一种具有冲击衬套的涡轮冷却叶片的制作方法

一种具有冲击衬套的涡轮冷却叶片的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种具有冲击衬套的涡轮冷却叶片，它包括具有空腔的叶身，叶身的空腔内设置有冲击衬套，冲击衬套与叶身的空腔之间形成环形空腔，环形空腔内设置有至少一个径向隔挡结构和若干弦向隔板，通过径向隔挡结构将环形空腔分为叶背侧空腔和叶盆侧空腔，通过若干弦向隔板将环形空腔分为若干腔，进而形成若干弦向流道，冲击衬套的前缘设置有若干前缘冲击孔。本实用新型可以根据涡轮冷却叶片来流燃气温度沿径向的分布，以及叶盆、叶背外表面燃气侧的换热情况，通过弦向隔板来调整各弦向流道中的冷气量，通过径向隔挡结构调整位于叶盆侧和叶背侧的冷气流量分配，通过调整前缘冲击孔的通流面积，来增强叶片内侧的换热效果。
【专利说明】一种具有冲击衬套的涡轮冷却叶片
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及涡轮发动机领域，尤其涉及一种具有冲击衬套的涡轮冷却叶片。【背景技术】
[0002]目前先进航空发动机中涡轮冷却叶片燃气温度远超过叶片金属材料的许用温度，为保证涡轮冷却叶片长期安全可靠的工作，需要对涡轮冷却叶片实施高效的冷却技术以降低叶片的平均温度，同时尽可能减小叶片温差，从而减小叶片热应力。
[0003]如图1所示，为目前常见的一种降低涡轮导向叶片平均温度的冷却结构，涡轮冷却叶片的叶身I’内部设置有冲击衬套2’，从冲击衬套2’的前缘冲击孔3’进入的气流经过叶身I’与冲击衬套2’之间的环形空腔流向尾缘劈缝4’。上述冷却结构的冷气流量分配不易控制，这是因为叶片内部冷气流动影响区域的内换热强度沿径向均匀一致，叶盆与叶背的内换热强度一致；然而，涡轮进口的燃气温度沿径向分布是不均匀的，涡轮冷却叶片外表面的燃气换热系数在叶盆、叶背有较大的差异，从而导致燃气对叶片的传热不均匀，经冲击衬套冷却后的叶片温度分布不均匀，中径附近的叶片温度偏高、叶背温度偏高，叶片局部温差较大，叶片的强度无法满足长期使用要求。
实用新型内容
[0004]针对上述问题，本实用新型的目的是提出一种具有冲击衬套的涡轮冷却叶片，用于调整冷气量分配，使叶片温度分布趋于均匀。
[0005]为实现上述目的，本实用新型提供了一种具有冲击衬套的涡轮冷却叶片，它包括具有空腔的叶身，所述叶身的空腔内设置有冲击衬套，所述冲击衬套与所述叶身的空腔之间形成环形空腔，所述环形空腔内设置有至少一个径向隔挡结构和若干弦向隔板，通过所述径向隔挡结构将所述环形空腔分为叶背侧空腔和叶盆侧空腔，通过若干所述弦向隔板将所述环形空腔分为若干腔，进而形成若干弦向流道，所述冲击衬套的前缘设置有若干前缘冲击孔。
[0006]进一步的，所述径向隔挡结构有两个，均为条状结构，两个所述径向隔挡结构均设置在所述冲击衬套前缘的所述环形空腔内，且位于所述前缘冲击孔的两侧，两个所述径向隔挡结构的高度与所述叶身的径向高度一致。
[0007]进一步的，所述弦向隔板的外形轮廓与所述环形空腔沿弦向的截面的外形轮廓相适应，各所述弦向隔板沿所述叶身的径向间隔设置在所述环形空腔内，将所述环形空腔分成若干腔，进而形成若干弦向流道。
[0008]进一步的，所述径向隔挡结构为开缝隔板、开孔隔板、扰流柱结构中的其中一种。
[0009]进一步的，所述开缝隔板上设置有开缝，所述开缝隔板的厚度范围设置为
0.3mm?1.0mm,所述开缝的缝宽范围设置为0.2mm?1.0_。
[0010]进一步的，所述开孔隔板上设置有若干开孔，所述开孔隔板的厚度范围设置为
