葉片葉尖沖擊冷卻結構以及航空發動機渦輪轉子的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種葉片葉尖沖擊冷卻結構以及航空發動機渦輪轉子，涉及航空發動機技術領域。解決了現有技術存在葉片的葉頂端面冷卻效果較差的技術問題。該葉片葉尖沖擊冷卻結構包括貫穿或出流口朝向葉片的葉頂端面的冷卻氣流通道，冷卻氣流通道的進流口與葉片的內部空腔相連通，且從冷卻氣流通道的出流口流出的冷卻氣流能在葉片的葉頂端面形成冷卻氣膜。該航空發動機渦輪轉子包括葉片以及本實用新型提供的葉片葉尖沖擊冷卻結構。本實用新型用于提高葉片葉頂端面的冷卻效果。
【專利說明】
葉片葉尖沖擊冷卻結構以及航空發動機渦輪轉子
技術領域
[0001]本實用新型涉及航空發動機技術領域，尤其涉及一種葉片葉尖沖擊冷卻結構以及設置該葉片葉尖沖擊冷卻結構的航空發動機渦輪轉子。
【背景技術】
[0002]航空發動機采用高溫高壓燃氣推動渦輪做功以提供動力。渦輪葉片一直面對著高溫高壓燃氣，工作環境十分惡劣，因此必須對渦輪葉片進行有效地冷卻以降低葉片表面溫度，延長使用壽命。
[0003]通常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，但是諸多的冷卻結構多是布置于葉身位置，對于轉子葉片葉尖區域則鮮有較為有效的冷卻結構形式。
[0004]本
【申請人】發現:現有技術至少存在以下技術問題:
[0005]如圖1一圖4所示，現有技術中的渦輪轉子葉片I多采用凹槽狀的葉尖結構，而對于該葉尖區域的冷卻僅依靠葉片I的壓力面靠近葉尖位置處的氣膜孔5噴出冷卻氣流(簡稱:冷氣)實現。氣膜孔5的冷氣從氣膜孔5噴出后沿著壓力面I向下游流動且隨著轉子轉動會越過葉頂到達葉頂端面(或稱:葉頂壁面)2上方區域，在此過程中冷氣與燃氣發生劇烈摻混作用，冷卻效果較差。
【實用新型內容】
[0006]本實用新型的至少一個目的是提出一種葉片葉尖沖擊冷卻結構以及設置該葉片葉尖沖擊冷卻結構的航空發動機渦輪轉子，解決了現有技術存在葉片的葉頂端面冷卻效果較差的技術問題。
[0007]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]本實用新型提供的葉片葉尖沖擊冷卻結構，包括貫穿或出流口朝向葉片的葉頂端面的冷卻氣流通道，其中:
[0010]所述冷卻氣流通道的進流口與葉片的內部空腔相連通，且從所述冷卻氣流通道的出流口流出的冷卻氣流能在所述葉片的葉頂端面形成冷卻氣膜。
[0011]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，所述冷卻氣流通道包括凹槽以及與所述凹槽相連通的沖擊孔。
[0012]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，所述凹槽位于所述葉片的壓力面的葉頂外壁與所述葉頂端面的連接處。
[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，所述凹槽設置在所述葉頂端面上且其外端口形成所述冷卻氣流通道的出流口 ；所述沖擊孔的進流口與所述葉片的內部空腔相連通，所述沖擊孔的出流口與所述凹槽相連通。
[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，所述葉片的壓力面設置有氣膜孔，所述氣膜孔的進流口與所述凹槽相連通，所述氣膜孔的出流口位于所述葉片的壓力面上。
[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，所述沖擊孔與所述氣膜孔為同軸孔。
