涡轮叶片冷却系统及航空发动机的制作方法

本实用新型涉及航空航天设备领域，尤其涉及一种涡轮叶片冷却系统及航空发动机。

背景技术：

涡轮是航空发动机等的重要部件，工作过程中，各个部件所处的工作环境温度高，所以需要冷却相关的部件。例如，对其叶片进行冷却，以延长涡轮的寿命，提高涡轮的工作可靠性。

为了实现对涡轮叶片的冷却，一般在涡轮机匣上设置若干引气管，以将来自压气机等的冷却气体引至沿涡轮机匣周向分布的涡轮叶片，实现对涡轮叶片的冷却。

发明人发现，上述冷却方式存在涡轮叶片冷却不均匀的问题。

技术实现要素：

本实用新型的一些实施例提出一种涡轮叶片冷却系统及航空发动机，用于缓解涡轮叶片冷却不均匀的问题。

本实用新型的一些实施例提供了一种涡轮叶片冷却系统，其包括：

涡轮机匣；

多个涡轮叶片，设置于所述涡轮机匣内，并沿着所述涡轮机匣的周向分布；

集气腔，设置于所述涡轮机匣内，所述集气腔被构造为环形，沿着所述多个涡轮叶片的外周向设置，所述集气腔内的冷却气体被配置为流向所述涡轮叶片；

引气管，设于所述涡轮机匣外，且与所述集气腔连通，所述引气管被配置为向所述集气腔内引入冷却气体；以及

导流管，设于所述集气腔内，所述导流管的进气口连接所述引气管的出口端，所述导流管的排气口偏离所述引气管的出口端，所述导流管被配置为引导冷却气体流动，使冷却气体具有沿所述集气腔且围绕所述集气腔的中轴线做旋转流动的分量。

在一些实施例中，所述导流管被构造为向偏离所述引气管的出口端的中轴线方向延伸。

在一些实施例中，所述导流管包括直管或弧形管。

在一些实施例中，所述直管与所述引气管的出口端的中轴线之间的夹角a的角度范围为0°<a<90°。

在一些实施例中，所述弧形管向靠近所述涡轮机匣的中心轴线的方向凸出。

在一些实施例中，所述弧形管向远离所述涡轮机匣的中心轴线的方向凸出。

在一些实施例中，所述导流管所在区域至少对应一个涡轮叶片，所述导流管上与所述涡轮叶片对应的位置设有通气孔，所述通气孔的直径小于所述引气管的出口端的直径。

在一些实施例中，所述导流管位于所述引气管的出口端的中轴线上的位置设有通气孔，所述通气孔的直径小于所述引气管的出口端的直径。

在一些实施例中，围绕所述涡轮机匣设有至少两个引气管，每一个引气管对应连接一导流管。

本实用新型的一些实施例提供了一种航空发动机，其包括上述的涡轮叶片冷却系统。

基于上述技术方案，本实用新型至少具有以下有益效果：

在一些实施例中，集气腔内设置导流管，导流管连通引气管的出口端，导流管被配置为引导冷却气体流动，使冷却气体具有沿集气腔且围绕集气腔的中轴线做旋转流动的分量，也就是说，导流管将引气管的出口端喷出的气流的径向流动导向为周向运动并耗散掉该速度，消除了引气管喷射处的气流径向流动对正对的涡轮叶片造成的冲击，提高了涡轮叶片冷却的均匀性。

