一种冷气通道壁面带螺旋肋的抑制沙灰沉积双层壁叶片

本发明属于航空发动机涡轮叶片设计，特别是涉及一种冷气通道壁面带螺旋肋的抑制沙灰沉积双层壁叶片。

背景技术：

1、高性能航空发动机中，由于涡轮进口燃气温度远超涡轮叶片材料的承受极限，所以必须采用有效的冷却措施，来保证涡轮叶片在高温高压高转速环境下的可靠工作。目前主要解决方式是使用双层壁结构叶片降低叶片表面温度，提高叶片应对高温燃气冲击的能力。而在使用双层壁叶片的飞机处在起飞、降落阶段或经过火山灰云层时，航空发动机将不可避免地吸入沙灰，航空发动机的转子涡轮叶片可以利用离心力将沙灰从叶顶的除尘孔中甩出，但静子涡轮叶片则没有明确的除尘设计，沙灰在静子涡轮叶片内部沉积严重，可能会使气膜孔堵塞导致吹风比降低，由于沉积在表面的沙尘的导热系数小于涡轮叶片结构，从而导致热量堆积在靶板内壁，从而加速了静子涡轮叶片冷却性能的衰减。

2、专利cn111425263b一种采用波纹状冲击板的双层壁静子涡轮叶片2022-03-25，不足之处在于：波纹板使进入冷气通道内的气流形成小尺度涡，相比螺旋肋结构形成的大尺度涡，波纹板形成的小尺度涡拦截沙灰的能力有限，并且波纹结构设置在冲击板上并未利用冷气通道间壁面进行抑制沙灰结构设计，相比本专利螺旋肋结构，并未充分利用冷气通道内部空间。

3、专利cn110821573b通过调控内部灰尘沉积位置减缓冷却效果退化的涡轮叶片2022.03.01，不足之处在于：冷气通道内部挡板结构诱导气流形成的涡仍然是小尺度涡，相比螺旋肋结构形成的大尺度涡可以调控整个冷气通道内空气，挡板结构形成的小尺度涡抑制沙灰沉积到靶板内侧的效果仍然有限。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的高流阻和小尺度涡无法高效捕获沙灰的问题，本发明提供一种冷气通道壁面带螺旋肋的抑制沙灰沉积双层壁叶片。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种冷气通道壁面带螺旋肋的抑制沙灰沉积双层壁叶片，包括冲击板、靶板及扰流柱，所述冲击板与靶板之间构成板间间隙，所述扰流柱位于板间间隙内，所述冲击板内具有腔室，所述腔室内间隔设置若干隔板将所述腔室分割为多个冷气通道，在所述冲击板的壁面上开设若干贯穿的冲击孔，每个所述冷气通道与若干所述冲击孔中的一部分相对应，在所述靶板壁面上开设若干个气膜孔，沿所述冷气通道的内壁周向设置螺旋肋，从螺旋肋的螺旋线轴线方向进入冷气通道的气体经过螺旋肋后在冷气通道中形成大尺度涡，所述螺旋肋设为左手螺旋方向肋或右手螺旋方向肋。

3、在本发明实施例中，所述板间间隙的间距与冲击板板厚的比值为(1～1.5):1；

4、在本发明实施例中，所述扰流柱直径与冲击孔孔径的比值为(0.5～0.8):1；

5、在本发明实施例中，所述靶板板厚与冲击板板厚的比值为(1～2):1；

6、在本发明实施例中，所述气膜孔孔径与冲击孔孔径的比值为(0.4～0.6):1；

7、在本发明实施例中，所述螺旋肋高度与冲击板厚度之比为(0.8～1):1；

8、在本发明实施例中，所述螺旋肋与叶片弦线夹角为30°～45°；

9、在本发明实施例中，所述螺旋肋数量为1～5条，单条螺旋肋步距为5～35mm；

10、在本发明实施例中，所述螺旋肋截面形状为圆形、多边形、椭圆形和扇形中的一种，单根螺旋肋截面面积与冲击孔最小截面面积之比为为(3～5):1。

11、与现有技术相比，有益效果为：

12、1、本发明通过向涡轮叶片冲击板内壁增加螺旋肋结构，减少靶板内壁面沙灰沉积量，降低涡轮叶片冷却衰减；

13、2、螺旋肋充分利用冷气通道壁面，使冷气通道内形成大尺度涡，涡中存在的沙灰由于离心力作用被甩到螺旋肋根部，其中大部分沙灰将会沉积在肋表面，显著减少进入板间间隙内的沙灰量，从而缓解壁面由于沙灰沉积导致的冷却衰减。

