一种涡轮转子叶片冷却结构的制作方法

1.本发明涉及涡轮转子叶片技术领域，具体涉及一种涡轮转子叶片冷却结构。


背景技术：

2.目前，航空发动机涡轮前温度已远远超过了叶片材料的最高允许工作温度，因此需要在叶片内设置冷却结构，以保证叶片的使用寿命和稳定性。
3.在现有技术中，通常采用如下两种方式进行冷却：一种是采用冲击冷却的方式进行冷却，冷气由涡轮转子叶根进入叶身，可充分的对叶身前缘部分进行降温，经过多腔回流、扰流柱、粗糙肋等结构，最后由尾缘排气缝或气膜孔流出，但是，同一路冷气需从前缘、叶尖、叶盆及尾缘的气膜孔或劈缝排出，冷气容易受到整个叶身弦向长度的影响，冷气相较于刚进入叶身时的温度较高，导致对尾缘处的降温效果较差；另一种是采用常规的对流冷却设计，冷气是从尾缘区域进入，由中弦区流出，这样可以充分冷却尾缘，尾缘部位的冷气出口面积一般也较大，但是，叶身前缘长期受高温燃气直接冲击，是最易发生氧化烧蚀的区域之一，特别是叶片长期服役后风险更高，常规的对流冷却设计很难保证其寿命期内稳定工作。因此，在现有技术的两种冷却方式，都无法同时对前缘区和尾缘区同时降温，容易造成叶片寿命降低，叶片损坏的风险大大提高。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的冷却方式，都无法同时对前缘区和尾缘区同时降温，容易造成叶片寿命降低，叶片损坏的风险大大提高，从而提供一种涡轮转子叶片冷却结构。
5.为了解决上述问题，本发明提供了一种涡轮转子叶片冷却结构，包括：
6.叶片本体，包括叶身和叶根，所述叶根设置在所述叶身的底部，所述叶身内具有沿弦向依次设置的前缘区、中弦区和尾缘区，所述前缘区、所述中弦区和所述尾缘区内均设置有至少一个冷却通道；
7.所述叶根上设置与所述冷却通道连通使冷气流入所述冷却通道的进气通道；
8.前缘区冷却通道与所述进气通道之间具有冲击隔板，尾缘区冷却通道与所述进气通道也具有冲击隔板，所述冲击隔板上设置有冲击孔，所述进气通道内的冷空气适于通过所述冲击孔分别进入所述前缘区冷却通道和所述尾缘区冷却通道内，并冲击所述前缘区和所述尾缘区。
9.进一步的，所述进气通道包括第一进气通道和第二进气通道，所述第一进气通道设置在所述前缘区，所述第一进气通道通过所述冲击孔与所述前缘区冷却通道连通，所述第二进气通道设置在所述中弦区和所述尾缘区之间，所述第二进气通道分别与中弦区冷却通道和所述尾缘区冷却通道连通，所述第二进气通道通过冲击孔与所述尾缘区冷却通道连通。
10.进一步的，所述前缘区内设有用于将所述前缘区冷却通道内的冷气排出的前缘气
膜孔。
11.进一步的，所述冲击隔板上的所述冲击孔的总面积与所述前缘区内的所述前缘气膜孔的总面积之比为1.2-2.8：1，以确保冷气流对所述前缘区冷却通道冲击冷却的冲击效果。
12.进一步的，所述冲击孔沿所述叶根至所述叶身的延伸方向上面积逐渐减小。
13.进一步的，所述第一进气通道、所述第二进气通道以及所述中弦区冷却通道内具有粗糙肋。
14.进一步的，所述粗糙肋的肋高值与所述进气通道或所述中弦区冷却通道的通道尺寸值之比大于等于25％，所述粗糙肋的肋宽值与相邻两个所述粗糙肋的肋间距之比为2-4:1。
15.进一步的，所述尾缘区冷却通道内还设置有扰流柱和偏劈缝，所述扰流柱交错设置在所述尾缘区冷却通道内，从所述冲击孔进入所述尾缘区冷却通道的冷空气依次通过所述扰流柱和所述偏劈缝后排出所述尾缘区冷却通道。
16.进一步的，还包括：
17.中弦区气膜孔，与所述中弦区连接，所述中弦区气膜孔适于将中弦区冷却通道内的冷气排出。
18.进一步的，还包括：
19.叶冠，所述叶冠设置在所述叶身的上端，所述叶冠上设置有与进气通道连通的第一叶顶小孔和与中弦区冷却通道连通的第二叶顶小孔。
20.本发明具有以下优点：