附图说明

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：

图1为根据本实用新型一些实施方案提供的涡轮叶片冷却系统及气流流动示意图；

图2为根据本实用新型一些实施方案提供的涡轮供气系统的剖视示意图；

图3为根据本实用新型另一些实施方案提供的涡轮供气系统的剖视示意图。

附图中标号说明如下：

1-涡轮机匣；2-涡轮叶片；3-集气腔；4-引气管；41-安装座；

5-导流管；51-通气孔。

具体实施方式

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。

在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型保护范围的限制。

参考图1至图3，一些实施例提供了一种涡轮叶片冷却系统，其包括涡轮机匣1、多个涡轮叶片2、集气腔3和引气管4。

多个涡轮叶片2设置于涡轮机匣1内，并沿着涡轮机匣1的周向分布。可选地，涡轮叶片2包括涡轮导叶或者涡轮级间机匣的整流叶片。

集气腔3设置于涡轮机匣1内，集气腔3被构造为环形，沿着多个涡轮叶片2的外周向设置，集气腔3内的冷却气体被配置为流向涡轮叶片2。

引气管4设于涡轮机匣1的外部，且与集气腔3连通。引气管4被配置为向集气腔3内引入冷却气体。可选地，引气管4的出口端通过安装座41设于涡轮机匣1。可选地，引气管4将来自压气机等的冷却气体引入集气腔3内。

参考图2和图3，涡轮机匣1的周向设有四个引气管4，通过四个引气管4向集气腔3内通入冷却气体。四个引气管4可沿涡轮机匣1的周向均匀设置。但涡轮机匣1的周向不限于设置四个引气管4。

涡轮机匣1的内部沿周向设有十二个涡轮叶片2，十二个涡轮叶片2可沿涡轮机匣1的内部周向均匀设置。但涡轮机匣1的内部沿周向不限于设有十二个涡轮叶片2。

航空发动机从压气机叶尖引气，引出的冷却气体进入引气管4，经过引气管4通入集气腔3，集气腔3内的冷却气体进入涡轮叶片2，对涡轮叶片2进行冷却。冷却气体的流向如图1至3所示。

参考图2和图3，引气管4的出口端的中轴线方向与涡轮机匣1的径向一致，冷却气体从引气管4的出口端沿涡轮机匣1的径向通入集气腔2，沿冷却气体的流向，涡轮叶片2设于集气腔2的下游。集气腔2的作用是收集引气管4的气流，通过一定程度的稳压后进入下游，以冷却涡轮叶片2。

理想情况下，气流在集气腔2中的动压完全耗散，气流可以均匀进入下游。但因集气腔2的尺寸有限，引气管4的周向数量有限，引气管4的出口端的气流为射流状态，并不能完全耗散；且集气腔2下游的涡轮叶片2等结构也是周向离散的，且数量一般大于引气管4的数量，很大概率会存在正对引气管4的出口端的涡轮叶片2，造成正对引气管4的出口端的涡轮叶片2受到的气流冲击大，因此，因引气管4的出口射流影响压力高，周向上各涡轮叶片2存在冷却流量分配不均匀的情况。

引气管4的出口端的冷却气流沿涡轮机匣1的径向流动，对正对的涡轮叶片2产生冲击，正对着引气管4的出口端的涡轮叶片2的流量远大于其余涡轮叶片2，导致冷却不均匀，从而导致涡轮叶片2变形不均匀的后果。

基于此，本公开提供了一种涡轮叶片冷却系统，其用于缓解涡轮叶片冷却不均匀的问题。

在一些实施例中，涡轮叶片冷却系统包括涡轮机匣1、多个涡轮叶片2、集气腔3、引气管4和导流管5。

多个涡轮叶片2设置于涡轮机匣1内，并沿着涡轮机匣1的周向分布。集气腔3设置于涡轮机匣1内，集气腔3被构造为环形，沿着多个涡轮叶片2的外周向设置，集气腔3内的冷却气体被配置为流向涡轮叶片2。引气管4的出口端与集气腔3连通，且被配置为向集气腔3内引入冷却气体。

导流管5设于集气腔3内，导流管5的进气口连接引气管4的出口端，导流管5的排气口偏离引气管4的出口端，导流管5被配置为引导冷却气体流动，使冷却气体具有沿集气腔3且围绕集气腔3的中轴线做旋转流动的分量。