14、3、使进入冲击孔中的气流发生旋转，增强冲击在靶板内侧气流的湍流度，增大冷却气流对靶板内侧的作用面积，从而增强双层壁结构板间间隙的对流换热能力，更好的保护被主流燃气冲击的叶片表面不被烧蚀。

15、4、本发明涡轮叶片通过增加螺旋肋结构增加冷气通道与冲击气流接触面积，阻挡冲击气流中的灰尘，使灰尘更多的沉积在冲击板螺旋肋上。

技术特征：

1.一种冷气通道壁面带螺旋肋的抑制沙灰沉积双层壁叶片，包括冲击板、靶板及扰流柱，其特征在于：所述冲击板与靶板之间构成板间间隙，所述扰流柱位于板间间隙内，所述冲击板内具有腔室，所述腔室内间隔设置若干隔板将所述腔室分割为多个冷气通道，在所述冲击板的壁面上开设若干贯穿的冲击孔，每个所述冷气通道与若干所述冲击孔中的一部分相对应，在所述靶板壁面上开设若干个贯穿的气膜孔，沿所述冷气通道的内壁周向设置螺旋肋，从螺旋肋的螺旋线轴线方向进入冷气通道的气体经过螺旋肋后在冷气通道中形成大尺度涡，所述螺旋肋设为左手螺旋方向肋或右手螺旋方向肋。

2.根据权利要求1所述的冷气通道壁面带螺旋肋的抑制沙灰沉积双层壁叶片，其特征在于：所述板间间隙的间距与冲击板板厚的比值为(1～1.5):1。

3.根据权利要求1所述的冷气通道壁面带螺旋肋的抑制沙灰沉积双层壁叶片，其特征在于：所述扰流柱直径与冲击孔孔径的比值为(0.5～0.8):1。

4.根据权利要求1所述的冷气通道壁面带螺旋肋的抑制沙灰沉积双层壁叶片，其特征在于：所述靶板板厚与冲击板板厚的比值为(1～2):1。

5.根据权利要求1所述的冷气通道壁面带螺旋肋的抑制沙灰沉积双层壁叶片，其特征在于：所述气膜孔孔径与冲击孔孔径的比值为(0.4～0.6):1。

6.根据权利要求1所述的冷气通道壁面带螺旋肋的抑制沙灰沉积双层壁叶片，其特征在于：所述螺旋肋高度与冲击板厚度之比为(0.8～1):1。

7.根据权利要求1所述的冷气通道壁面带螺旋肋的抑制沙灰沉积双层壁叶片，其特征在于：所述螺旋肋与叶片弦线夹角为30°～45°。

8.根据权利要求1所述的冷气通道壁面带螺旋肋的抑制沙灰沉积双层壁叶片，其特征在于：所述螺旋肋数量为1～5条，单条螺旋肋步距为5～35mm。

9.根据权利要求1所述的冷气通道壁面带螺旋肋的抑制沙灰沉积双层壁叶片，其特征在于：所述螺旋肋截面形状为圆形或多边形或椭圆形或扇形。

10.根据权利要求1所述的冷气通道壁面带螺旋肋的抑制沙灰沉积双层壁叶片，其特征在于：所述螺旋肋截面面积与冲击孔沿壁面法向方向截面面积之比为(3～5):1。

技术总结
本发明公开了一种冷气通道壁面带螺旋肋的抑制沙灰沉积双层壁叶片，属于航空发动机涡轮叶片设计技术领域，解决了高流阻和小尺度涡无法有效捕获沙灰的技术问题，本发明包括冲击板、靶板及扰流柱，所述冲击板的腔室内间隔设置若干隔板将所述冲击板的腔室分割为多个冷气通道，沿所述冷气通道的内壁周向设置螺旋肋，气体经过螺旋肋后在冷气通道中形成大尺度涡，所述螺旋肋设为左手螺旋方向肋或右手螺旋方向。螺旋肋充分利用冷气通道壁面，使冷气通道内形成大尺度涡，涡中存在的沙灰由于离心力作用被甩到螺旋肋根部，其中大部分沙灰将会沉积在肋表面，显著减少进入板间间隙内的沙灰量，从而缓解壁面由于沙灰沉积导致的冷却衰减。

技术研发人员：李广超,李梓轩,何洪斌,赵长宇,赵志奇,张魏
受保护的技术使用者：沈阳航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14