專利名稱：渦輪葉片中部多孔沖擊加氣膜的組合冷卻結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種渦輪葉片中部多孔沖擊加氣膜的組合冷卻結構，該冷卻結構主要應用在航空發(fā)動機渦輪葉片的中部，可以產生0.7以上的冷卻效果，滿足航空發(fā)動機渦輪葉片冷卻的要求。
技術背景發(fā)動機的最主要性能指標是推重比，隨著人們對發(fā)動機的性能要求不斷提高，對推重比的要求也不斷提高。而提高發(fā)動機的推重比所采用的最有效的手段就是提高渦輪前燃氣溫度。我國預研的推重比IO—級航空發(fā)動機的渦輪前溫度約為1850K 1950K。而目前使用的各種材料在無冷卻的情況下，只能在1300。C左右才能維持其較高的強度指標。在高溫環(huán)境下的渦輪轉子能否安全可靠的工作，主要取決于轉子內各熱部件(渦輪葉片、渦輪盤、軸等)的溫度水平和溫度分布。另外，由于渦輪葉片(工作葉片)在高轉速下工作(轉速可達15000rpm以上)，處于非常高的離心力場當中。在如此惡劣的工作環(huán)境中，要保證葉片正常、可靠、長期的工作，就必須對渦輪葉片進行有效的冷卻，保證葉片本身溫度在工作溫度下，又高的持久強度和抗腐蝕能力，在保證可靠工作的同時盡可能少的使用冷卻氣體。因此，發(fā)明高效的冷卻結構是非常重要，也是非常必要的。目前所設計的常規(guī)渦輪葉片多是在葉片的內部布置各種形狀的肋片，用來增加內部的擾動，來提高換熱效果，而在葉片的外表面常常布置一些直徑較小的氣膜孔，形成全氣膜覆蓋，通過這種方式設計的渦輪葉片，其冷卻效果一般在0.5左右，隨著渦輪前燃氣溫度的提高，這樣的冷卻效果對葉片冷卻來說已經明顯的不夠，所以高效的渦輪冷卻結構的發(fā)明是非常重要和急迫的。 發(fā)明 內 容本發(fā)明的目的在于將沖擊冷卻與氣膜冷卻相結合，提供一種適用于航空發(fā)動機渦 輪葉片的冷卻結構。該冷卻結構為在葉片的外表面布置直徑為1.0mm 1.5mm的 氣膜孔，每排氣膜孔展向的個數為10~15個，在葉片內部氣膜孔的下游區(qū)域布置有 相當于氣膜孔數量2倍的沖擊孔，沖擊孔布置在相對應的氣膜孔的下游7~10倍沖擊 孔直徑的范圍內，且處在兩氣膜孔之間，沖擊孔交錯排列，相鄰兩沖擊孔的流向距離 和展向距離均為沖擊孔直徑的1.2 1.6倍，氣膜孔的直徑為沖擊孔直徑的2~2.5倍, 氣膜孔的展向間距為氣膜孔直徑的4~5倍。本發(fā)明多孔沖擊加氣膜的組合冷卻結構的優(yōu)點在于 (1) 沖擊孔數量為氣膜孔數量的2倍，在葉片內部沖擊孔所對應的位置形成 了大量的沖擊冷卻強化換熱區(qū)域。(2) 氣膜孔與沖擊孔展向、流向均為交錯排列，避免了沖擊孔與氣膜孔的相互 干擾，有利于提高葉片的冷卻效果。(3) 沖擊孔沿葉片展向交錯排列，沖擊冷卻區(qū)域在葉片內部覆蓋的面積較大， 可以有效的提高葉片內部的冷卻。(4) 氣膜孔直徑較大，可以有效的減小流動阻力，同時增大了外表面的氣膜覆 蓋范圍，對提高換熱也十分有利。
圖l是本發(fā)明的葉背結構圖。圖2是本發(fā)明的葉盆結構圖。圖3是沖擊孔與氣膜孔的分布示意圖。圖中 l.氣膜孔 2.沖擊孔具體實施方式
下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。如圖1所示，本發(fā)明是一種應用于航空發(fā)動機渦輪葉片中部的多孔沖擊加氣膜 的組合冷卻結構，它包括氣膜孔與沖擊孔，其特征在于為在葉片的外表面布置直 徑為1.0mm 1.5mm的氣膜孔，每排氣膜孔展向的個數為10~15個，在葉片內部 氣膜孔的下游區(qū)域布置有相當于氣膜孔數量2倍的沖擊孔，沖擊孔直徑為 0.6mm 08mm,沖擊孔布置在相對應的氣膜孔的下游7 ~10倍沖擊孔直徑的范圍 內，且位于兩氣膜孔之間，沖擊孔交錯排列，相鄰的兩個沖擊孔流向的距離與展向的 距離均為沖擊孔直徑的1.2 ~1.6倍，氣膜孔的直徑為沖擊孔直徑的2~ 2.5倍，氣 膜孔的展向間距為氣膜孔直徑的4 ~5倍。