[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，所述凹槽的內壁面與所述葉頂端面的連接處設置有倒角或圓角。
[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，所述凹槽的寬度尺寸或所述凹槽與所述葉片的內部空腔之間的分隔壁的厚度尺寸與所述葉片的壓力面的葉頂外壁的厚度尺寸的比值為0.8?1.2;和/或，所述凹槽的深度尺寸與所述葉片的壓力面的葉頂外壁的厚度尺寸的比值為1.5?3。
[0018]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，所述沖擊孔的出流方向與所述葉片的壓力面的法向方向之間的夾角為0°?60°。
[0019]本實用新型實施例提供航空發動機渦輪轉子，包括葉片以及本實用新型任一技術方案提供的葉片葉尖沖擊冷卻結構。
[0020]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:
[0021]由于本實用新型中葉片的內部空腔內的冷卻氣流可以通過冷卻氣流通道后直接在葉片的葉頂端面形成冷卻氣膜，該冷卻氣膜相對于現有技術中從氣膜孔噴出后沿著壓力面向下流動的冷卻氣流在葉頂端面上方而成的冷卻氣膜而言，本實用新型形成的冷卻氣膜溫度更低，更貼近葉頂端面，且不易與燃氣發生劇烈摻混，所以冷卻效果更強，由此解決了現有技術存在葉片的葉頂端面冷卻效果較差的技術問題。
【附圖說明】
[0022]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:
[0023]圖1為現有技術提供的渦輪葉片的整體結構的示意圖；
[0024]圖2為圖1所示渦輪葉片的一張平面示意圖；
[0025]圖3為圖2所示渦輪葉片沿A-A線的剖視示意圖；
[0026]圖4為圖3的A部分的放大示意圖；
[0027]圖5為本實用新型實施例一種實施方式所提供的葉片葉尖的立體結構的示意圖；
[0028]圖6為圖5所示葉片葉尖的局部剖視示意圖；
[0029]圖7為本實用新型實施例另一種實施方式所提供的葉片葉尖的局部剖視示意圖；
[0030]圖8為本實用新型實施例再一種實施方式所提供的葉片葉尖的局部剖視示意圖；
[0031]圖9為本實用新型實施例又一種實施方式所提供的葉片葉尖的局部剖視示意圖；
[0032]附圖標記:1、葉片;2、葉頂端面;3、葉片內腔壁面;4、葉片內腔壁面;5、氣膜孔;6、冷卻氣流通道;61、沖擊孔;62、凹槽;621、凹槽內壁面;622、凹槽內壁面;623、凹槽內壁面。
【具體實施方式】
[0033]下面可以參照附圖圖1?圖9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。
[0034]本實用新型實施例提供了一種冷卻效果理想，方便加工制造的葉片葉尖沖擊冷卻結構以及設置該葉片葉尖沖擊冷卻結構的航空發動機渦輪轉子。
[0035]下面結合圖5?圖9對本實用新型提供的技術方案進行更為詳細的闡述。
[0036]如圖5?圖9所示，本實用新型實施例所提供的葉片葉尖沖擊冷卻結構，包括貫穿或出流口朝向葉片I的葉頂端面2的冷卻氣流通道6，其中:圖5 — 8中冷卻氣流通道6貫穿葉片I的葉頂端面2。圖9中冷卻氣流通道6的出流口朝向葉片I的葉頂端面2。
[0037]冷卻氣流通道6的進流口與葉片I的內部空腔相連通，且從冷卻氣流通道6的出流口流出的冷卻氣流能在葉片I的葉頂端面2形成冷卻氣膜。