0.3mm?1.0mm,所述开孔的直径范围设置为0.2mm?1.0_。[0011]进一步的，所述扰流柱结构包括若干间隔设置的扰流柱，所述扰流柱的直径范围设置为0.5mm?2.0mm，所述扰流柱的径向间距与所述扰流柱的直径之比的范围设置为
1.5 ?5。
[0012]进一步的，若干所述弦向隔板将所述环形空腔沿所述叶身的径向分成3?10个腔，所述弦向隔板的厚度范围设置为0.3mm?1.0mm。
[0013]进一步的，所述前缘冲击孔的直径范围设置为0.4mm?1.5mm，所述前缘冲击孔的排间距与所述前缘冲击孔的直径之比的范围设置为2?20，冲击距离与所述前缘冲击孔的直径之比的范围设置为2?5。
[0014]进一步的，通过所述径向隔挡结构和所述弦向隔板将所述冲击衬套与所述叶身的空腔内壁固定连接。
[0015]基于上述技术方案，本实用新型提供的涡轮冷却叶片的空腔内设置有若干弦向隔板，可以根据涡轮冷却叶片来流燃气温度沿径向的分布，调节前缘冲击孔的通流面积，进而调整各弦向流道中的冷气量，使叶片温度分布趋于均匀；通过在涡轮冷却叶片的空腔内设置径向隔挡结构，可以根据涡轮冷却叶片的叶盆、叶背外表面燃气侧的换热情况，调整位于叶背侧空腔和叶盆侧空腔的径向隔挡结构的通流面积，使用于涡轮冷却叶片的叶盆、叶背侧的冷气流量分配更为合理；通过调整冲击衬套的前缘冲击孔的通流面积，使更多的冷气流量来增强叶片内侧的换热效果，使叶片高温区域温度有所降低，从而减少涡轮冷却叶片的径向温度梯度。
【专利附图】

【附图说明】
[0016]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:
[0017]图1为现有技术中的涡轮冷却叶片结构示意图；
[0018]图2为本实用新型提供的涡轮冷却叶片结构示意图；
[0019]图3为图2中的A-A截面示意图；
[0020]图4为图3中的局部放大示意图；
[0021]图5为图2中的B-B截面示意图；
[0022]图6为图4中的C-C截面示意图；
[0023]图7A、图7B和图7C为本实用新型提供的径向隔板结构分别为开孔隔板、开缝隔板和扰流柱结构的示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
[0025]首先对本实用新型中所用到的术语进行解释。
[0026]弦向:指涡轮冷却叶片外部燃气流动方向；[0027]径向:指涡轮冷却叶片高度方向。
[0028]如图2所示，本实用新型提供的具有冲击衬套的涡轮冷却叶片包括叶身1、冲击衬套2、径向隔挡结构3和弦向隔板4。
[0029]叶身I的内部设置有空腔，叶身I包括前缘和尾缘，叶身I的尾缘设置有尾缘劈缝11。
[0030]如图2、图3所示，冲击衬套2的外形轮廓与叶身I内的空腔的外形轮廓相适应，冲击衬套2设置在叶身I的空腔内，冲击衬套2与叶身I内的空腔壁之间形成环形空腔5。冲击衬套2的前缘设置有若干排前缘冲击孔21。
[0031]如图2、图3、图4所示，径向隔挡结构3为条状结构，其可以设置一个、两个或两个以上，优选设置两个，本实用新型以设置两个径向隔挡结构3为例进行详细说明。两个径向隔挡结构3均设置在冲击衬套2前缘的环形空腔5内，且位于前缘冲击孔21的两侧，将环形空腔5分为叶背侧空腔和叶盆侧空腔，通过调节径向隔挡结构3的通流面积，达到调节进入叶盆侧和叶背侧的冷气流量的目的。径向隔挡结构3的高度与叶身I的径向高度一致，径向隔挡结构3将冲击衬套2与叶身I内的空腔内壁连接。
[0032]图2、图5所示，弦向隔板4的外形轮廓与环形空腔5沿弦向的截面的外形轮廓相适应，弦向隔板4具有若干个，各弦向隔板4沿叶身I的径向上下间隔设置在环形空腔5内，将环形空腔5分成了若干腔，进而形成若干弦向流道。各弦向隔板4将冲击衬套2与叶身I内的空腔内壁连接。
