待冷卻壁體結構、渦輪葉片以及航空發動機的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種待冷卻壁體結構、渦輪葉片以及航空發動機,涉及航空發動機技術領域。解決了現有技術存在待冷卻壁體結構冷卻效率較差的技術問題。該待冷卻壁體結構包括第一層壁、第二層壁、冷流膜孔、展流槽以及間隔體,其中:第一層壁通過間隔體與第二層壁相連接,展流槽至少部分設置在間隔體沿厚度方向投影在第一層壁上的投影區域內,展流槽與至少一個冷流膜孔的出流口相連通。該渦輪葉片以及航空發動機各自均包括本實用新型提供的待冷卻壁體結構。本實用新型用于提高待冷卻壁體結構的冷卻效率和強度。
【專利說明】
待冷卻壁體結構、渦輪葉片以及航空發動機
技術領域
[0001]本實用新型涉及航空發動機技術領域,尤其涉及一種待冷卻壁體結構、設置該待冷卻壁體結構的渦輪葉片以及航空發動機。
【背景技術】
[0002]渦輪是航空發動機的重要組成部分之一。
[0003]為了獲得更好的推進效率,航空發動機渦輪前溫度不斷提高,這使得渦輪葉片面臨著日趨惡劣的工作環境,因此迫切需要發展新型高效的葉片冷卻結構。傳統的渦輪葉片多采用內部沖擊、肋或擾流柱強化內部冷卻和外部氣膜冷卻的復合冷卻結構形式。近年來,逐漸提出將待冷卻壁體結構設計為沖擊加氣膜的雙層壁結構,由于該結構的整體冷卻效果遠高于傳統冷卻形式,因而雙層壁結構逐漸被應用于實際葉片。
[0004]本
【申請人】發現:現有技術至少存在以下技術問題:
[0005]如圖1所示,通常的雙層壁結構是在內壁(也稱內層壁)71布置沖擊孔73,外壁(也稱外層壁)72布置氣膜孔74。氣流從沖擊孔73沖擊到上壁面即外壁72,繼而在兩層壁之間流動很短的距離后即從氣膜孔74流出,這使得冷氣在兩層壁中主要獲得沖擊換熱效果,而對流換熱效果較弱。即使在兩層壁中間布置肋或擾流柱結構來增強擾動,由于冷氣流動距離較短,擾動效果也收益甚微。另外,由于外壁72厚較薄,使得通常雙層壁結構的氣膜孔74均采用基礎圓孔結構。圓孔射流集中,形成的氣膜展向分布不佳,且氣膜孔74出口射流的法向速度較大,形成的氣膜不易較好地貼附壁面。
[0006]此外,為提高氣膜的冷卻的效果,現有技術還提供了一種在渦輪葉片外壁上設置與氣膜孔連通的具有展流功能的凹槽的技術方案,通過凹槽提高氣膜孔流出的氣流的橫向覆蓋效果的方式,改善氣膜分布的均一性,但由于渦輪葉片外壁通常厚度較薄,所以凹槽的深度較淺,未能有效地提高氣流橫向的覆蓋效果,且凹槽的設置會大大地降低渦輪葉片外壁的強度,導致渦輪葉片外壁使用壽命降低。
【實用新型內容】
[0007]本實用新型的至少一個目的是提出一種待冷卻壁體結構、設置該待冷卻壁體結構的渦輪葉片以及航空發動機。至少解決了現有技術存在待冷卻壁體結構冷卻效率較差的技術問題。本實用新型提供的諸多技術方案中的優選技術方案所能產生的諸多技術效果(冷卻效果優良、結構強度高、使用壽命長等)詳見下文闡述。
[0008]為實現上述目的,本實用新型提供了以下技術方案:
[0009]本實用新型提供的待冷卻壁體結構,包括第一層壁、第二層壁、冷流膜孔、展流槽以及所述第一層壁通過間隔體與所述第二層壁相連接,其中:
[0010]所述展流槽至少設置在所述第一層壁上,且所述展流槽與至少一個所述冷流膜孔的出流口相連通;
[0011]所述展流槽至少部分位于所述間隔體沿厚度方向投影在所述第一層壁上的投影區域內。