[0038]由于本實用新型中葉片I的內部空腔內的冷卻氣流可以通過冷卻氣流通道6后直接在葉片I的葉頂端面2形成冷卻氣膜，該冷卻氣膜相對于現有技術中從氣膜孔5噴出后沿著壓力面向下流動的冷卻氣流在葉頂端面2上方而成的冷卻氣膜而言，本實用新型形成的冷卻氣膜溫度更低，更貼近葉頂端面2，且不易與燃氣發生劇烈摻混，所以冷卻效果更強。
[0039]作為可選地實施方式，如圖5所示冷卻氣流通道6包括如圖6所示凹槽(或稱:中間凹槽)62以及與凹槽62相連通的沖擊孔61。凹槽62以及沖擊孔61相結合而形成的冷卻氣流通道6結構簡單，方便加工、制造。凹槽62的出流口在從葉片的前緣至尾緣的方向上可以是不連續的。沖擊孔61在從葉片的前緣至尾緣的方向上可以分布有多個，且多個沖擊孔61可以沿從葉片的前緣至尾緣的方向互相連通。
[0040]如圖6所示，作為可選地實施方式，凹槽62位于葉片I的壓力面的葉頂外壁與葉頂端面2的連接處。在該位置設置凹槽62不僅加工位置容易快速確定，加工精度高，而且此處連接強度較高，設置凹槽62對葉片I的強度損失較小。
[0041 ]作為可選地實施方式，凹槽62設置在葉頂端面2上且其外端口形成冷卻氣流通道6的出流口；沖擊孔61的進流口與葉片I的內部空腔相連通，沖擊孔61的出流口與凹槽62相連通。凹槽62有利于冷卻氣流擴散，由凹槽62的外端口流出的氣流可以形成覆蓋面積大，各處厚度均勻且更貼近葉頂端面2的冷卻氣膜，由此可以起到更為理想的冷卻效果。
[0042]葉片I內部的冷卻氣流從沖擊孔61流出沖擊到凹槽62壁面，在此沖擊過程中進行了高效的沖擊換熱，繼而冷卻氣流在凹槽62內流動，與兩側固體壁面進行換熱，同時，凹槽62內的冷卻氣流可從凹槽62上方溢出，對葉頂端面2形成有效的氣膜覆蓋。
[0043]與現有技術相比，本實用新型使得葉尖冷卻氣流與固體壁面之間換熱面積增大，換熱系數增強，且冷卻氣流在葉頂的覆蓋區域增加，多方面因素綜合使得本實用新型的葉尖冷卻結構有著非常高的冷卻效率，能有效地降低葉尖區域的溫度。
[0044]作為可選地實施方式，葉片I的壓力面設置有氣膜孔5，氣膜孔5的進流口與凹槽62相連通，氣膜孔5的出流口位于葉片I的壓力面上。由該氣膜孔5流出的冷卻氣流可以在葉片I的壓力面上形成冷卻氣膜，由此可以對葉片I的壓力面進行冷卻，同時，由葉片I的壓力面向下流動的冷卻氣流還可以在葉頂端面2上方也形成冷卻氣膜，由此可以實現對葉頂端面2的雙重冷卻。
[0045]凹槽62由凹槽內壁面621、凹槽內壁面622和凹槽內壁面623三個面共同構成，凹槽62是在鑄造葉型時同步鑄造實現。
[0046]沖擊孔61通過機械加工而成。在葉片I外表面進行打孔定位，通過鉆孔技術向葉片I內部打孔(該孔為定位孔)，穿過內壁面622之后向前到達凹槽內壁面623，繼續向內直至打透葉片I內腔壁面4，形成沖擊孔61。
[0047]作為可選地實施方式，沖擊孔61與氣膜孔5為同軸孔。同軸孔的結構方便采用同一鉆頭快速加工制造，而且同軸孔對流經的氣流造成的氣動損失較少。
[0048]如圖8所示，作為可選地實施方式，凹槽62的內壁面與葉頂端面2的連接處設置有倒角或圓角。倒角或圓角不僅可以減少氣動損失，而且對經過的冷卻氣流可以起到一定的導向作用，由此有利于冷卻氣流在葉頂端面2上形成冷卻效果較為理想的冷卻氣膜。
[0049]本實用新型在渦輪轉子葉片葉尖沖擊冷卻結構中，優選為對凹槽內壁面623與葉頂端面2連接處的直角邊棱進行導圓處理，這樣凹槽62內冷氣在向后流動時更易流出凹槽62進而更好的覆蓋葉頂端面2。
[0050]如圖7所示，作為可選地實施方式，凹槽62的寬度尺寸S或凹槽62與葉片I的內部空腔之間的分隔壁的厚度尺寸C與葉片I的壓力面的葉頂外壁的厚度尺寸B的比值為0.8?
