叶片以及航空发动机。至少解决了现有技术存在待冷却壁体结构冷却效率较差的技术问题。本实用新型提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果(冷却效果优良、结构强度高、使用寿命长等)详见下文阐述。
[0008]为实现上述目的，本实用新型提供了以下技术方案:
[0009]本实用新型提供的待冷却壁体结构，包括第一层壁、第二层壁、冷流膜孔、展流槽以及所述第一层壁通过间隔体与所述第二层壁相连接，其中:
[0010]所述展流槽至少设置在所述第一层壁上，且所述展流槽与至少一个所述冷流膜孔的出流口相连通；
[0011]所述展流槽至少部分位于所述间隔体沿厚度方向投影在所述第一层壁上的投影区域内。
[0012]由所述冷流膜孔的出流口流入所述展流槽的冷却流体能沿所述展流槽作展向流动并在流出所述展流槽后形成贴附于所述第一层壁的外表面的冷却流体膜层。
[0013]作为本实用新型前文或后文提供的任一技术方案或任一优化后技术方案的优化，所述展流槽的数目为两条以上，且与同一条所述展流槽连通的所述冷流膜孔的数目为两个以上。
[0014]作为本实用新型前文或后文提供的任一技术方案或任一优化后技术方案的优化，所述展流槽的底部沿其深度方向贯穿所述第一层壁并延伸至所述间隔体内。
[0015]作为本实用新型前文或后文提供的任一技术方案或任一优化后技术方案的优化，所述冷流膜孔的至少部分区段设置在所述间隔体内或设置在所述间隔体与所述第一层壁相连接的位置。
[0016]作为本实用新型前文或后文提供的任一技术方案或任一优化后技术方案的优化，所述展流槽的内壁包括第一壁面以及第二壁面，其中:所述冷流膜孔的出流口位于所述第一壁面上，所述冷却流体流出所述第二壁面后形成贴附于所述第一层壁的外表面的冷却流体膜层。
[0017]作为本实用新型前文或后文提供的任一技术方案或任一优化后技术方案的优化，所述第一壁面以及所述第二壁面均为平面，且所述第一壁面与所述第一层壁的外表面或与所述第一层壁的外表面的切面之间存在第一夹角；
[0018]所述第二壁面与所述第一层壁的外表面或与所述第一层壁的外表面的切面之间存在第二夹角，所述第二夹角小于所述第一夹角；
[0019]作为本实用新型前文或后文提供的任一技术方案或任一优化后技术方案的优化，所述第一夹角为直角，和/或，所述第二夹角为15°?60°。
[0020]作为本实用新型前文或后文提供的任一技术方案或任一优化后技术方案的优化，所述冷流膜孔的出流方向与所述第一层壁的外表面或所述第一层壁的外表面的切面之间存在第三夹角，所述第三夹角大于等于所述第二夹角且小于所述第一夹角。
[0021]作为本实用新型前文或后文提供的任一技术方案或任一优化后技术方案的优化，所述第三夹角大于所述第二夹角0°?15°。
[0022]作为本实用新型前文或后文提供的任一技术方案或任一优化后技术方案的优化，所述展流槽的横截面呈倾斜的V字型。
[0023]作为本实用新型前文或后文提供的任一技术方案或任一优化后技术方案的优化，所述第一层壁、所述第二层壁以及所述间隔体三者之间的冷却流体腔室与所述冷流膜孔的进流口相连通，所述第二层壁上设置有与所述冷却流体腔室相连通的冲击孔，所述冲击孔的出流方向朝向所述冷却流体腔室内所述第一层壁远离所述展流槽的区域。
[0024]作为本实用新型前文或后文提供的任一技术方案或任一优化后技术方案的优化，所述间隔体为能将所述第一层壁与所述第二层壁之间的间隙分隔为若干腔室的隔板或为能使流经的冷却流体产生扰流的扰流柱。
