改善前缘旋流冷却能力的涡轮叶片及发动机制造技术

本发明专利技术提供了一种改善前缘旋流冷却能力的涡轮叶片及发动机，叶片包括叶片主体、隔板、气膜孔、第一突脊、第二突脊以及射流孔组；叶片主体包括吸力侧壁面与压力侧壁面；前缘吸力侧壁面与压力侧壁面上均设置有多个气膜孔，叶片前缘驻点区设置有多个气膜孔；所述隔板上设置有两个射流孔组，吸力侧内壁面、压力侧内壁面上分别设置有多个第一突脊、多个第二突脊；本发明专利技术通过采用可倾斜或偏置射流在前缘内腔中形成旋流流动和旋流冷却，结合突脊结构，从而改善叶片前缘的内壁面传热和冷却性能，并改善前缘壁面上气膜孔入口流动，避免了现有技术中涡流会堵塞气膜孔入口的现象，提升了叶片前缘外壁面的气膜冷却效果，并且获得更好的气膜孔内流动冷却效果。内流动冷却效果。内流动冷却效果。

【技术实现步骤摘要】
改善前缘旋流冷却能力的涡轮叶片及发动机


[0001]本专利技术涉及涡轮领域，具体地，涉及一种改善前缘旋流冷却能力的涡轮叶片及发动机。

技术介绍

[0002]为了提高燃气轮机与航空发动机的热效率，提高涡轮入口燃气温度是个重要的手段。当前涡轮前燃气温度已远高于涡轮叶片所用的金属材料工作温度极限，因此涡轮叶片需要采用冷却技术以保持叶片壁面温度在许可的范围之内。
[0003]专利文献CN209761501U公开了一种航空发动机涡轮工作叶片叶冠及涡轮工作叶片，本技术涉及一种航空发动机涡轮工作叶片叶冠及涡轮工作叶片,能在保证叶冠缘板厚度及其性能的条件下大大减轻了其质量，从而减小了叶片工作状态下的离心载荷。其中，航空发动机涡轮工作叶片叶冠的叶冠内部设置有空腔；空腔内填充有支承结构。涡轮工作叶片，设置有如前的航空发动机涡轮工作叶片叶冠。该技术提供一种航空发动机涡轮工作叶片叶冠，在保证叶冠缘板厚度及其性能的条件下大大减轻了其质量，从而减小了叶片工作状态下的离心载荷。但该方案并未考虑到叶片的散热问题。
[0004]目前常规的涡轮叶片前缘采用冲击冷却，前缘壁面上布置有气膜冷却孔，这些气膜冷却孔以30度
‑
60度的倾角布置在前缘壁面中。涡轮叶片工作时，外部高温燃气冲刷和掠过涡轮叶片前缘，前缘壁面承受最高的热负荷，涡轮叶片前缘依赖内部冲击冷却，和气膜孔出流在前缘外壁面形成的气膜冷却进行热防护。内部冲击冷却以及气膜冷却气流都来自压气机的抽气，但是压气机抽气会影响发动机性能，如降低燃气轮机的热效率和输出功率。如果涡轮叶片的冷却性能提高，那么压气机用于冷却的抽气量可以减少，并实现同样的冷却效果，这样燃气轮机的性能就得到提高。因此，发展先进高效的涡轮叶片冷却性能对于燃气轮机和航空发动机至关重要。
[0005]当前的问题在于，因为前缘内部冲击冷却，前缘隔板上射流孔居中布置，射流直接冲击在叶片前缘驻点区内壁面上，这导致受射流冲击的壁面区域产生最高的冲击冷却传热系数，但是射流压力损失大，壁面上传热分布很不均匀，射流冲击区域以外壁面上传热性能快速减小。前缘驻点是外部主流直接冲击的叶片前缘部位，这个部位密集布置有气膜冷却孔，这些气膜冷却孔的入口就分布在叶片前缘驻点区的内壁面上。当叶片前缘内部射流冲击到密集排布有气膜孔的内壁面上时，会在这些气膜孔口形成流动滞止区，或由于射流冲击壁面后形成贴近壁面的高速横流，并在这些气膜孔入口形成流动回流涡，前缘驻点区内壁面上这些涡流会堵塞气膜冷却孔入口，导致气膜冷却孔流量减少，从而减小气膜孔内对流冷却以及外部气膜冷却；另外，气膜孔内由于流动堵塞，产生流速不均匀，产生局部高流速，产生局部高冷气射流动量，这也导致涡轮叶片前缘外部气膜冷却性能下降，从而在叶片前缘产生高温烧蚀，缩短涡轮叶片寿命。叶片前缘气膜冷却孔内流动堵塞，还会导致外部高温燃气侵入气膜孔内，造成叶片本体高温氧化和热损伤，减少涡轮叶片寿命。另一个问题，射流冲击和气膜冷却孔集中在叶片前缘驻点区域，叶片前缘的吸力面和压力冷却都不好，