1.2;和/或，凹槽62的深度尺寸H與葉片I的壓力面的葉頂外壁的厚度尺寸B的比值為1.5?3 ο上述尺寸比例不僅可以形成冷卻效果較為理想的冷卻氣流通道6，而且可以確保葉片I葉尖的結構強度可以滿足葉片I工作的需要。
[0051]作為可選地實施方式，沖擊孔61的出流方向與葉片I的壓力面的法向方向(葉片I外表面垂直方向)之間的夾角α為0°?60°。該夾角太大時，不利于從從沖擊孔61流出的冷卻氣流在葉頂端面2形成貼近葉頂端面2的冷卻氣膜，夾角太小時，葉頂外壁對冷卻氣流造成的氣動損失太大，這會減慢冷卻氣膜的形成速度，降低冷卻效率。
[0052]本實用新型實施例提供的航空發動機渦輪轉子，包括葉片I以及本實用新型任一技術方案提供的葉片葉尖沖擊冷卻結構。
[0053]航空發動機渦輪轉子工作于高溫高壓燃氣環境中，適宜采用本實用新型以實現對葉片I葉尖的有效冷卻，進而提高航空發動機渦輪轉子的可靠性和使用壽命。
[0054]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】
1.一種葉片葉尖沖擊冷卻結構，其特征在于，包括貫穿或出流口朝向葉片(I)的葉頂端面(2)的冷卻氣流通道(6)，其中: 所述冷卻氣流通道(6)的進流口與葉片(I)的內部空腔相連通，且從所述冷卻氣流通道(6)的出流口流出的冷卻氣流能在所述葉片(I)的葉頂端面(2)形成冷卻氣膜。2.根據權利要求1所述的葉片葉尖沖擊冷卻結構，其特征在于，所述冷卻氣流通道(6)包括凹槽(62)以及與所述凹槽(62)相連通的沖擊孔(61)。3.根據權利要求2所述的葉片葉尖沖擊冷卻結構，其特征在于，所述凹槽(62)位于所述葉片(I)的壓力面的葉頂外壁與所述葉頂端面(2)的連接處。4.根據權利要求2所述的葉片葉尖沖擊冷卻結構，其特征在于，所述凹槽(62)設置在所述葉頂端面(2)上且其外端口形成所述冷卻氣流通道(6)的出流口；所述沖擊孔(61)的進流口與所述葉片(I)的內部空腔相連通，所述沖擊孔(61)的出流口與所述凹槽(62)相連通。5.根據權利要求4所述的葉片葉尖沖擊冷卻結構，其特征在于，所述葉片(I)的壓力面設置有氣膜孔(5)，所述氣膜孔(5)的進流口與所述凹槽(62)相連通，所述氣膜孔(5)的出流口位于所述葉片(I)的壓力面上。6.根據權利要求5所述的葉片葉尖沖擊冷卻結構，其特征在于，所述沖擊孔(61)與所述氣膜孔(5)為同軸孔。7.根據權利要求4所述的葉片葉尖沖擊冷卻結構，其特征在于，所述凹槽(62)的內壁面與所述葉頂端面(2)的連接處設置有倒角或圓角。8.根據權利要求4所述的葉片葉尖沖擊冷卻結構，其特征在于，所述凹槽(62)的寬度尺寸(S)或所述凹槽(62)與所述葉片(I)的內部空腔之間的分隔壁的厚度尺寸(C)與所述葉片(I)的壓力面的葉頂外壁的厚度尺寸(B)的比值為0.8?1.2;和/或，所述凹槽(62)的深度尺寸(H)與所述葉片(I)的壓力面的葉頂外壁的厚度尺寸(B)的比值為1.5?3。9.根據權利要求2所述的葉片葉尖沖擊冷卻結構，其特征在于，所述沖擊孔(61)的出流方向與所述葉片(I)的壓力面的法向方向之間的夾角(α)為0°?60°。10.—種航空發動機渦輪轉子，其特征在于，包括葉片(I)以及權利要求1一 9任一所述的葉片葉尖沖擊冷卻結構。
【文檔編號】F01D5/18GK205618204SQ201620459116
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年5月19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