[0012]由所述冷流膜孔的出流口流入所述展流槽的冷卻流體能沿所述展流槽作展向流動并在流出所述展流槽后形成貼附于所述第一層壁的外表面的冷卻流體膜層。
[0013]作為本實用新型前文或后文提供的任一技術方案或任一優化后技術方案的優化,所述展流槽的數目為兩條以上,且與同一條所述展流槽連通的所述冷流膜孔的數目為兩個以上。
[0014]作為本實用新型前文或后文提供的任一技術方案或任一優化后技術方案的優化,所述展流槽的底部沿其深度方向貫穿所述第一層壁并延伸至所述間隔體內。
[0015]作為本實用新型前文或后文提供的任一技術方案或任一優化后技術方案的優化,所述冷流膜孔的至少部分區段設置在所述間隔體內或設置在所述間隔體與所述第一層壁相連接的位置。
[0016]作為本實用新型前文或后文提供的任一技術方案或任一優化后技術方案的優化,所述展流槽的內壁包括第一壁面以及第二壁面,其中:所述冷流膜孔的出流口位于所述第一壁面上,所述冷卻流體流出所述第二壁面后形成貼附于所述第一層壁的外表面的冷卻流體膜層。
[0017]作為本實用新型前文或后文提供的任一技術方案或任一優化后技術方案的優化,所述第一壁面以及所述第二壁面均為平面,且所述第一壁面與所述第一層壁的外表面或與所述第一層壁的外表面的切面之間存在第一夾角;
[0018]所述第二壁面與所述第一層壁的外表面或與所述第一層壁的外表面的切面之間存在第二夾角,所述第二夾角小于所述第一夾角;
[0019]作為本實用新型前文或后文提供的任一技術方案或任一優化后技術方案的優化,所述第一夾角為直角,和/或,所述第二夾角為15°?60°。
[0020]作為本實用新型前文或后文提供的任一技術方案或任一優化后技術方案的優化,所述冷流膜孔的出流方向與所述第一層壁的外表面或所述第一層壁的外表面的切面之間存在第三夾角,所述第三夾角大于等于所述第二夾角且小于所述第一夾角。
[0021]作為本實用新型前文或后文提供的任一技術方案或任一優化后技術方案的優化,所述第三夾角大于所述第二夾角0°?15°。
[0022]作為本實用新型前文或后文提供的任一技術方案或任一優化后技術方案的優化,所述展流槽的橫截面呈傾斜的V字型。
[0023]作為本實用新型前文或后文提供的任一技術方案或任一優化后技術方案的優化,所述第一層壁、所述第二層壁以及所述間隔體三者之間的冷卻流體腔室與所述冷流膜孔的進流口相連通,所述第二層壁上設置有與所述冷卻流體腔室相連通的沖擊孔,所述沖擊孔的出流方向朝向所述冷卻流體腔室內所述第一層壁遠離所述展流槽的區域。
[0024]作為本實用新型前文或后文提供的任一技術方案或任一優化后技術方案的優化,所述間隔體為能將所述第一層壁與所述第二層壁之間的間隙分隔為若干腔室的隔板或為能使流經的冷卻流體產生擾流的擾流柱。
[0025]作為本實用新型前文或后文提供的任一技術方案或任一優化后技術方案的優化,所述展流槽為直線型或曲線形凹槽,和/或,所述冷流膜孔為圓孔、橢圓孔或多邊形孔。
[0026]作為本實用新型前文或后文提供的任一技術方案或任一優化后技術方案的優化,所述展流槽的長度方向與所述冷流膜孔的出流方向之間的夾角為直角。
[0027]本實用新型提供的渦輪葉片,包括本實用新型任一技術方案提供的待冷卻壁體結構,其中:
[0028]所述第一層壁為渦輪葉片的外層壁,所述第二層壁為所述渦輪葉片的內層壁。
[0029]本實用新型提供的航空發動機,包括本實用新型任一技術方案提供的待冷卻壁體結構或本實用新型任一技術方案提供的渦輪葉片。