[0025]作为本实用新型前文或后文提供的任一技术方案或任一优化后技术方案的优化，所述展流槽为直线型或曲线形凹槽，和/或，所述冷流膜孔为圆孔、椭圆孔或多边形孔。
[0026]作为本实用新型前文或后文提供的任一技术方案或任一优化后技术方案的优化，所述展流槽的长度方向与所述冷流膜孔的出流方向之间的夹角为直角。
[0027]本实用新型提供的涡轮叶片，包括本实用新型任一技术方案提供的待冷却壁体结构，其中:
[0028]所述第一层壁为涡轮叶片的外层壁，所述第二层壁为所述涡轮叶片的内层壁。
[0029]本实用新型提供的航空发动机，包括本实用新型任一技术方案提供的待冷却壁体结构或本实用新型任一技术方案提供的涡轮叶片。
[0030]基于上述技术方案，本实用新型实施例至少可以产生如下技术效果:
[0031]由于本实用新型中第一层壁通过间隔体与第二层壁相连接，间隔体(优选为隔板)沿厚度方向投影在第一层壁上的投影区域在整个待冷却壁体结构(优选为双层壁结构)中壁厚尺寸最厚，结构强度也最大，故而此时将可以促使冷却流体作展向流动，进而改善气膜展向分布的作用的展流槽至少部分设置在间隔体沿厚度方向投影在第一层壁上的投影区域内时，展流槽的深度、长度和宽度尺寸均可以做的更大，由此，不仅可以使冷流膜孔(优选为气膜孔)的出流口流出的冷却流体(例如冷气)在展流槽作更为理想的展向流动，进而确保冷却流体流出展流槽后形成贴附于第一层壁的外表面的冷却流体膜层的展向分布更为理想，冷却效果更好，故而解决了现有技术存在待冷却壁体结构冷却效率较差的技术问题。而且由于本实用新型中展流槽对整个待冷却壁体结构的结构强度的损害较小，所以还具有结构强度高、使用寿命长的优点。
【附图说明】
[0032]此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中:
[0033]图1为现有技术中双层壁结构的示意图；
[0034]图2为本实用新型实施例1所提供的待冷却壁体结构的立体结构的示意图；
[0035]图3为图2所示待冷却壁体结构的主视示意图；
[0036]图4为图3沿A-A线的剖视示意图；
[0037]图5为图3所示待冷却壁体结构的仰视示意图；
[0038]图6为本实用新型实施例2所提供的待冷却壁体结构的部分区域的示意图；
[0039]图7为本实用新型实施例3所提供的待冷却壁体结构的部分区域的示意图；
[0040]图8为本实用新型实施例4所提供的待冷却壁体结构的部分区域的示意图；
[0041 ]图9为本实用新型实施例5所提供的待冷却壁体结构的部分区域的示意图；
[0042]图10为本实用新型实施例6所提供的待冷却壁体结构的部分区域的示意图；
[0043]图11为本实用新型实施例7所提供的待冷却壁体结构的部分区域的示意图；
[0044]附图标记:1、第一层壁；11、第一层壁内表面;2、第二层壁;21、第二层壁外表面;3、冷流膜孔;4、展流槽;41、第一壁面;42、第二壁面;5、间隔体;6、冲击孔;δ、第一夹角；γ、第二夹角;β、第三夹角;α、夹角;71、内壁;72、外壁;73、冲击孔;74、气膜孔;75、隔板。
【具体实施方式】
[0045]下面可以参照附图图1?图11以及文字内容理解本实用新型的内容以及本实用新型与现有技术之间的区别点。
[0046]本实用新型实施例提供了一种结构强度高、冷却效果理想、结构简单且便于加工制造的待冷却壁体结构以及设置该待冷却壁体结构的涡轮叶片以及航空发动机。
[0047]下面结合图2?图11对本实用新型提供的技术方案进行更为详细的阐述。
