涡轮叶片油气组合冷却结构

1.本发明涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种涡轮叶片油气组合冷却结构。


背景技术：

2.随着涡轮前温度逐年升高，材料已经无法满足耐温要求，需要采用冷却结构对材料进行降温。传统的单一气冷技术和单一油冷技术在面对涡轮叶片冷却问题各有不足。
3.现有技术中高热通量时燃油产生大面积结焦从而堵塞冷却通道，从而造成设备有效工作时长缩短。
4.基于上述技术问题，本领域的技术人员亟需研发一种新型冷却结构，即涡轮叶片油气组合冷却结构。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种可有效满足高温部件在高热流密度下的冷却需求，利用发动机自带的燃油作为冷却介质以减少涡轮叶片对冷气流量的依赖程度，并且冷气作为冷却介质可有效地控制油冷通道的结焦现象和换热不稳定显现的涡轮叶片油气组合冷却结构。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.本发明的一种涡轮叶片油气组合冷却结构，该油气组合冷却结构包括：
8.气冷区域和油冷区域；
9.所述气冷区域包括多个气冷腔室，多个所述气冷腔室围绕所述油冷区域布置；
10.该涡轮叶片的叶盆处开设有径向槽结构，且所述径向槽结构的前壁内侧以及径向槽结构的后壁中侧分别开设有二次射流孔，且该二次射流孔的射流源为涡轮叶片内部的冷却气体。
11.进一步的，多个所述气冷腔室分为：
12.位于所述涡轮叶片的前缘一侧的第一气冷腔室和第二气冷腔室；
13.位于所述涡轮叶片的叶盆处的第三气冷腔室；以及
14.位于所述涡轮叶片的尾缘一侧的第四气冷腔室；
15.所述第一气冷腔室、第二气冷腔室、第三气冷腔室和第四气冷腔室围绕所述油冷区域布置；
16.所述第一气冷腔室和所述第三气冷腔室形成于所述径向槽结构的两侧。
17.进一步的，所述径向槽结构的前壁一侧的二次射流经由所述第一气冷腔室和第二气冷腔室流出；
18.所述径向槽结构的后壁一侧的二次射流经由所述第三气冷腔室和第四气冷腔室流出。
19.进一步的，所述油冷区域设置有8条油冷通道；
20.所述油冷通道为矩形通道，且所述油冷通道的尺寸为3.5mm*4mm。
21.进一步的，所述气冷腔室具有冲击孔，且对应的所述气冷腔室的外侧设置有第一扰流柱。
22.进一步的，所述第二气冷腔室相对于所述冲击孔的位置朝向所述第二气冷腔室内部一侧凸出地设置有第二扰流柱；
23.所述第三气冷腔室相对于所述冲击孔的位置朝向所述第三气冷腔室内部一侧凸出地设置有第二扰流柱。
24.进一步的，所述涡轮叶片的尾缘一端设置有宽度为0.8mm的冷气劈缝出口。
25.在上述技术方案中，本发明提供的一种涡轮叶片油气组合冷却结构，具有以下有益效果：
26.本发明的冷却结构采用油气组合冷却的方式，利用常会气冷的同时，利用发动机自带燃料对涡轮叶片进行冷却，降低冷却使用的冷气流量，并且利用冷却冷气对油冷通道进行热稳定性的调控，从而实现油气组合冷却的稳定进行。
27.本发明的冷却结构可以保证油冷通道具有很宽的安全工作范围，并且采用气冷扰流结构可以大幅提升叶片侧和油冷侧热流密度，增大换热能力，降低冷却空气用量，提高发动机推力。
附图说明
28.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本发明实施例提供的涡轮叶片油气组合冷却结构的物理模型图；
30.图2为本发明实施例提供的涡轮叶片油气组合冷却结构的叶片的主视图；
31.图3为本发明实施例提供的涡轮叶片油气组合冷却结构的叶片的结构示意图；
32.图4为本发明实施例提供的涡轮叶片油气组合冷却结构的叶片前缘的冲击孔的布置图；
33.图5为本发明实施例提供的涡轮叶片油气组合冷却结构的叶背侧冲击扰流结构示意图；
34.图6为本发明实施例提供的涡轮叶片油气组合冷却结构的叶片前缘强化燃油换热的结构示意图；
35.图7为本发明实施例提供的涡轮叶片油气组合冷却结构的油冷通道的布置图；
36.图8为本发明实施例提供的涡轮叶片油气组合冷却结构的冷气流示意图；
37.图9为本发明实施例提供的涡轮叶片油气组合冷却结构的油冷示意图。
38.附图标记说明：
39.10、涡轮叶片；