由于涡轮冷却供气因发动机引气管4数量有限，气流经引气管4后通过几个安装座41的开口进入集气腔3，引气管4的出口端具备较大的径向射流速度，从而导致正对气流的涡轮叶片2受到冲击，进入的冷气流量较大，而没有正对气流的涡轮叶片2受到的冲击压力较小，冷气流量较小，因冷气流量的差别将导致周向各涡轮叶片2的温度场不均匀，进而导致涡轮叶片2乃至涡轮机匣1的变形不均匀。相关不均匀可能导致涡轮叶片2的转静子之间出现碰磨情况，影响发动机安全。

基于此，在集气腔3内设置导流管5，导流管5连通引气管4的出口端，导流管5被配置为引导冷却气体流动，使冷却气体具有沿集气腔3且围绕集气腔3的中轴线做旋转流动的分量，也就是说，导流管5将引气管4的出口端喷出的气流的径向流动导向为周向运动，并耗散掉该速度，消除了引气管4喷射处的气流径向流动对正对的涡轮叶片2造成的冲击，缓解了涡轮叶片2冷却不均匀的问题。

在一些实施例中，导流管5被构造为向偏离引气管4的出口端的中轴线方向延伸。

通过设置导流管5对引气管4的出口端排出的冷却气体进行导向，使气流流向偏离引气管4的出口端的中轴线方向，且沿集气腔3的周向旋转运动，因此，能够避免正对引气管4的出口端的涡轮叶片2受到的射流冲击，同时改善远离引气管4的出口端的涡轮叶片2的进气压力，缓解因引气管4的出口端径向射流的冲击效应导致的正对引气管4的出口端的涡轮叶片2的冷气流量显著高于其他叶片的情况，降低了周向涡轮叶片2冷却的不均匀性，相应的，涡轮机匣1周向变形的不均匀性也可以缓解。

可选地，导流管5沿其进气口至排气口方向，为直径均匀一致的管。

在一些实施例中，如图2所示，导流管5包括直管。

在一些实施例中，直管与引气管4的出口端的中轴线之间的夹角a的角度范围为0°<a<90°。

在一些实施例中，导流管5的直径大于等于引气管4的出口端的直径。

在涡轮机匣1的内侧安装了导流管5，导流管5与引气管4的出口端的中轴线之间具有夹角a，夹角a的角度范围为0°<a<90°，优选地，45°<a<90°。

在涡轮机匣1外周设有多个引气管4，每一引气管4对应连接一导流管5，导流管5围绕涡轮机匣1的中心轴线设置，在涡轮机匣1的周向上各导流管5的倾斜角度相同，并沿涡轮机匣1呈中心对称分布。

气流经引气管4的出口端进入导流管5后，按照与径向呈夹角a的方向进入集气腔3，气流不再直接冲击引气管4的出口端正对着的涡轮叶片2，射流速度在周向具备较大分量，使集气腔3中气流获得周向速度，在气流周向旋转的过程中，可以更好地输运至离引气管4的出口端的涡轮叶片2处；且由于气流的主要速度为周向速度，周向上各涡轮叶片2获得的进口压力基本相当，提高了涡轮叶片2冷却流量的均匀性，从而提高了温度场和变形的均匀性，防止因冷却不均匀导致变形不均匀而发生转静子碰磨等后果。

在一些实施例中，如图3所示，导流管5包括弧形管。

在一些实施例中，导流管5的出气口的方向与对应位置的涡轮机匣1的切线方向一致。

在涡轮机匣1的内侧安装了导流管5，导流管5为弧形管，在涡轮机匣1外周设有多个引气管4，每一引气管4对应连接一导流管5，导流管5围绕涡轮机匣1的中心轴线设置，气流经引气管4的出口端进入导流管5后，按照导流管5的弧度进入集气腔3，不再直接冲击引气管4的出口端正对着的涡轮叶片2，射流速度在周向具备较大分量，使集气腔3中气流获得周向速度，在气流周向旋转的过程中，可以更好地输运至离引气管4的出口端的涡轮叶片2处；且由于气流的主要速度为周向速度，周向上各涡轮叶片2获得的进口压力基本相当，提高了涡轮叶片2冷却流量的均匀性，从而提高了温度场和变形的均匀性，防止因冷却不均匀导致变形不均匀而发生转静子碰磨等后果。