[0048]如图2?图11所示，本实用新型实施例所提供的待冷却壁体结构，包括第一层壁1、第二层壁2、冷流膜孔3、展流槽4以及间隔体5，其中:间隔体5起到了同时支撑、连接第一层壁1、第二层壁2的作用。
[0049]第一层壁I通过间隔体5与第二层壁2相连接，展流槽4至少部分设置在间隔体5沿厚度方向投影在第一层壁I上的投影区域内，展流槽4与至少一个冷流膜孔3的出流口相连通；由冷流膜孔3的出流口流入展流槽4的冷却流体能沿展流槽4作展向流动并在流出展流槽4后形成贴附于第一层壁I的外表面的冷却流体膜层。
[0050]由于本实用新型中第一层壁I通过间隔体5与第二层壁2相连接，间隔体5(优选为隔板)沿厚度方向投影在第一层壁I上的投影区域在整个待冷却壁体结构(优选为双层壁结构)中壁厚尺寸最厚，结构强度也最大，故而此时将可以促使冷却流体作展向流动，进而改善气膜展向分布的作用的展流槽4至少部分设置在间隔体5沿厚度方向投影在第一层壁I上的投影区域内时，展流槽4，展流槽4的深度、长度和宽度尺寸均可以做的更大，由此，不仅可以使冷流膜孔3 (优选为气膜孔3)的出流口流出的冷却流体(例如冷气)在展流槽4作更为理想的展向流动，进而确保冷却流体流出展流槽4后形成贴附于第一层壁I的外表面的冷却流体膜层的展向分布更为理想，冷却效果更好。而且由于本实用新型中展流槽4对整个待冷却壁体结构的结构强度的损害较小，所以还具有结构强度高、使用寿命长的优点。
[0051]作为上述技术方案的可选地实施方式，展流槽4的数目为两条以上，且与同一条展流槽4连通的冷流膜孔3的数目为两个以上。展流槽4的数目越多，则形成的冷却流体膜层的展向分布越理想，冷流膜孔3的数目越多，则展流槽4内冷却流体的量会越多，所能取得的冷却效果会越好。但展流槽4的数目过多时会导致第一层壁I乃至整个待冷却壁体结构的强度降低，故而展流槽4的数目优选为两条。
[0052]如图4和图6所示，作为上述任一技术方案的可选地实施方式，展流槽4的底部沿其深度方向贯穿第一层壁I并延伸至间隔体5内。该结构的展流槽4深度尺寸较大，对冷流膜孔3流出的冷却流体所能起到的展向作用更为明显。
[0053]如图6、图8、图9和图10所示，作为上述任一技术方案的可选地实施方式，冷流膜孔3的至少部分区段设置在间隔体5内或设置在间隔体5与第一层壁I相连接的位置。该位置结构强度较大，设置冷流膜孔3不会对待冷却壁体结构的结构强度造成较大伤损，而且冷却流体流出冷流膜孔3的过程中方向变化不多，不会造成较大的流动损失。
[0054]如图4所示，作为上述任一技术方案的可选地实施方式，展流槽4的内壁包括第一壁面41以及第二壁面42，其中:
[0055]冷流膜孔3的出流口位于第一壁面41上，冷却流体流出第二壁面42后形成贴附于第一层壁I的外表面的冷却流体膜层。
[0056]第一壁面41对冷却流体能起到一定限位作用，由此可以驱使冷却流体流向第二壁面42并最终形成冷却流体膜层。
[0057]作为上述任一技术方案的可选地实施方式，第一壁面41以及第二壁面42均为平面，且第一壁面41与第一层壁I的外表面或与第一层壁I的外表面的切面之间存在第一夹角h第一层壁I的外表面或第一层壁I的外表面的切面的延伸方向与燃气流动方向一致。
[0058]第二壁面42与第一层壁I的外表面或与第一层壁I的外表面的切面之间存在第二夹角γ，第二夹角γ小于第一夹角δ。
[0059]第一壁面41对冷却流体能起到较好的限位、阻挡作用，驱使冷却流体以较快的速度流向第二壁面42并最终形成冷却流体膜层。
[0060]作为上述任一技术方案的可选地实施方式，第一夹角δ为直角，和/或，第二夹角γ为15°?60° ο该结构敞口的开度较大，结构简单、规则，方便加工制造。