这里存在前缘内部射流冲击后形成的回流涡，对流传热性能低。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种改善前缘旋流冷却能力的涡轮叶片及发动机。
[0007]根据本专利技术提供的一种改善前缘旋流冷却能力的涡轮叶片，包括叶片主体、隔板、第一气膜孔、第一突脊、第二突脊以及射流孔组；所述叶片主体包括吸力侧壁面与压力侧壁面；
[0008]所述吸力侧壁面包括吸力侧内壁面与吸力侧外壁面；
[0009]压力侧壁面包括压力侧内壁面与压力侧外壁面
[0010]所述隔板设置在所述叶片主体前缘，所述隔板与叶片主体形成前缘内腔；所述前缘内腔由隔板、吸力侧壁面与压力侧壁面合围而成；定义所述吸力侧壁面与压力侧壁面的交界处形成前缘驻点区，所述前缘驻点区包括叶片前缘驻点区与内腔前缘驻点区；
[0011]吸力侧壁面与压力侧壁面上均设置有多个沿叶片主体的高度方向布置的第一气膜孔，叶片前缘驻点区设置有多个沿叶片主体的高度方向布置的第一气膜孔；所述隔板上设置有两个射流孔组，分别为第一射流孔组与第二射流孔组，所述第一射流孔组包括多个沿叶片主体的高度方向布置的第一射流孔，所述第二射流孔组包括多个沿叶片主体的高度方向布置的第二射流孔；
[0012]吸力侧内壁面、压力侧内壁面上分别设置有多个第一突脊、多个第二突脊；所述多个第一突脊、多个第二突脊均沿所述叶片主体的高度方向布置，所述第一突脊、第二突脊均位于所述前缘内腔的壁面上；
[0013]定义所述第一突脊将位于前缘内腔的吸力侧内壁面分为第一前缘驻点区内壁面与吸力侧内壁面后侧壁面；定义第二突脊将位于前缘内腔的压力侧内壁面分为第二前缘驻点区内壁面与压力侧内壁面后侧壁面；
[0014]所述第一前缘驻点区内壁面与第二前缘驻点区内壁面构成叶片前缘驻点区内壁面。
[0015]优选的，所述多个第一突脊间隔布置，所述多个第二突脊间隔布置，所述第一突脊与第二突脊交错布置。
[0016]优选的，前缘内腔中的内腔前缘驻点区为内凹结构，所述第一突脊、第二突脊均布置在所述内凹结构外侧。
[0017]优选的，所述第一射流孔的轴心朝向吸力侧内壁面后侧壁面，所述第二射流孔的轴心朝向压力侧内壁面后侧壁面。
[0018]优选的，所述多个第一射流孔间隔布置，所述多个第二射流孔间隔布置，所述第一射流孔与第二射流孔交错布置。
[0019]优选的，第一突脊与第二突脊宽度是第一射流孔宽度的1.0
‑
6.0倍。第一突脊与第二突脊的高度为第一射流孔高度的0.1
‑
3.0倍。
[0020]优选的，沿所述叶片主体的高度方向：
[0021]设置有第二射流孔的横截面上设置有第二突脊，并未设置第一突脊与第一射流孔；
[0022]设置有第一射流孔的横截面上设置有第一突脊，并未设置第二突脊与第二射流孔。
[0023]优选的，所述压力侧内壁面后侧壁面上设置有多个沿叶片主体的高度方向布置的第二气模孔，吸力侧内壁面后侧壁面上设置有多个沿叶片主体的高度方向布置的第三气模孔，第二气模孔与第三气模孔依次交替布置。