圖1是本發(fā)明的冷卻結構應用到葉背上的葉片整體結構圖。圖2是本發(fā)明的冷卻 結構應用到葉盆上的葉片整體結構圖。圖中l(wèi)為氣膜孔，2為沖擊孔，葉盆和葉背的 氣膜孔與沖擊孔的排列方式相同，冷卻氣體從葉片中心腔進入到葉片中，這時在葉片 中心腔處的壓力會高于葉片外表面的壓力，在一定的壓力差的驅動下，冷卻氣體就會 從高壓區(qū)域流向低壓區(qū)域。在本發(fā)明所設計的冷卻結構中，冷卻氣體在壓差的驅動下， 會通過沖擊孔射出，并以一定的速度沖擊到葉片內表面，從而在葉片內表面形成大面 積的沖擊冷卻區(qū)域，該冷卻區(qū)域的冷卻效果是非常高的。然后冷卻氣體沿著葉片內表 面流動，而后從氣膜孔排出，并在葉片外表面形成氣膜覆蓋，用于將熱的燃氣與葉片 隔離開，讓葉片形成一層冷氣的保護膜。圖3為根據本發(fā)明的參數范圍所設計的一種冷卻結構的平面圖，從圖中可以清 楚的看出沖擊孔與氣膜孔的位置關系，沖擊孔布置在相對應的氣膜孔的下游7 -10 倍沖擊孔直徑的范圍內，且位于兩氣膜孔之間，沖擊孔交錯排列，相鄰的兩個沖擊孔 流向的距離與展向的距離均為沖擊孔直徑的1.2 ~1.6倍，氣膜孔的直徑為沖擊孔直 徑的2~ 2.5倍，氣膜孔的展向間距為氣膜孔直徑的4 ~5倍。在本發(fā)明中，沖擊孔直徑0.6 0.8mm，氣膜孔直徑1.0~ 1.5mm。加工時可將 氣膜孔與葉片外表面同時鑄造成型，沖擊孔采用激光打孔的工藝，這樣葉片的加工工 藝筒單，可以大大減小加工成本，并且直接鑄造成型的葉片會有很好的強度，能夠適 應較高熱應力和離心應力。本發(fā)明從傳熱學角度講，不僅提高了整體換熱效果，整體熱應力分布均勻，而且 流動阻力也遠遠低于普通的渦輪葉片，整個通道內壓力損失遠遠低于常規(guī)的渦輪冷卻 葉片。應用上述新型冷卻結構設計的渦輪葉片，經簡化模型實驗和三維數值模擬測試其 換熱性能和流動阻力，整體葉片的平均冷卻效果可以達到0.7以上，且流動阻力明顯 低于常規(guī)的渦輪冷卻葉片，其總壓損失明顯小于普通的內冷葉片，同時氣膜射流帶來 的摻混損失也要小于常規(guī)渦輪葉片。
權利要求
1、一種用于航空發(fā)動機渦輪葉片中部的多孔沖擊加氣膜的組合冷卻結構，它包括氣膜孔(1)與沖擊孔(2)，其特征在于在葉片的外表面布置直徑為1.0mm～1.5mm的氣膜孔(1)，每排氣膜孔展向的個數為10～15個，在葉片內部氣膜孔的下游區(qū)域布置有相當于氣膜孔數量2倍的沖擊孔(2)，沖擊孔直徑0.6mm～0.8mm，沖擊孔布置在相對應的氣膜孔的下游7～10倍沖擊孔直徑的范圍內，且處在兩氣膜孔之間，沖擊孔交錯排列，相鄰兩沖擊孔的流向距離和展向距離均為沖擊孔直徑的1.2～1.6倍，氣膜孔的直徑為沖擊孔直徑的2～2.5倍，氣膜孔的展向間距為氣膜孔直徑的4～5倍。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于航空發(fā)動機渦輪葉片中部的多孔沖擊加氣膜組合冷卻結構，該冷卻結構為在葉片的外表面布置直徑為1.0mm～1.5mm的氣膜孔，每排氣膜孔展向的個數為10～20個，在葉片內部氣膜孔的下游區(qū)域布置有相當于氣膜孔數量2倍的沖擊孔。通過沖擊孔在葉片內部形成大面積的高冷卻區(qū)域，同時葉片外部的氣膜孔形成氣膜保護區(qū)域，來共同達到葉片冷卻的目的。經過三維數值仿真的結果表明，該葉片的冷卻效果可以達到0.7以上，同時由于該冷卻結構的特點，可以明顯的減小氣動損失，并且其流動阻力明顯低于普通的渦輪葉片。
文檔編號F01D5/18GK101126325SQ20071011876
公開日2008年2月20日 申請日期2007年7月13日 優(yōu)先權日2007年7月13日
發(fā)明者丁水汀, 品 呂, 吳宏偉, 孫紀寧, 徐國強, 智 陶 申請人:北京航空航天大學