[0061]如图4和图5所示，作为上述任一技术方案的可选地实施方式，冷流膜孔3的出流方向与第一层壁I的外表面或第一层壁I的外表面的切面之间存在第三夹角β，第三夹角β大于等于第二夹角γ且小于第一夹角S。
[0062]该结构冷流膜孔3的倾斜角度较大，方便采用钻孔工艺加工制造冷流膜孔3。
[0063]如图4和图5所示，作为上述任一技术方案的可选地实施方式，第三夹角β大于第二夹角γ 0°?15°，优选为大于第二夹角γ 0°。此时冷流膜孔3与第二壁面42之间连接处为平滑过渡，对冷却流体造成的流动损失较少。
[0064]作为上述任一技术方案的可选地实施方式，展流槽4的横截面呈倾斜的V字型。该结构构造简单，规则，方便加工制造。
[0065]作为上述任一技术方案的可选地实施方式，第一层壁1、第二层壁2以及间隔体5三者之间的冷却流体腔室与冷流膜孔3的进流口相连通，第二层壁2上设置有与冷却流体腔室相连通的冲击孔6，冲击孔6的出流方向朝向冷却流体腔室内第一层壁I远离展流槽4的区域。冲击孔6的出流方向与第二层壁2的内表面或与第二层壁2的内表面的切面之间的夹角α可以为105°?165° ο
[0066]该结构可以使由冲击孔6流出的冷却流体在冷却流体腔室内滞留较长的时间，由此可以带走更多的热量，取得更为理想的冷却效果。
[0067]作为上述任一技术方案的可选地实施方式，间隔体5为能将第一层壁I与第二层壁2之间的间隙分隔为若干(两个以上)腔室的隔板或为能使流经的冷却流体产生扰流的扰流柱，优选为隔板。隔板或扰流柱所在的位置第一层壁I的结构强度较大，适宜应用本实用新型以提高产品整体的冷却效果。
[0068]作为上述任一技术方案的可选地实施方式，展流槽4为如图2和图3所示直线型或如图11所示曲线形凹槽，优选为直线型凹槽，和/或，冷流膜孔3为圆孔、椭圆孔或多边形孔(多边形孔包括槽形孔或缝隙孔)。以上结构均具有结构简单，规则便于加工制造的优点。
[0069]作为上述任一技术方案的可选地实施方式，展流槽4的长度方向与冷流膜孔3的出流方向之间的夹角为直角、钝角或锐角，优选为直角。该结构的展流槽4可以使冷流膜孔3流出的冷却流体展向分布更为理想，由此可以形成冷却效果更为优良的冷却流体膜层。
[0070]本实用新型实施例提供的涡轮叶片，包括本实用新型任一技术方案提供的待冷却壁体结构，其中:第一层壁I为涡轮叶片的外层壁，第二层壁2为涡轮叶片的内层壁。涡轮叶片适宜应用本实用新型以提高涡轮叶片的外层壁的冷却效果和使用寿命。
[0071]本实用新型实施例提供的航空发动机，包括本实用新型任一技术方案提供的待冷却壁体结构或本实用新型任一技术方案提供的涡轮叶片。航空发动机适宜应用本实用新型以提高涡轮叶片以及火焰筒等结构的冷却效果和使用寿命。
[0072]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制;尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本实用新型的【具体实施方式】进行修改或者对部分技术特征进行等同替换;而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。
【主权项】