[0030]基于上述技術方案,本實用新型實施例至少可以產生如下技術效果:
[0031]由于本實用新型中第一層壁通過間隔體與第二層壁相連接,間隔體(優選為隔板)沿厚度方向投影在第一層壁上的投影區域在整個待冷卻壁體結構(優選為雙層壁結構)中壁厚尺寸最厚,結構強度也最大,故而此時將可以促使冷卻流體作展向流動,進而改善氣膜展向分布的作用的展流槽至少部分設置在間隔體沿厚度方向投影在第一層壁上的投影區域內時,展流槽的深度、長度和寬度尺寸均可以做的更大,由此,不僅可以使冷流膜孔(優選為氣膜孔)的出流口流出的冷卻流體(例如冷氣)在展流槽作更為理想的展向流動,進而確保冷卻流體流出展流槽后形成貼附于第一層壁的外表面的冷卻流體膜層的展向分布更為理想,冷卻效果更好,故而解決了現有技術存在待冷卻壁體結構冷卻效率較差的技術問題。而且由于本實用新型中展流槽對整個待冷卻壁體結構的結構強度的損害較小,所以還具有結構強度高、使用壽命長的優點。
【附圖說明】
[0032]此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解,構成本申請的一部分,本實用新型的示意性實施例及其說明用于解釋本實用新型,并不構成對本實用新型的不當限定。在附圖中:
[0033]圖1為現有技術中雙層壁結構的示意圖;
[0034]圖2為本實用新型實施例1所提供的待冷卻壁體結構的立體結構的示意圖;
[0035]圖3為圖2所示待冷卻壁體結構的主視示意圖;
[0036]圖4為圖3沿A-A線的剖視示意圖;
[0037]圖5為圖3所示待冷卻壁體結構的仰視示意圖;
[0038]圖6為本實用新型實施例2所提供的待冷卻壁體結構的部分區域的示意圖;
[0039]圖7為本實用新型實施例3所提供的待冷卻壁體結構的部分區域的示意圖;
[0040]圖8為本實用新型實施例4所提供的待冷卻壁體結構的部分區域的示意圖;
[0041 ]圖9為本實用新型實施例5所提供的待冷卻壁體結構的部分區域的示意圖;
[0042]圖10為本實用新型實施例6所提供的待冷卻壁體結構的部分區域的示意圖;
[0043]圖11為本實用新型實施例7所提供的待冷卻壁體結構的部分區域的示意圖;
[0044]附圖標記:1、第一層壁;11、第一層壁內表面;2、第二層壁;21、第二層壁外表面;3、冷流膜孔;4、展流槽;41、第一壁面;42、第二壁面;5、間隔體;6、沖擊孔;δ、第一夾角;γ、第二夾角;β、第三夾角;α、夾角;71、內壁;72、外壁;73、沖擊孔;74、氣膜孔;75、隔板。
【具體實施方式】
[0045]下面可以參照附圖圖1?圖11以及文字內容理解本實用新型的內容以及本實用新型與現有技術之間的區別點。
[0046]本實用新型實施例提供了一種結構強度高、冷卻效果理想、結構簡單且便于加工制造的待冷卻壁體結構以及設置該待冷卻壁體結構的渦輪葉片以及航空發動機。
[0047]下面結合圖2?圖11對本實用新型提供的技術方案進行更為詳細的闡述。
[0048]如圖2?圖11所示,本實用新型實施例所提供的待冷卻壁體結構,包括第一層壁1、第二層壁2、冷流膜孔3、展流槽4以及間隔體5,其中:間隔體5起到了同時支撐、連接第一層壁1、第二層壁2的作用。
[0049]第一層壁I通過間隔體5與第二層壁2相連接,展流槽4至少部分設置在間隔體5沿厚度方向投影在第一層壁I上的投影區域內,展流槽4與至少一個冷流膜孔3的出流口相連通;由冷流膜孔3的出流口流入展流槽4的冷卻流體能沿展流槽4作展向流動并在流出展流槽4后形成貼附于第一層壁I的外表面的冷卻流體膜層。