21.1.本发明提供了一种涡轮转子叶片冷却结构，包括：叶片本体，叶片本体包括叶身和叶根，所述叶根设置在所述叶身的底部，所述叶身内具有沿弦向依次设置的前缘区、中弦区和尾缘区，所述前缘区与所述中弦区之间具有分隔板，所述前缘区、所述中弦区和所述尾缘区内均设置有至少一个冷却通道；所述叶根上设置与所述冷却通道连通使冷气流入所述冷却通道的进气通道；前缘区冷却通道与所述进气通道之间具有冲击隔板，尾缘区冷却通道与所述进气通道也具有冲击隔板，所述冲击隔板上设置有冲击孔，所述进气通道内的冷空气适于通过所述冲击孔分别进入所述前缘区冷却通道和所述尾缘区冷却通道内，并冲击所述前缘区和所述尾缘区。
22.此结构的涡轮转子叶片冷却结构，通过分别在前缘区冷却通道与进气通道之间以及尾缘区冷却通道与进气通道之间设置冲击隔板，并在冲击隔板上设置冲击孔，从而可使进气通道内的冷气通过冲击孔之间冲击前缘区和尾缘区，并同时为前缘区和尾缘区进行降温冷却，进一步的，可更好的对叶身进行降温，同时可提高叶片的使用寿命，降低了叶片的风险。
23.2.此结构的的涡轮转子叶片冷却结构，通过在前缘区设置前缘气膜孔，可使前缘区形成冲击结构，从而可对前缘区进行快速降温。
24.3.此结构的的涡轮转子叶片冷却结构，通过将冲击孔的总面积与前缘气膜孔的总面积之比设置为1.2-2.8：1，从而可确保冷气流对前缘区冷却通道冲击冷却的冲击效果。
25.4.此结构的的涡轮转子叶片冷却结构，冲击孔沿叶根至叶身的延伸方向上面积逐渐减小，在进气通道进风口处的冲击孔的面积最大，从而可以使进气通道内的冷风在风力
最大的时候进入前缘区或尾缘区，进一步的，更好的提高冷却效果。
26.5.此结构的的涡轮转子叶片冷却结构，第一进气通道、第二进气通道以及中弦区冷却通道内设置有粗糙肋，粗糙肋可对冷气绕流，使冷气可长时间停留的同时，增加与叶片的接触面积，以提高降温效果。
27.6.此结构的的涡轮转子叶片冷却结构，尾缘区冷却通道内还设置扰流柱和偏劈缝，扰流柱和偏劈缝均可对进入尾缘区冷却通道内的冷气进行绕流，以提高冷气与尾缘区的接触面积，从而提高对尾缘区的冷却效果。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本发明实施例中涡轮转子叶片冷却结构的内部结构示意图；
30.图2为本发明实施例中涡轮转子叶片冷却结构的内部结构示意图；
31.图3为本发明实施例中涡轮转子叶片冷却结构的结构示意图；
32.图4为本发明实施例中冲击孔的结构示意图；
33.图5为本发明实施例中冲击孔的结构示意图；
34.图6为本发明实施例中粗糙肋的结构示意图；
35.图7为图6中a-a的剖视图；
36.图8为本发明冷却效果图；
37.附图标记说明：
38.1、叶身；2、叶根；3、分隔板；4、前缘区冷却通道；5、中弦区冷却通道；6、尾缘区冷却通道；7、冲击隔板；8、冲击孔；9、第一进气通道；10、第二进气通道；11、前缘气膜孔；12、粗糙肋；13、扰流柱；14、偏劈缝；15、中弦区气膜孔；16、叶冠；17、第一叶顶小孔；18、第二叶顶小孔。
具体实施方式
39.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
40.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
41.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是
两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
42.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