40.101、第一气冷腔室；102、第二气冷腔室；103、第三气冷腔室；104、第四气冷腔室；105、冷气劈缝出口；106、径向槽结构；107、冷气进口；108、冷气出口；
41.2、油冷区域；
42.201、油冷通道；202、油冷进口；203、油冷出口；
43.3、冲击孔；
44.4、扰流结构；
45.401、第一扰流柱；402、第二扰流柱。
具体实施方式
46.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
47.参见图1～图9所示；
48.本实施例的一种涡轮叶片油气组合冷却结构，该油气组合冷却结构包括：
49.气冷区域和油冷区域2；
50.气冷区域包括多个气冷腔室，多个气冷腔室围绕油冷区域2布置；
51.该涡轮叶片10的叶盆处开设有径向槽结构106，且径向槽结构106的前壁内侧以及径向槽结构106的后壁中侧分别开设有二次射流孔，且该二次射流孔的射流源为涡轮叶片10内部的冷却气体。
52.其中，本实施例的多个气冷腔室分为：
53.位于涡轮叶片10的前缘一侧的第一气冷腔室101和第二气冷腔室102；
54.位于涡轮叶片10的叶盆处的第三气冷腔室103；以及
55.位于涡轮叶片10的尾缘一侧的第四气冷腔室104；
56.第一气冷腔室101、第二气冷腔室102、第三气冷腔室103和第四气冷腔室104围绕油冷区域2布置；
57.第一气冷腔室101和第三气冷腔室103形成于径向槽结构106的两侧。
58.参见图1和图2所示，本实施例以c3x叶片为例，其叶高为76.2mm，叶片栅距为117.3mm。并且在叶盆侧开设有径向槽结构106，其高度为76.2mm。本实施例的冷气也起到了高温燃气掺混的作用。
59.在径向槽结构106的前壁、且距离径向槽结构106的内壁面0.8mm的位置，以及径向槽结构106的后壁、且距离径向槽结构106内壁面6mm的位置分别开设二次射流孔，其射流来源为叶片内部冷却气体。
60.优选的，本市实施例的径向槽结构106的前壁一侧的二次射流经由所述第一气冷腔室101和第二气冷腔室102流出；
61.径向槽结构106的后壁一侧的二次射流经由所述第三气冷腔室103和第四气冷腔室104流出。
62.本实施例的前后壁气冷射流孔均为17个，在流经燃油区域时，经过扰流柱强化换热。
63.本实施例的油冷区域2设置有8条油冷通道201；
64.油冷通道201为矩形通道，且油冷通道201的尺寸为3.5mm*4mm。
65.本实施例的叶片前缘部分采用四组冲击孔3进行冷却，而叶片的叶盆和也被侧则采用冲击和扰流的结合进行冷却。
66.具体为：气冷腔室具有冲击孔3，且对应的气冷腔室的外侧设置有第一扰流柱401。
67.其中，第二气冷腔室102相对于冲击孔3的位置朝向第二气冷腔室102内部一侧凸出地设置有第二扰流柱402；
68.第三气冷腔室103相对于冲击孔3的位置朝向第三气冷腔室103内部一侧凸出地设置有第二扰流柱402。
69.本实施例的涡轮叶片10的尾缘一端设置有宽度为0.8mm的冷气劈缝出口105。
70.本实施例的冷却结构为了保证在主流温度处于818k～1418k范围内油冷通道均能在安全温度下运行，且通过增加叶冷绕流结构答复提升了油冷通道热流密度(30％～62.7％)，并且相对无绕流结构时，气冷侧换热密度增加了三倍；该结构当冷气温度升高(500k～700k)，油冷通道吸热量答复提升，冷却温度为700k时，油冷通道避免仍可持续在对应压力的非典温度之下，冷却效果良好，并且冷气流量增加三倍时，油冷壁温变化在10k以内，双层壁油气组合冷却结构可在较宽裕的冷气流量范围内稳定工作。
71.在上述技术方案中，本发明提供的一种涡轮叶片油气组合冷却结构，具有以下有益效果：
72.本发明的冷却结构采用油气组合冷却的方式，利用常会气冷的同时，利用发动机自带燃料对涡轮叶片进行冷却，降低冷却使用的冷气流量，并且利用冷却冷气对油冷通道进行热稳定性的调控，从而实现油气组合冷却的稳定进行。
73.本发明的冷却结构可以保证油冷通道具有很宽的安全工作范围，并且采用气冷扰流结构可以大幅提升叶片侧和油冷侧热流密度，增大换热能力，降低冷却空气用量，提高发动机推力。
74.以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