[0050]由于本實用新型中第一層壁I通過間隔體5與第二層壁2相連接,間隔體5(優選為隔板)沿厚度方向投影在第一層壁I上的投影區域在整個待冷卻壁體結構(優選為雙層壁結構)中壁厚尺寸最厚,結構強度也最大,故而此時將可以促使冷卻流體作展向流動,進而改善氣膜展向分布的作用的展流槽4至少部分設置在間隔體5沿厚度方向投影在第一層壁I上的投影區域內時,展流槽4,展流槽4的深度、長度和寬度尺寸均可以做的更大,由此,不僅可以使冷流膜孔3 (優選為氣膜孔3)的出流口流出的冷卻流體(例如冷氣)在展流槽4作更為理想的展向流動,進而確保冷卻流體流出展流槽4后形成貼附于第一層壁I的外表面的冷卻流體膜層的展向分布更為理想,冷卻效果更好。而且由于本實用新型中展流槽4對整個待冷卻壁體結構的結構強度的損害較小,所以還具有結構強度高、使用壽命長的優點。
[0051]作為上述技術方案的可選地實施方式,展流槽4的數目為兩條以上,且與同一條展流槽4連通的冷流膜孔3的數目為兩個以上。展流槽4的數目越多,則形成的冷卻流體膜層的展向分布越理想,冷流膜孔3的數目越多,則展流槽4內冷卻流體的量會越多,所能取得的冷卻效果會越好。但展流槽4的數目過多時會導致第一層壁I乃至整個待冷卻壁體結構的強度降低,故而展流槽4的數目優選為兩條。
[0052]如圖4和圖6所示,作為上述任一技術方案的可選地實施方式,展流槽4的底部沿其深度方向貫穿第一層壁I并延伸至間隔體5內。該結構的展流槽4深度尺寸較大,對冷流膜孔3流出的冷卻流體所能起到的展向作用更為明顯。
[0053]如圖6、圖8、圖9和圖10所示,作為上述任一技術方案的可選地實施方式,冷流膜孔3的至少部分區段設置在間隔體5內或設置在間隔體5與第一層壁I相連接的位置。該位置結構強度較大,設置冷流膜孔3不會對待冷卻壁體結構的結構強度造成較大傷損,而且冷卻流體流出冷流膜孔3的過程中方向變化不多,不會造成較大的流動損失。
[0054]如圖4所示,作為上述任一技術方案的可選地實施方式,展流槽4的內壁包括第一壁面41以及第二壁面42,其中:
[0055]冷流膜孔3的出流口位于第一壁面41上,冷卻流體流出第二壁面42后形成貼附于第一層壁I的外表面的冷卻流體膜層。
[0056]第一壁面41對冷卻流體能起到一定限位作用,由此可以驅使冷卻流體流向第二壁面42并最終形成冷卻流體膜層。
[0057]作為上述任一技術方案的可選地實施方式,第一壁面41以及第二壁面42均為平面,且第一壁面41與第一層壁I的外表面或與第一層壁I的外表面的切面之間存在第一夾角h第一層壁I的外表面或第一層壁I的外表面的切面的延伸方向與燃氣流動方向一致。
[0058]第二壁面42與第一層壁I的外表面或與第一層壁I的外表面的切面之間存在第二夾角γ,第二夾角γ小于第一夾角δ。
[0059]第一壁面41對冷卻流體能起到較好的限位、阻擋作用,驅使冷卻流體以較快的速度流向第二壁面42并最終形成冷卻流體膜層。
[0060]作為上述任一技術方案的可選地實施方式,第一夾角δ為直角,和/或,第二夾角γ為15°?60° ο該結構敞口的開度較大,結構簡單、規則,方便加工制造。
[0061]如圖4和圖5所示,作為上述任一技術方案的可選地實施方式,冷流膜孔3的出流方向與第一層壁I的外表面或第一層壁I的外表面的切面之間存在第三夾角β,第三夾角β大于等于第二夾角γ且小于第一夾角S。
[0062]該結構冷流膜孔3的傾斜角度較大,方便采用鉆孔工藝加工制造冷流膜孔3。