[0033]如图2所示，各弦向隔板4以及两个径向隔挡结构3均设置在环形空腔5内，且与叶身I 一起铸造，弦向隔板4的凸起高度需达到能够固定冲击衬套2，径向隔挡结构3的凸起高度需达到能够固定冲击衬套2。凸起高度是指沿叶身I内的空腔内壁面至冲击衬套2外表面方向的凸起垂直距离。
[0034]如图6、图7所示，上述实施例中的径向隔挡结构3可以为开孔隔板，开孔隔板上设置有若干开孔31 (如图6、图7A所示)，也可以为开缝隔板，开缝隔板上设置有开缝32 (如图7B所示)，也可以为扰流柱结构，扰流柱结构包括若干上下间隔设置的扰流柱33(如图7C所示)。
[0035]本实用新型可以根据涡轮冷却叶片前来流燃气温度沿径向分布以及实际所需的冷气流量分配情况，调整弦向隔板4的个数和位置，调整冲击衬套2的前缘冲击孔21的出流面积大小，调整径向隔挡结构3的出流面积大小。
[0036]如图2所示，上述实施例中，在涡轮冷却叶片的叶身I空腔内部设置若干弦向隔板4，将叶身I的空腔在叶身I沿径向上下划分成了 3?10个腔。弦向隔板4的位置可均匀确定或不均勻确定，弦向隔板4的厚度范围可以为0.3mm?1.0mm。
[0037]上述实施例中，可以根据涡轮冷却叶片来流燃气温度沿径向的分布，调整位于各弦向流道中的前缘冲击孔21的通流面积，前缘冲击孔21的直径范围可以为0.4mm?
1.5mm，前缘冲击孔21的排间距与前缘冲击孔21的直径之比范围可以为2?20，冲击距离(冲击距离指沿前缘冲击孔21的轴线方向，从前缘冲击孔21至冲击靶面的距离)与前缘冲击孔21的直径之比范围可以为2?5，以便能够更加合理的分配各弦向流道的冷气量。对应燃气温度较高或外换热系数较高的部位，通过调大前缘冲击孔21的流通面积，使更多的冷气流量来增强叶片内侧的换热效果，对应燃气温度低的部分，通过调小前缘冲击孔21的流通面积，减少冷气流量。
[0038]上述实施例中，可以根据涡轮冷却叶片的叶盆、叶背外表面燃气侧的换热情况来调整径向隔挡结构3的缝或孔或扰流柱的流通面积，合理分配流入叶盆、叶背的冷气流量，燃气侧外换热情况恶劣的部位，可以供给相对较多的冷气。径向隔挡结构3为开缝隔板时，开缝隔板的厚度范围可以为0.3mm?1.0mm,开缝32的缝宽范围可以为0.2mm?1.0mm ;径向隔挡结构3为开孔隔板时，开孔隔板的厚度范围可以为0.3mm?1.0mm,开孔31的直径范围可以为0.2mm?1.0mm ;径向隔挡结构3为扰流柱结构时，扰流柱33的直径范围可以为
0.5mm?2.0mm，扰流柱33的径向间距与扰流柱33的直径之比范围可以为1.5?5。
[0039]冲击衬套2的前缘冲击孔21的流通面积的调整，以及径向隔挡结构3的开缝或开孔或扰流柱的流通面积的调整，可通过多种方案优化来实现，优化目标是使涡轮冷却叶片的温度分布更加均匀。
[0040]通过上述各个实施例，可以总结得到本实用新型具有以下优点:
[0041]I)调整涡轮冷却叶片的径向温度分布。根据涡轮冷却叶片来流燃气温度沿径向的分布，利用设置的若干弦向隔板，来控制各弦向流道中的冷气量。对应燃气温度较高或外换热系数较高的部位，通过调大该部位所对应的弦向流道中的冲击衬套的前缘冲击孔的通流面积，使更多的冷气流量来增强叶片内侧的换热效果，使叶片高温区域温度有所降低，从而减少涡轮冷却叶片的径向温度梯度。
[0042]2)调整涡轮冷却叶片的叶盆、叶背温度分布。由于增加了开缝或开孔的径向隔板或扰流柱结构，可以根据涡轮冷却叶片的叶盆、叶背外表面燃气侧的换热情况，通过调整位于叶背侧空腔和叶盆侧空腔的径向隔挡结构的通流面积，使涡轮冷却叶片的叶盆侧、叶背侧的冷气流量分配更为合理，即燃气侧外换热情况恶劣的叶背相对具有较多的冷气，从而使叶盆侧、叶背侧的温度分布更为均匀，降低截面温差。