在一些实施例中，弧形管向靠近涡轮机匣1的中心轴线的方向凸出。

在一些实施例中，弧形管向远离涡轮机匣1的中心轴线的方向凸出。

在一些实施例中，导流管5所在区域至少对应一个涡轮叶片2，导流管5上与涡轮叶片2对应的位置设有通气孔51，通气孔51的直径小于导流管5的排气口的直径，通气孔51的直径小于引气管4的出口端的直径。导流管5的直径大于引气管4的出口端的直径。

在一些实施例中，导流管5位于引气管4的出口端的中轴线上的位置设有通气孔51，通气孔51的直径小于导流管5的排气口的直径，通气孔51的直径小于引气管4的出口端的直径。导流管5的直径大于引气管4的出口端的直径。

由于引气管4的出口端的径向气流被导往周向，因此，径向正对引气管4的出口端的涡轮叶片2获得的冷却气体量减少，为防止涡轮叶片2的冷却不均匀，在导流管5上与涡轮叶片2正对的位置设有通气孔51，通气孔51均有补偿气流的作用。导流管5内的冷却气体部分从通气孔51排出，剩余的大部分冷却气体从导流管5的排气口排出，以避免正对导流管5的涡轮叶片2的气流被导流走，而引起不均匀现象。

在一些实施例中，通气孔51的过流面积小于导流管5的排气口的过流面积。导流管5排气口的过流面积大于等于引气管4的出口端的过流面积。导流管5内的冷却气体部分从通气孔51排出，剩余的大部分冷却气体从导流管5的排气口排出，以避免正对导流管5的涡轮叶片2的气流被导流走，而引起的不均匀现象。

气流在引气管4的出口端径向向内进入导流管5，由导流管5直接将气流速度导入到周向方向，完全消除了径向向内的冲击速度，引气管4出口端的气流不会正对涡轮叶片2，气流可以更好地输运至远离引气管4出口端的涡轮叶片2；且由于气流的主要速度为周向速度，周向上各涡轮叶片2获得的进口压力基本相当，提高了涡轮叶片2冷却流量的均匀性，从而提高了温度场和变形的均匀性，防止因冷却不均匀导致变形不均匀而发生转静子碰磨等后果。同时弧形管的导流效果更显著，气体转折损失更小。

在一些实施例中，围绕涡轮机匣1设有至少两个引气管4，每一个引气管4对应设置有一导流管5。

如图2和图3所示，在一些具体实施例中，涡轮机匣2的外周向设有四个引气管4，四个引气管4的出口端通过安装座41安装在涡轮机匣2上，涡轮机匣2的内部沿周向设有十二个涡轮叶片2，十二个涡轮叶片2的外周向设有集气腔3，四个引气管4的出口端与集气腔3连通。在集气腔3内，四个引气管4的出口端分别设有一导流管5。每个引气管4的出口端的中轴线上布置有一涡轮叶片2。导流管5的位于引气管4的出口端的中轴线的位置设有通气孔51，通气孔51的过流面积小于引气管4的出口端的过流面积。

如图2所示，导流管5包括直管。直管与引气管4的出口端的中轴线之间的夹角a的角度范围为0°<a<90°。

如图3所示，导流管5包括弧形管。弧形管向靠近涡轮机匣1的中心轴线的方向凸出。

气流经引气管4的出口端后，绝大部分流量通过直管或弧形管的导流作用变成周向流动，不再直接冲击引气管4的出口端正对着的涡轮叶片2；小部分气流流量经通气孔51流出，用于冷却正对引气管4的出口端的涡轮叶片2。

一些实施例提供了一种航空发动机，其包括上述的涡轮叶片冷却系统。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”、“第三”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

另外，在没有明确否定的情况下，其中一个实施例的技术特征可以有益地与其他一个或多个实施例相互结合。

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。