[0063]如圖4和圖5所示,作為上述任一技術方案的可選地實施方式,第三夾角β大于第二夾角γ 0°?15°,優選為大于第二夾角γ 0°。此時冷流膜孔3與第二壁面42之間連接處為平滑過渡,對冷卻流體造成的流動損失較少。
[0064]作為上述任一技術方案的可選地實施方式,展流槽4的橫截面呈傾斜的V字型。該結構構造簡單,規則,方便加工制造。
[0065]作為上述任一技術方案的可選地實施方式,第一層壁1、第二層壁2以及間隔體5三者之間的冷卻流體腔室與冷流膜孔3的進流口相連通,第二層壁2上設置有與冷卻流體腔室相連通的沖擊孔6,沖擊孔6的出流方向朝向冷卻流體腔室內第一層壁I遠離展流槽4的區域。沖擊孔6的出流方向與第二層壁2的內表面或與第二層壁2的內表面的切面之間的夾角α可以為105°?165° ο
[0066]該結構可以使由沖擊孔6流出的冷卻流體在冷卻流體腔室內滯留較長的時間,由此可以帶走更多的熱量,取得更為理想的冷卻效果。
[0067]作為上述任一技術方案的可選地實施方式,間隔體5為能將第一層壁I與第二層壁2之間的間隙分隔為若干(兩個以上)腔室的隔板或為能使流經的冷卻流體產生擾流的擾流柱,優選為隔板。隔板或擾流柱所在的位置第一層壁I的結構強度較大,適宜應用本實用新型以提高產品整體的冷卻效果。
[0068]作為上述任一技術方案的可選地實施方式,展流槽4為如圖2和圖3所示直線型或如圖11所示曲線形凹槽,優選為直線型凹槽,和/或,冷流膜孔3為圓孔、橢圓孔或多邊形孔(多邊形孔包括槽形孔或縫隙孔)。以上結構均具有結構簡單,規則便于加工制造的優點。
[0069]作為上述任一技術方案的可選地實施方式,展流槽4的長度方向與冷流膜孔3的出流方向之間的夾角為直角、鈍角或銳角,優選為直角。該結構的展流槽4可以使冷流膜孔3流出的冷卻流體展向分布更為理想,由此可以形成冷卻效果更為優良的冷卻流體膜層。
[0070]本實用新型實施例提供的渦輪葉片,包括本實用新型任一技術方案提供的待冷卻壁體結構,其中:第一層壁I為渦輪葉片的外層壁,第二層壁2為渦輪葉片的內層壁。渦輪葉片適宜應用本實用新型以提高渦輪葉片的外層壁的冷卻效果和使用壽命。
[0071]本實用新型實施例提供的航空發動機,包括本實用新型任一技術方案提供的待冷卻壁體結構或本實用新型任一技術方案提供的渦輪葉片。航空發動機適宜應用本實用新型以提高渦輪葉片以及火焰筒等結構的冷卻效果和使用壽命。
[0072]最后應當說明的是:以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非對其限制;盡管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細的說明,所屬領域的普通技術人員應當理解:依然可以對本實用新型的【具體實施方式】進行修改或者對部分技術特征進行等同替換;而不脫離本實用新型技術方案的精神,其均應涵蓋在本實用新型請求保護的技術方案范圍當中。
【主權項】
