冷凝段高度 50mm-100mm。
[0023]本发明的气动工况要求是，燃气温度小于2000K，用于冷却的气体温度700K-850K，外涵道内气体温度300K-400K。气膜孔喷气速度与当地燃气速度比值在0.5-2之间。叶片外壁温控制在1200K以下，内壁温控制在900K以下。
[0024]该控制涡轮叶片温度分布的方法在于，利用了内部冲击冷却以及气膜冷却等冷却能力强的传统冷却方式；同时增加了具有传热自控能力又不消耗冷气的热管传热冷却方式。不仅可以达到更好的冷却效果，又能实现更加均匀的叶片温度分布。
[0025]本发明的整体思路是:利用冲击冷却+气膜冷却对叶片前缘进行冷却，在叶片中部和尾部采用内部对流换热+气膜冷却，叶片内部冷气通道设计的要窄一些，这样可以在每排气膜通孔下游采用热管传热进一步降低叶片平均温度并改善叶片温度分布均匀性。燃气传到叶片的热量，热管通过内部工质钠或者锂的相变传给外涵道内温度非常低的空气，这有效利用了外涵道内气流温度低、换热面积大的优势。热管结构包括蒸发段、绝热段和冷凝段。蒸发段即为叶片高度段，冷凝段位于航空发动机外涵道内。在蒸发段和冷凝段之间穿过发动机内机匣的一段为绝热段。热管结构的毛细芯在蒸发段位于叶片型面的内壁上，在冷凝段位于冷凝段的内壁上。由蒸发段到冷凝段的毛细芯是连续的。由于叶片环向分布，相邻叶片内的热管结构延伸到航空发动机外涵道内时具有更大的直径，所以经冷凝段设计成向外扩张型，这可以有效地增加冷凝段与外涵道内冷气换热面积。
[0026]当燃气将热量传给热管外壁面时，位于毛细芯中的热管工质受热气化吸收热量，同时热管内部蒸发段的压力升高，气态工质流向温度相对较低的冷凝段，凝结放热，并最终将热量传给外涵道内的温度较低的空气。
[0027]实施例1:本发明为某型发动机的涡轮导向叶片气膜冷却和热管传热共同作用的叶片冷却结构，叶片弦长为50mm，叶片高度40mm。在叶片的前缘采用冲击冷却和气膜冷却共同作用方式，冲击孔直径0.5mm，孔间距2mm，冲击距离3mm。在前缘气膜孔下游布置热管结构，热管工质采用钠。热管对应的叶片弧长5_。紧邻热管结构是冷气通道，即采用内部对流换热和外部气膜冷却，通道宽度3mm，通道的叶片型面壁上开有气膜孔，气膜孔的直径尺寸为0.2mm，孔间距为0.4mm，气膜孔轴线与叶片壁面夹角为20。在气膜孔下游继续布置热管结构，热管对应的叶片弧长5mm。接下来，依次是气冷结构和热管结构。热管的冷凝段位于外涵道内，高度50mm。
[0028]本发明的气动工况要求是，燃气温度1980K，用于冷却的气体温度700K，外涵道内气体温度300K。气膜孔喷气速度与当地燃气速度比值为0.5。叶片外壁温控制在1200K，内壁温控制在880K。
[0029]实施例2:本发明为某型发动机的涡轮导向叶片气膜冷却和热管传热共同作用的叶片冷却结构，叶片弦长为180mm，叶片高度200mm。在叶片的前缘采用冲击冷却和气膜冷却共同作用方式，冲击孔直径3mm，孔间距10mm，冲击距离10mm。在前缘气膜孔下游布置热管结构，热管工质采用钠。热管对应的叶片弧长15_。紧邻热管结构是冷气通道，即采用内部对流换热和外部气膜冷却，通道宽度10mm，通道的叶片型面壁上开有气膜孔，气膜孔直径尺寸为2mm，孔间距为6mm，气膜孔轴线与叶片壁面夹角为90度。在气膜孔下游继续布置热管结构，热管对应的叶片弧长15mm。接下来，依次是气冷结构和热管结构。热管的冷凝段位于外涵道内，高度100mm。
