一种涡轮转子叶片的前缘冷却结构及具有其的发动机的制作方法

本发明涉及发动机技术领域，具体涉及一种涡轮转子叶片的前缘冷却结构及具有其的发动机。

背景技术：

通常，燃气涡轮发动机由压气机、燃烧室和涡轮三大部件组成，涡轮部件将高温燃气的内能转化为机械能。目前，燃气涡轮发动机的涡轮叶片需要在高温的燃气情况下工作，承受远超过基体材料熔点的温度，第一级涡轮叶片的承温能力决定了燃气涡轮发动机的涡轮前温度。通常情况下需要从压气机引出温度较低的高压空气进入叶片的空腔，作为冷却气对涡轮叶片进行冷却。

叶身空腔内一般会设计出多个冷却通道，根据叶片壁面不同区域的热负荷的差异，设计出不同的冷却结构对叶片进行有效冷却，控制叶片壁面温度在使用范围内并尽量均匀。目前，涡轮转子叶片已经应用了复杂的内部冷却流路，使用尽可能少的冷气，达到尽可能高的冷却效果，从而提高发动机的整机效率。

涡轮转子叶片叶身按区域可分为前缘、排气边、叶盆和叶背。对于叶片而言，前缘区域直接面对高温燃气来流方向，在前缘的驻点位置，叶片经受最高的热负荷，因此需要对前缘区域进行强化冷却，降低叶片壁面温度。通常采用气膜冷却或者内腔设置水平扰流肋的方式对前缘加强冷却。

现有技术中，通常有两种方法用于降低前缘温度：一种方法是在前缘设置多排沿叶高径向分布的气膜孔，前缘气膜孔与叶片的径向倾斜角在20度至30度之间。冷气进入前缘空腔后，由气膜孔流出叶片，在叶片前缘表面形成气膜覆盖，降低前缘的壁面温度；另外一种方法是在前缘空腔内设置沿叶高径向分布的水平扰流肋。冷气进入前缘空腔内，自叶根向叶尖径向，最终由叶尖位置排出叶片，流动的过程中对内壁进行对流冷却，水平扰流肋使得冷气流动过程中发生边界层分离，提高对流换热系数，增强冷气和内壁面的换热。

尽管上述两种方法都在一定程度上对前缘区域进行了冷却，但是随着涡轮前涡轮温度的持续提高，在有限的冷气用量下，前缘容易出现冷却不足的问题，因此需要对前缘冷却结构进行改进，进一步提高冷却效果。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种涡轮转子叶片的前缘冷却结构及具有其的发动机，以解决或至少减轻背景技术中所存在的至少一处的问题。

本发明采用的技术方案是：提供一种涡轮转子叶片的前缘冷却结构，转子叶片的前缘内腔内设置有螺旋形扰流肋，所述螺旋形扰流肋在前缘内腔内沿叶片的高度方向设置。

优选地，所述螺旋形扰流肋设置为多个螺旋圆弧段。

优选地，所述前缘内腔的侧壁包含靠近尾缘方向的第一侧壁和远离尾缘方向的第二侧壁，所述第一侧壁上设置有冲击孔，所述冲击孔用于向所述前缘内腔内输送冷气并冲击在所述第二侧壁上；所述第二侧壁上设置有气膜孔，所述气膜孔用于使所述前缘内腔内的冷气流向叶片外表面。

优选地，所述气膜孔至少包含3个，其中一个设置在前缘驻点处，另外2个设置在所述前缘驻点的两侧，所述两侧分别是指靠近叶盆的一侧以及靠近叶背的一侧。

优选地，多个所述螺旋圆弧段分别设置在前缘驻点的两侧，所述两侧分别是指靠近叶盆的一侧以及靠近叶背的一侧。

优选地，所述螺旋圆弧段与所述前缘内腔的侧壁一体成型。

优选地，所述第一侧面上设置有多个冲击孔，多个所述冲击孔在叶片的高度方向依次设置；所述第二侧壁上设置有多个气膜孔，多个所述气膜孔在叶片的高度方向依次设置。

优选地，所述第二侧壁在叶片高度方向的同一截面内设置有多个气膜孔，所述多个气膜孔中任意2个气膜孔的轴线形成一夹角，任意两个气膜孔在远离前缘内腔的一端的距离大于靠近前缘内腔的一端的距离。

优选地，所述冲击孔设置为锥形孔，所述锥形孔的小端开口朝向叶片的前缘内腔。

本发明还提供了一种发动机，所述发动机上的转子叶片包含如上所述的涡轮转子叶片的前缘冷却结构。

本发明的有益效果在于：本发明的涡轮转子叶片的前缘冷却结构在前缘内腔中设置了螺旋形扰流肋，相对于传统的水平扰流肋增大了对流换热面积，更重要的是强化了内壁面附近的边界层分离和湍流混合，促使冷气在前缘内腔产生旋流，进一步强化内壁面和冷气的对流换热。对叶片前缘内腔进行了强化换热，提高了前缘区域的冷却效果，在不增加前缘冷气用量的同时起到降低叶片前缘温度的作用。并且由于该冷却方式提高了前缘的冷却效果，可以在维持叶片前缘壁面温度水平的情况下，降低冷气用量，从而提高整机效率。