1.一种待冷却壁体结构，其特征在于，包括第一层壁(I)、第二层壁(2)、冷流膜孔(3)、展流槽(4)以及间隔体(5)，其中: 所述第一层壁(I)通过所述间隔体(5)与所述第二层壁(2)相连接，所述展流槽(4)至少部分设置在所述间隔体(5)沿厚度方向投影在所述第一层壁(I)上的投影区域内，所述展流槽(4)与至少一个所述冷流膜孔(3)的出流口相连通。2.根据权利要求1所述的待冷却壁体结构，其特征在于，所述展流槽(4)的数目为两条以上，且与同一条所述展流槽(4)连通的所述冷流膜孔(3)的数目为两个以上。3.根据权利要求1所述的待冷却壁体结构，其特征在于，所述展流槽(4)的底部沿其深度方向贯穿所述第一层壁(I)并延伸至所述间隔体(5)内。4.根据权利要求1所述的待冷却壁体结构，其特征在于，所述冷流膜孔(3)的至少部分区段设置在所述间隔体(5)内或设置在所述间隔体(5)与所述第一层壁(I)相连接的位置。5.根据权利要求1一4任一所述的待冷却壁体结构，其特征在于，所述展流槽⑷的内壁包括第一壁面(41)以及第二壁面(42 )，其中:所述冷流膜孔(3)的出流口位于所述第一壁面(41)上，所述冷却流体流出所述第二壁面(42)后形成贴附于所述第一层壁(I)的外表面的冷却流体膜层。6.根据权利要求5所述的待冷却壁体结构，其特征在于，所述第一壁面(41)以及所述第二壁面(42)均为平面，且所述第一壁面(41)与所述第一层壁(I)的外表面或与所述第一层壁(I)的外表面的切面之间存在第一夹角(δ); 所述第二壁面(42)与所述第一层壁(I)的外表面或与所述第一层壁(I)的外表面的切面之间存在第二夹角(γ )，所述第二夹角(T )小于所述第一夹角W)。7.根据权利要求6所述的待冷却壁体结构，其特征在于，所述第一夹角(δ)为直角，和/或，所述第二夹角(丫)为15°?60°。8.根据权利要求6所述的待冷却壁体结构，其特征在于，所述冷流膜孔(3)的出流方向与所述第一层壁(I)的外表面或所述第一层壁(I)的外表面的切面之间存在第三夹角⑴)，所述第三夹角(β)大于等于所述第二夹角(T )且小于所述第一夹角W)。9.根据权利要求8所述的待冷却壁体结构，其特征在于，所述第三夹角(β)大于所述第二夹角(γ)0° ?15°。10.根据权利要求5所述的待冷却壁体结构，其特征在于，所述展流槽(4)的横截面呈倾斜的V字型。11.根据权利要求1所述的待冷却壁体结构，其特征在于，所述第一层壁(I)、所述第二层壁(2)以及所述间隔体(5)三者之间的冷却流体腔室与所述冷流膜孔(3)的进流口相连通，所述第二层壁(2)上设置有与所述冷却流体腔室相连通的冲击孔(6)，所述冲击孔(6)的出流方向朝向所述冷却流体腔室内所述第一层壁(I)远离所述展流槽(4)的区域。12.根据权利要求1所述的待冷却壁体结构，其特征在于，所述间隔体(5)为能将所述第一层壁(I)与所述第二层壁(2)之间的间隙分隔为若干腔室的隔板或为能使流经的冷却流体产生扰流的扰流柱。13.根据权利要求1所述的待冷却壁体结构，其特征在于，所述展流槽(4)为直线型或曲线形凹槽，和/或，所述冷流膜孔(3)为圆孔、椭圆孔或多边形孔。14.根据权利要求1所述的待冷却壁体结构，其特征在于，所述展流槽(4)的长度方向与所述冷流膜孔(3)的出流方向之间的夹角为直角。15.一种涡轮叶片，其特征在于，包括权利要求1 一 14任一所述的待冷却壁体结构，其中: 所述第一层壁(I)为涡轮叶片的外层壁，所述第二层壁(2)为所述涡轮叶片的内层壁。16.一种航空发动机，其特征在于，包括权利要求1 一 14任一所述的待冷却壁体结构或权利要求15所述的涡轮叶片。
【文档编号】F01D5/18GK205558979SQ201620345260
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】骆剑霞, 王晓增, 潘晴
【申请人】中航商用航空发动机有限责任公司