43.如图1至图7所示，本实施例公开了一种涡轮转子叶片冷却结构，包括：叶片本体。叶片本体包括叶身1和叶根2，叶根2设置在叶身1的底部，叶身1内具有沿弦向依次设置的前缘区、中弦区和尾缘区，前缘区、中弦区和尾缘区内均设置有至少一个冷却通道；叶根2上设置与冷却通道连通使冷气流入冷却通道的进气通道；前缘区冷却通道4与进气通道之间具有冲击隔板7，尾缘区冷却通道6与进气通道也具有冲击隔板7，冲击隔板7上设置有冲击孔8，进气通道内的冷空气适于通过冲击孔8分别进入前缘区冷却通道4和尾缘区冷却通道6内，并冲击前缘区和尾缘区。
44.具体的，在图1中，叶身1的下端与叶根2固定连接，叶身1从左侧往右侧依次为前缘区、中弦区和尾缘区，前缘区通过分隔板3与中弦区分隔，前缘区内设置有前缘区冷却通道4，中弦区内设置有蛇形结构的中弦区冷区通道，尾缘区设置有尾缘区冷却通道6。在本实施例中，叶根2上具有两条进气通道，两条进气通道与叶身1连通，冷风可从叶根2进入进气通道中，并通过进气通道进入叶身1中。第一条进气通道设置在前缘区中，前缘区内具有冲击隔板7将前缘区冷却通道4与进气通道分隔，冲击隔板7上设置有冲击孔8，进气通道内的冷风可通过冲击孔8进入前缘区冷却通道4中，对前缘区进行冷却降温。第二条进气通道设置在中弦区与尾缘区的连接处，进气通道与中弦区冷区通道连通，冷风可直接进入中弦区冷区通道中，对中弦区进行冷却降温；尾缘区冷却通道6与进气通道之间通过冲击隔板7分隔，进气通道的冷风可通过冲击隔板7上的冲击孔8进入尾缘区冷却通道6中，并对尾缘区进行降温。
45.进一步的，进气通道包括第一进气通道9和第二进气通道10，第一进气通道9设置在前缘区，第一进气通道9通过冲击孔8与前缘区冷却通道4连通，第二进气通道10设置在中弦区和所述尾缘区之间，第二进气通道10分别与中弦区冷却通道5和尾缘区冷却通道6连通，第二进气通道10通过冲击孔8与尾缘区冷却通道6连通。
46.具体的，设置在前缘区内的进气通道为第一进气通道9，设置在中弦区与尾缘区之间的进气通道为第二进气通道10。
47.进一步的，前缘区内设有用于将前缘区冷却通道4内的冷气排出的前缘气膜孔11。
48.具体的，在图1中，前缘气膜孔11设置在前缘区的左端，前缘气膜孔11右端口与前缘区冷却通道4连通，前缘气膜孔11的左端口与叶身1外侧连通，前缘气膜孔11可将前缘区冷却通道4内的冷气排出。
49.进一步的，冲击隔板7上的冲击孔8的总面积与前缘区内的前缘气膜孔11的总面积之比为1.2-2.8：1，以确保冷气流对前缘区冷却通道4冲击冷却的冲击效果。
50.进一步的，冲击孔8沿所述叶根2至所述叶身1的延伸方向上面积逐渐减小。
51.具体的，如图4所示，下端为叶根2方向，上端为叶身1方向，从下端向上端延伸方向上设置的多个冲击孔8，面积逐渐减小。因进气通道中的冷气从叶根2处进入，在叶根2处的冷气气压更大，往叶身1方向延伸的冷气气压逐渐变小，因此冲击孔8越大，可使更多的冷风进入冷却通道中，可更好的对前缘区和尾缘区进行冲击降温，通过改变冲击孔8布置方式以
保证转子叶片在旋转状态下沿叶高方向合理的流量分布。
52.优选的，在本实施例中，如图5所示，靠近叶根2处的冲击孔8为长圆孔，靠近叶身1处的冲击孔8为圆孔，靠近叶根2的冲击孔8的高度值等于两倍至三倍靠近叶身1处的冲击孔8的圆弧段的半径值。
53.优选的，在本实施例中，冲击孔8的总面积与前缘区内的前缘气膜孔11的总面积之比为1.2：1。在其他可选实施例中，冲击孔8的总面积与前缘区内的前缘气膜孔11的总面积之比为2.8：1等其他比例。
54.进一步的，第一进气通道9、第二进气通道10以及中弦区冷却通道5内具有粗糙肋12。
55.进一步的，粗糙肋12的肋高值与进气通道或中弦区冷却通道5的通道尺寸值之比大于等于25％，粗糙肋12的肋宽值与相邻两个粗糙肋12的肋间距之比为2-4:1。
56.具体的，如图2、图6和图7所示，粗糙肋12为高阻塞肋或常规粗糙肋。通道流通面积随冷气流动方向基本保持不变，对通道的流通面积进行适当调整，以提高冷气流动速度，增强冷气对流换热能力。第一进气通道9和中弦区冷却通道5后半部分采用高阻塞肋，肋的高度与通道高度之比h/l1≥25％、肋宽与肋间距之比l2/l3＝2-4。高阻塞肋主要应用于小尺寸叶片通道中，即肋的高度占通道高度的比例较大，其扰流作用可以显著增强内流通道的换热。