1.一種待冷卻壁體結構,其特征在于,包括第一層壁(I)、第二層壁(2)、冷流膜孔(3)、展流槽(4)以及間隔體(5),其中: 所述第一層壁(I)通過所述間隔體(5)與所述第二層壁(2)相連接,所述展流槽(4)至少部分設置在所述間隔體(5)沿厚度方向投影在所述第一層壁(I)上的投影區域內,所述展流槽(4)與至少一個所述冷流膜孔(3)的出流口相連通。2.根據權利要求1所述的待冷卻壁體結構,其特征在于,所述展流槽(4)的數目為兩條以上,且與同一條所述展流槽(4)連通的所述冷流膜孔(3)的數目為兩個以上。3.根據權利要求1所述的待冷卻壁體結構,其特征在于,所述展流槽(4)的底部沿其深度方向貫穿所述第一層壁(I)并延伸至所述間隔體(5)內。4.根據權利要求1所述的待冷卻壁體結構,其特征在于,所述冷流膜孔(3)的至少部分區段設置在所述間隔體(5)內或設置在所述間隔體(5)與所述第一層壁(I)相連接的位置。5.根據權利要求1一4任一所述的待冷卻壁體結構,其特征在于,所述展流槽⑷的內壁包括第一壁面(41)以及第二壁面(42 ),其中:所述冷流膜孔(3)的出流口位于所述第一壁面(41)上,所述冷卻流體流出所述第二壁面(42)后形成貼附于所述第一層壁(I)的外表面的冷卻流體膜層。6.根據權利要求5所述的待冷卻壁體結構,其特征在于,所述第一壁面(41)以及所述第二壁面(42)均為平面,且所述第一壁面(41)與所述第一層壁(I)的外表面或與所述第一層壁(I)的外表面的切面之間存在第一夾角(δ); 所述第二壁面(42)與所述第一層壁(I)的外表面或與所述第一層壁(I)的外表面的切面之間存在第二夾角(γ ),所述第二夾角(T )小于所述第一夾角W)。7.根據權利要求6所述的待冷卻壁體結構,其特征在于,所述第一夾角(δ)為直角,和/或,所述第二夾角(丫)為15°?60°。8.根據權利要求6所述的待冷卻壁體結構,其特征在于,所述冷流膜孔(3)的出流方向與所述第一層壁(I)的外表面或所述第一層壁(I)的外表面的切面之間存在第三夾角⑴),所述第三夾角(β)大于等于所述第二夾角(T )且小于所述第一夾角W)。9.根據權利要求8所述的待冷卻壁體結構,其特征在于,所述第三夾角(β)大于所述第二夾角(γ)0° ?15°。10.根據權利要求5所述的待冷卻壁體結構,其特征在于,所述展流槽(4)的橫截面呈傾斜的V字型。11.根據權利要求1所述的待冷卻壁體結構,其特征在于,所述第一層壁(I)、所述第二層壁(2)以及所述間隔體(5)三者之間的冷卻流體腔室與所述冷流膜孔(3)的進流口相連通,所述第二層壁(2)上設置有與所述冷卻流體腔室相連通的沖擊孔(6),所述沖擊孔(6)的出流方向朝向所述冷卻流體腔室內所述第一層壁(I)遠離所述展流槽(4)的區域。12.根據權利要求1所述的待冷卻壁體結構,其特征在于,所述間隔體(5)為能將所述第一層壁(I)與所述第二層壁(2)之間的間隙分隔為若干腔室的隔板或為能使流經的冷卻流體產生擾流的擾流柱。13.根據權利要求1所述的待冷卻壁體結構,其特征在于,所述展流槽(4)為直線型或曲線形凹槽,和/或,所述冷流膜孔(3)為圓孔、橢圓孔或多邊形孔。14.根據權利要求1所述的待冷卻壁體結構,其特征在于,所述展流槽(4)的長度方向與所述冷流膜孔(3)的出流方向之間的夾角為直角。15.一種渦輪葉片,其特征在于,包括權利要求1 一 14任一所述的待冷卻壁體結構,其中: 所述第一層壁(I)為渦輪葉片的外層壁,所述第二層壁(2)為所述渦輪葉片的內層壁。16.一種航空發動機,其特征在于,包括權利要求1 一 14任一所述的待冷卻壁體結構或權利要求15所述的渦輪葉片。
【文檔編號】F01D5/18GK205558979SQ201620345260
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月22日
【發明人】駱劍霞, 王曉增, 潘晴
【申請人】中航商用航空發動機有限責任公司