[0043]3)进一步降低涡轮冷却叶片的温度。弦向隔板、带缝或孔的径向隔板或扰流柱结构的设置，使冷气侧换热面积增加，有助于增强冷气换热强度，进一步降低叶片温度。
[0044]4)固定冲击衬套。利用设置的弦向隔板和径向隔挡结构固定冲击衬套，省去现有技术中需要单独设置的冲击衬套的固定装置。
[0045]综上所述，采用本实用新型提供的具有冲击衬套的冷却结构可以使涡轮冷却叶片的温度分布更为均匀，最高温度会有所降低，涡轮冷却叶片温度梯度更趋合理，从而可减少涡轮冷却叶片的热应力，以提高涡轮冷却叶片的使用寿命。
[0046]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。
【权利要求】
1.一种具有冲击衬套的涡轮冷却叶片，其特征在于:它包括具有空腔的叶身，所述叶身的空腔内设置有冲击衬套，所述冲击衬套与所述叶身的空腔之间形成环形空腔，所述环形空腔内设置有至少一个径向隔挡结构和若干弦向隔板，通过所述径向隔挡结构将所述环形空腔分为叶背侧空腔和叶盆侧空腔，通过若干所述弦向隔板将所述环形空腔分为若干腔，进而形成若干弦向流道，所述冲击衬套的前缘设置有若干前缘冲击孔。
2.如权利要求1所述的具有冲击衬套的涡轮冷却叶片，其特征在于:所述径向隔挡结构有两个，且均为条状结构，两个所述径向隔挡结构均设置在所述冲击衬套前缘的所述环形空腔内，且位于所述前缘冲击孔的两侧，两个所述径向隔挡结构的高度与所述叶身的径向高度一致。
3.如权利要求1所述的具有冲击衬套的涡轮冷却叶片，其特征在于:所述弦向隔板的外形轮廓与所述环形空腔沿弦向的截面的外形轮廓相适应，各所述弦向隔板沿所述叶身的径向间隔设置在所述环形空腔内，将所述环形空腔分成若干腔，进而形成若干弦向流道。
4.如权利要求2所述的具有冲击衬套的涡轮冷却叶片，其特征在于:所述径向隔挡结构为开缝隔板、开孔隔板、扰流柱结构中的其中一种。
5.如权利要求4所述的具有冲击衬套的涡轮冷却叶片，其特征在于:所述开缝隔板上设置有开缝，所述开缝隔板的厚度范围设置为0.3_?1.0_，所述开缝的缝宽范围设置为0.2mm ?1.0mm0
6.如权利要求4所述的具有冲击衬套的涡轮冷却叶片，其特征在于:所述开孔隔板上设置有若干开孔，所述开孔隔板的厚度范围设置为0.3mm?1.0_，所述开孔的直径范围设置为 0.2mm ?1.0mnin
7.如权利要求4所述的具有冲击衬套的涡轮冷却叶片，其特征在于:所述扰流柱结构包括若干间隔设置的扰流柱，所述扰流柱的直径范围设置为0.5mm?2.0_，所述扰流柱的径向间距与所述扰流柱的直径之比的范围设置为1.5?5。
8.如权利要求3所述的具有冲击衬套的涡轮冷却叶片，其特征在于:若干所述弦向隔板将所述环形空腔沿所述叶身的径向分成3?10个腔，所述弦向隔板的厚度范围设置为0.3mm ?1.0mnin
9.如权利要求1所述的具有冲击衬套的涡轮冷却叶片，其特征在于:所述前缘冲击孔的直径范围设置为0.4mm?1.5_，所述前缘冲击孔的排间距与所述前缘冲击孔的直径之比的范围设置为2?20，冲击距离与所述前缘冲击孔的直径之比的范围设置为2?5。
10.如权利要求1-9任一项所述的具有冲击衬套的涡轮冷却叶片，其特征在于:通过所述径向隔挡结构和所述弦向隔板将所述冲击衬套与所述叶身的空腔内壁固定连接。
【文档编号】F01D5/18GK203547803SQ201320789559
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月4日 优先权日:2013年12月4日
【发明者】冯晓星, 王辉, 白江涛, 王克菲, 王晓增, 张洪 申请人:中航商用航空发动机有限责任公司