57.优选的，在本实施例中，高阻塞肋的肋的高度与通道高度之比h/l1＞25％、肋宽与肋间距之比l2/l3＝4。在其他可选实施例中，肋的高度与通道高度之比h/l1＝25％、肋宽与肋间距之比l2/l3＝2。
58.叶片尾缘区横截面积小，热沉滞性强，也是易发生氧化烧蚀的区域，因此在第二进气通道10和中弦区冷却通道5前半部分采用常规粗糙肋，肋的高度与通道高度之比h/l1＜25％、肋宽与肋间距之比l2/l3＞4。
59.优选的，在本实施例中，常规粗糙肋的肋的高度与通道高度之比h/l1＝24％、肋宽与肋间距之比l2/l3＝3。在其他可选实施例中，肋的高度与通道高度之比h/l1＝23％、肋宽与肋间距之比l2/l3＝2。
60.进一步的，尾缘区冷却通道6内还设置有扰流柱13和偏劈缝14，扰流柱13交错设置在尾缘区冷却通道6内，从冲击孔8进入尾缘区冷却通道6的冷空气依次通过扰流柱13和偏劈缝14后排出尾缘区冷却通道6。
61.具体的，如图1所示，尾缘区冷却通道6的侧壁上设有沿叶身1的厚度方向布设的扰流柱13，两排扰流柱13沿叶身1弦向间隔布设，并在叶身1的展向相互错开布设。两排扰流柱13沿叶身1弦向间隔布设，并在叶身1的展向相互错开布设形成叉排布设的结构形式。由于叶身1的尾缘区横截面积小，热沉滞性强，也是易发生氧化烧蚀的区域，通过采用叉排扰流柱13以增加冷的流动时间与接触面积，从而有利于叶身1的后缘的冷却。偏劈缝14设置在扰流柱13的右侧，偏劈缝14的设置可更好的对尾缘区进行冷却。
62.进一步的，还包括中弦区气膜孔15。中弦区气膜孔15与中弦区连接，中弦区气膜孔15适于将中弦区冷却通道5内的冷气排出。
63.具体的，如图3所示，在本实施例中，根据气动参数分布，在中弦区冷却通道5不同位置开设中弦区气膜孔15，在将中弦区冷却通道5内的冷气排出的同时，可对叶片外表面进
行热防护。中弦区气膜孔15沿前缘区朝向后缘去的方向倾斜布设，从中弦区冷却通道5内排出的冷气会在叶身1表面形成冷气膜，在一定程度上可对叶片外表面进行热防护。
64.进一步的，还包括：叶冠16。叶冠16设置在叶身1的上端，叶冠16上设置有与进气通道连通的第一叶顶小孔17和与中弦区冷却通道5连通的第二叶顶小孔18。
65.具体的，在图1中，第一叶顶小孔17可将第一进气通道9内的冷风排出叶身1，第二叶顶小孔18可将中弦区冷却通道5内的冷风排出叶身1。同时，从第一叶顶小孔17和第二叶顶小孔18排出的冷风可在叶身1的表面形成冷气膜。
66.具体的，从前缘气膜孔11、中弦区气膜孔15、第一叶顶小孔17和第二叶顶小孔18排出的冷气均可在叶身1的表面形成冷气膜，可对叶片外表面进行热防护。
67.需要说明的是，如图8所示，本发明完成了冷却效果试验研究和相关数值计算，结果表明，在冷气燃气流量比0.016-0.04范围内，相同流量比下，本发明的平均冷却效果要高于其他冷却结构，可以说明在小流量下新型结构效果良好。本发明在流量比0.025下，其平均冷效比其他冷却结构高约30％，对应至发动机叶片实际循环参数，叶片平均壁温降低约48k，这将会大幅度改善叶片强度分布，提高叶片寿命水平。