附图说明

图1是本发明一实施例的涡轮转子叶片的前缘冷却结构的截面示意图。

图2是图1所示的涡轮转子叶片的前缘冷却结构在叶片高度方向的截面示意图。

图3是图2所示A处的放大图。

其中，1-前缘内腔，11-螺旋形扰流肋，12-第一侧壁，13-第二侧壁，2-冲击孔，3-气膜孔，4-叶盆，5-叶背。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，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发明和简化描述，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发明保护范围的限制。

如图1至图3所示，一种涡轮转子叶片的前缘冷却结构，转子叶片的前缘内腔1内设置有螺旋形扰流肋11，螺旋形扰流肋11在前缘内腔1内沿叶片的高度方向设置。所述叶片的高度方向是指从叶片叶根至叶尖的连线方向。

本发明的涡轮转子叶片的前缘冷却结构在前缘内腔中设置了螺旋形扰流肋，相对于传统的水平扰流肋增大了对流换热面积，更重要的是强化了内壁面附近的边界层分离和湍流混合，促使冷气在前缘内腔产生旋流，进一步强化内壁面和冷气的对流换热。对叶片前缘内腔进行了强化换热，提高了前缘区域的冷却效果，在不增加前缘冷气用量的同时起到降低叶片前缘温度的作用。

在本实施例中，螺旋形扰流肋11设置为多个螺旋圆弧段。螺旋圆弧段的旋向可以是顺时针，也可以是逆时针，可以覆盖整个前缘内腔或者内腔的部分壁面。在本实施例中，在叶片高度方向，多个螺旋圆弧段中任意相邻的两个螺旋圆弧段的间距是相等的；可以理解的是，相邻两个螺旋圆弧段之间的间距也可以根据实际情况设定，例如，在一个备选实施例中，根据叶片的前缘在叶片高度方向的不同区域，可以设置不同间距的螺旋圆弧段，在叶片的前缘温度较高的区域，可以减小相邻两个螺旋圆弧段之间的距离，增大对流换热面积，在温度较低的区域，可以增大相邻两个螺旋圆弧段之间的距离。

可以理解的是，螺旋形扰流肋11还可以设置为一个连续的螺旋形扰流肋，例如，在另一个备选实施例中，螺旋形扰流肋11自叶片的叶根位置向上延伸至叶尖位置。同样，根据叶片的前缘在叶片高度方向的不同区域，可以设置不同的螺距，在叶片的前缘温度较高的区域，可以减小螺旋形扰流肋11的螺距，增大对流换热面积，在温度较低的区域，可以增大螺旋形扰流肋11的螺距。

在本实施例中，前缘内腔1的侧壁包含靠近尾缘方向的第一侧壁12和远离尾缘方向的第二侧壁13，第一侧壁12上设置有冲击孔2，冲击孔2用于向前缘内腔1内输送冷气并冲击在第二侧壁13上；第二侧壁13上设置有气膜孔3，气膜孔3用于使前缘内腔1内的冷气流向叶片外表面。

在本实施例中，气膜孔3至少包含3个，其中一个设置在前缘驻点处，另外2个设置在所述前缘驻点的两侧，所述两侧分别是指靠近叶盆4的一侧以及靠近叶背5的一侧。

在本实施例中，多个所述螺旋圆弧段分别设置在前缘驻点的两侧，所述两侧分别是指靠近叶盆4的一侧以及靠近叶背5的一侧。所述螺旋圆弧段与前缘内腔1的侧壁一体成型。

在本实施例中，第一侧面12上设置有多个冲击孔2，多个冲击孔2在叶片的高度方向依次设置；第二侧壁13上设置有多个气膜孔3，多个气膜孔3在叶片的高度方向依次设置。

冷却空气由径向分布的多个冲击孔2进入前缘内腔1，冲击前缘驻点位置对应的内壁面，使用冲击强化的方式增强冷气与内壁的换热，设计中冲击孔2的孔径为特定值，起到节流作用，通过调整孔径可以调整进入前缘内腔1的冷气流量。前缘内腔1内的冷气一部分由布置在前缘驻点的一排径向分布的气膜孔3及其两侧的气膜孔3流出，在叶背上覆盖上一层冷却气膜，将高温燃气和叶片隔绝开来，降低外壁面温度；另一部分冷气在离心力的作用下，在前缘内腔1继续向叶尖方向流动。

在本实施例中，第二侧壁13在叶片高度方向的同一截面内设置有多个气膜孔3，多个气膜孔3中任意2个气膜孔的轴线形成一夹角，任意两个气膜孔在远离前缘内腔的一端的距离大于靠近前缘内腔的一端的距离，有利于冷气在前缘外表面均布形成冷气膜。

在本实施例中，冲击孔设置为圆柱形通孔。可以理解的是，所述冲击孔还可以设置为锥形孔，所述锥形孔的小端开口朝向叶片的前缘内腔，其优点在于，有利于提高冷气向第二侧面的冲击速度。

本发明还提供了一种发动机，所述发动机上的转子叶片包含如上所述的涡轮转子叶片的前缘冷却结构。由于该冷却方式提高了前缘的冷却效果，可以在维持叶片前缘壁面温度水平的情况下，降低冷气用量，从而提高整机效率。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。