[0024]优选的，相邻第一射流孔之间的间距是第一射流孔直径的2
‑
6倍；相邻第二射流孔之间的间距是第二射流孔直径的2
‑
6倍。
[0025]根据本专利技术提供的一种发动机，采用所述的改善前缘旋流冷却能力的涡轮叶片。
[0026]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0027]1、本专利技术通过采用倾斜或偏置射流在前缘内腔中形成旋流流动和旋流冷却，结合突脊结构，从而改善气膜孔入口流动，获得更好的气膜孔内流动速度分布，避免了现有技术中涡流会堵塞气膜孔入口的现象；这种旋流流动提升了叶片前缘的吸力侧和压力侧内壁面冷却效果，并且获得更好的气膜孔内流动冷却效果。
[0028]2、本专利技术通过所述第二射流孔的轴心朝向压力侧本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改善前缘旋流冷却能力的涡轮叶片，其特征在于，包括叶片主体、隔板(20)、第一气膜孔(8)、第一突脊(12)、第二突脊(10)以及射流孔组；所述叶片主体包括吸力侧壁面(100)与压力侧壁面(200)；所述吸力侧壁面(100)包括吸力侧内壁面(13)与吸力侧外壁面(1)；压力侧壁面(200)包括压力侧内壁面(11)与压力侧外壁面(2)；所述隔板(20)设置在所述叶片主体前缘，所述隔板(20)与叶片主体形成前缘内腔(3)；所述前缘内腔(3)由隔板(20)、吸力侧壁面(100)与压力侧壁面(200)合围而成；定义所述吸力侧壁面(100)与压力侧壁面(200)的交界处形成前缘驻点区，所述前缘驻点区包括叶片前缘驻点区(161)与内腔前缘驻点区(16)；吸力侧壁面(100)与压力侧壁面(200)上均设置有多个沿叶片主体的高度方向布置的第一气膜孔(8)，叶片前缘驻点区(161)设置有多个沿叶片主体的高度方向布置的第一气膜孔(8)；所述隔板(20)上设置有两个射流孔组，分别为第一射流孔组与第二射流孔组，所述第一射流孔组包括多个沿叶片主体的高度方向布置的第一射流孔(22)，所述第二射流孔组包括多个沿叶片主体的高度方向布置的第二射流孔(23)；吸力侧内壁面(13)、压力侧内壁面(11)上分别设置有多个第一突脊(12)、多个第二突脊(10)；所述多个第一突脊(12)、多个第二突脊(10)均沿所述叶片主体的高度方向布置，所述第一突脊(12)、第二突脊(10)均位于所述前缘内腔(3)的壁面上；定义所述第一突脊(12)将位于前缘内腔(3)的吸力侧内壁面(13)分为第一前缘驻点区内壁面与吸力侧内壁面后侧壁面(131)；定义第二突脊(10)将位于前缘内腔(3)的压力侧内壁面(11)分为第二前缘驻点区内壁面与压力侧内壁面后侧壁面(111)；所述第一前缘驻点区内壁面与第二前缘驻点区内壁面构成叶片前缘驻点区内壁面(14)。2.根据权利要求1所述的改善前缘旋流冷却能力的涡轮叶片，其特征在于，所述多个第一突脊(12)间隔布置，所述多个第二突脊(10)间隔布置，所述第一突脊(12)与第二突脊(10)交错布置。3.根据权利要求1所述的改善前缘旋流...

【专利技术属性】
技术研发人员：饶宇，栾勇，许亚敏，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：