68.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种涡轮转子叶片冷却结构，其特征在于，包括：叶片本体，包括叶身(1)和叶根(2)，所述叶根(2)设置在所述叶身(1)的底部，所述叶身(1)内具有沿弦向依次设置的前缘区、中弦区和尾缘区，所述前缘区、所述中弦区和所述尾缘区内均设置有至少一个冷却通道；所述叶根(2)上设置与所述冷却通道连通使冷气流入所述冷却通道的进气通道；前缘区冷却通道(4)与所述进气通道之间具有冲击隔板(7)，尾缘区冷却通道(6)与所述进气通道也具有冲击隔板(7)，所述冲击隔板(7)上设置有冲击孔(8)，所述进气通道内的冷空气适于通过所述冲击孔(8)分别进入所述前缘区冷却通道(4)和所述尾缘区冷却通道(6)内，并冲击所述前缘区和所述尾缘区。2.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片冷却结构，其特征在于：所述进气通道包括第一进气通道(9)和第二进气通道(10)，所述第一进气通道(9)设置在所述前缘区，所述第一进气通道(9)通过所述冲击孔(8)与所述前缘区冷却通道(4)连通，所述第二进气通道(10)设置在所述中弦区和所述尾缘区之间，所述第二进气通道(10)分别与中弦区冷却通道(5)和所述尾缘区冷却通道(6)连通，所述第二进气通道(10)通过冲击孔(8)与所述尾缘区冷却通道(6)连通。3.根据权利要求2所述的涡轮转子叶片冷却结构，其特征在于：所述前缘区内设有用于将所述前缘区冷却通道(4)内的冷气排出的前缘气膜孔(11)。4.根据权利要求3所述的涡轮转子叶片冷却结构，其特征在于：所述冲击隔板(7)上的所述冲击孔(8)的总面积与所述前缘区内的所述前缘气膜孔(11)的总面积之比为1.2-2.8：1，以确保冷气流对所述前缘区冷却通道(4)冲击冷却的冲击效果。5.根据权利要求4所述的涡轮转子叶片冷却结构，其特征在于：所述冲击孔(8)沿所述叶根(2)至所述叶身(1)的延伸方向上面积逐渐减小。6.根据权利要求2所述的涡轮转子叶片冷却结构，其特征在于：所述第一进气通道(9)、所述第二进气通道(10)以及所述中弦区冷却通道(5)内具有粗糙肋(12)。7.根据权利要求6所述的涡轮转子叶片冷却结构，其特征在于：所述粗糙肋(12)的肋高值与所述进气通道或所述中弦区冷却通道(5)的通道尺寸值之比大于等于25％，所述粗糙肋(12)的肋宽值与相邻两个所述粗糙肋(12)的肋间距之比为2-4:1。8.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片冷却结构，其特征在于：所述尾缘区冷却通道(6)内还设置有扰流柱(13)和偏劈缝(14)，所述扰流柱(13)交错设置在所述尾缘区冷却通道(6)内，从所述冲击孔(8)进入所述尾缘区冷却通道(6)的冷空气依次通过所述扰流柱(13)和所述偏劈缝(14)后排出所述尾缘区冷却通道(6)。9.根据权利要求1至8任一项所述的涡轮转子叶片冷却结构，其特征在于，还包括：中弦区气膜孔(15)，与所述中弦区连接，所述中弦区气膜孔(15)适于将中弦区冷却通道(5)内的冷气排出。10.根据权利要求9所述的涡轮转子叶片冷却结构，其特征在于，还包括：叶冠(16)，所述叶冠(16)设置在所述叶身(1)的上端，所述叶冠(16)上设置有与进气通
道连通的第一叶顶小孔(17)和与中弦区冷却通道(5)连通的第二叶顶小孔(18)。

技术总结
本发明涉及涡轮转子叶片技术领域，具体涉及一种涡轮转子叶片冷却结构。一种涡轮转子叶片冷却结构，包括：叶片本体，包括叶身和叶根，叶根设置在叶身的底部，叶身内具有沿弦向依次设置的前缘区、中弦区和尾缘区，前缘区、中弦区和尾缘区内均设置有至少一个冷却通道；叶根上设置与冷却通道连通使冷气流入冷却通道的进气通道；前缘区冷却通道与进气通道之间具有冲击隔板，尾缘区冷却通道与进气通道也具有冲击隔板，冲击隔板上设置有冲击孔，进气通道内的冷空气适于通过冲击孔分别进入前缘区冷却通道和尾缘区冷却通道内，冲击前缘区和尾缘区。在冲击隔板上设置冲击孔，可使进气通道内的冷气冲击前缘区和尾缘区，并为前缘区和尾缘区进行降温冷却。行降温冷却。行降温冷却。


技术研发人员：喻雷 潘尚能 赵伟
受保护的技术使用者：中国航发湖南动力机械研究所
技术研发日：2023.02.02
技术公布日：2023/5/16