技术特征：
1.涡轮叶片油气组合冷却结构，其特征在于，该油气组合冷却结构包括：气冷区域和油冷区域(2)；所述气冷区域包括多个气冷腔室，多个所述气冷腔室围绕所述油冷区域(2)布置；该涡轮叶片(10)的叶盆处开设有径向槽结构(106)，且所述径向槽结构(106)的前壁内侧以及径向槽结构(106)的后壁中侧分别开设有二次射流孔，且该二次射流孔的射流源为涡轮叶片(10)内部的冷却气体。2.根据权利要求1所述的涡轮叶片油气组合冷却结构，其特征在于，多个所述气冷腔室分为：位于所述涡轮叶片(10)的前缘一侧的第一气冷腔室(101)和第二气冷腔室(102)；位于所述涡轮叶片(10)的叶盆处的第三气冷腔室(103)；以及位于所述涡轮叶片(10)的尾缘一侧的第四气冷腔室(104)；所述第一气冷腔室(101)、第二气冷腔室(102)、第三气冷腔室(103)和第四气冷腔室(104)围绕所述油冷区域(2)布置；所述第一气冷腔室(101)和所述第三气冷腔室(103)形成于所述径向槽结构(106)的两侧。3.根据权利要求2所述的涡轮叶片油气组合冷却结构，其特征在于，所述径向槽结构(106)的前壁一侧的二次射流经由所述第一气冷腔室(101)和第二气冷腔室(102)流出；所述径向槽结构(106)的后壁一侧的二次射流经由所述第三气冷腔室(103)和第四气冷腔室(104)流出。4.根据权利要求2所述的涡轮叶片油气组合冷却结构，其特征在于，所述油冷区域(2)设置有8条油冷通道(201)；所述油冷通道(201)为矩形通道，且所述油冷通道(201)的尺寸为3.5mm*4mm。5.根据权利要求4所述的涡轮叶片油气组合冷却结构，其特征在于，所述气冷腔室具有冲击孔(3)，且对应的所述气冷腔室的外侧设置有第一扰流柱(401)。6.根据权利要求5所述的涡轮叶片油气组合冷却结构，其特征在于，所述第二气冷腔室(102)相对于所述冲击孔(3)的位置朝向所述第二气冷腔室(102)内部一侧凸出地设置有第二扰流柱(402)；所述第三气冷腔室(103)相对于所述冲击孔(3)的位置朝向所述第三气冷腔室(103)内部一侧凸出地设置有第二扰流柱(402)。7.根据权利要求1所述的涡轮叶片油气组合冷却结构，其特征在于，所述涡轮叶片(10)的尾缘一端设置有宽度为0.8mm的冷气劈缝出口(105)。

技术总结
本发明公开了一种涡轮叶片油气组合冷却结构，包括气冷区域和油冷区域；气冷区域包括多个气冷腔室，多个气冷腔室围绕油冷区域布置；该涡轮叶片的叶盆处开设有径向槽结构，且径向槽结构的前壁内侧以及径向槽结构的后壁中侧分别开设有二次射流孔，且该二次射流孔的射流源为涡轮叶片内部的冷却气体。本发明的冷却结构采用油气组合冷却的方式，利用常会气冷的同时，利用发动机自带燃料对涡轮叶片进行冷却，降低冷却使用的冷气流量，并且利用冷却冷气对油冷通道进行热稳定性的调控，从而实现油气组合冷却的稳定进行。气组合冷却的稳定进行。气组合冷却的稳定进行。


技术研发人员：程泽源 朱剑琴 张恒 卿黎明 陶智
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/7/12