[0030]本发明的气动工况要求是，燃气温度1800K，用于冷却的气体温度850K，外涵道内气体温度400K。气膜孔喷气速度与当地燃气速度比值为2。叶片外壁温控制在1100K，内壁温控制在850K。
[0031]实施例3:本发明为某型发动机的涡轮导向叶片气膜冷却和热管传热共同作用的叶片冷却结构，叶片弦长为120mm，叶片高度80mm。在叶片的前缘采用冲击冷却和气膜冷却共同作用方式，冲击孔直径2mm，孔间距6mm，冲击距离5mm。在前缘气膜孔下游布置热管结构，热管工质采用钾。热管对应的叶片弧长10_。紧邻热管结构是冷气通道，即采用内部对流换热和外部气膜冷却，通道宽度7mm，通道的叶片型面壁上开有气膜孔，气膜孔的直径尺寸为1mm，孔间距为3mm，气膜孔轴线与叶片壁面夹角为30度。在气膜孔下游继续布置热管结构，热管对应的叶片弧长10_。接下来，依次是气冷结构和热管结构。热管的冷凝段位于外涵道内，高度80mm。
[0032]本发明的气动工况要求是，燃气温度1920K，用于冷却的气体温度800K，外涵道内气体温度350K。气膜孔喷气速度与当地燃气速度比值为I。叶片外壁温控制在1130K，内壁温控制在890K。
【主权项】
1.一种气冷和热管传热共同作用的涡轮叶片结构，其特征在于:在除了叶片前缘前端和叶片尾缘的叶片内部上设置热管毛细芯，热管毛细芯内设有液态工质，热管毛细芯向外延伸到发动机的外涵道内，并利用叶片的外壁和外涵道冷凝段外壁构成封闭腔；在叶片前缘处设有前缘冲击孔供气通道，前缘冲击孔供气通道通过前缘冲击孔与叶片前缘相通，在叶片内部设有狭窄冷气通道，叶片壁面在叶片前缘的前端和狭窄冷气通道处设有气膜通孔。2.如权利要求1所述的一种气冷和热管传热共同作用的涡轮叶片结构，其特征在于:所述的狭窄冷气通道宽度为气膜通孔直径的3-6倍。3.如权利要求1所述的一种气冷和热管传热共同作用的涡轮叶片结构，其特征在于:所述的液态工质为金属钠或者钾。4.如权利要求1所述的一种气冷和热管传热共同作用的涡轮叶片结构，其特征在于:所述的气膜通孔直径为0.2-2mm，孔间距为0.4_6mm。5.如权利要求1所述的一种气冷和热管传热共同作用的涡轮叶片结构，其特征在于:所述的狭窄冷气通道和热管毛细芯交错分布。
【专利摘要】一种气冷和热管传热共同作用的涡轮叶片结构，在除了叶片前缘前端和叶片尾缘的叶片内部上设置热管毛细芯，热管毛细芯内设有液态工质,热管毛细芯向外延伸到发动机的外涵道内，并利用叶片的外壁和外涵道冷凝段外壁构成封闭腔。在叶片前缘处设有前缘冲击孔供气通道，前缘冲击孔供气通道通过前缘冲击孔与叶片前缘相通。在叶片内部设有狭窄冷气通道。叶片壁面在叶片前缘的前端和狭窄冷气通道处设有气膜通孔。本发明与单独采用气冷方式相比，该冷却结构对应的叶片温度至少降低5度；与单独采用气冷方式相比，最大温差减小至少3度；达到相同的冷却效果下，冷气消耗量减少2％。
【IPC分类】F01D9/02, F01D25/12
【公开号】CN105114128
【申请号】CN201510567376
【发明人】张魏, 李广超, 寇志海, 蔡震, 朱怡平, 张永玉
【申请人】沈阳航空航天大学
【公开日】2015年12月2日
【申请日】2015年9月7日