一種在吸力面具有臺階縫冷卻結構的渦輪導葉的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于航空發動機高溫部件的新型冷卻結構，特別涉及適用于渦輪導向器葉片的冷卻結構。該結構在對渦輪導向器葉片具有較好的冷卻性能的基礎上，同時在氣動性能上也有比傳統光滑的葉片外形具有更高的氣動效率，采用這種冷卻氣動結構的燃氣渦輪發動機渦輪導向器葉片能夠在冷卻性能和氣動性能上比常規的葉片具有較大的性能優勢。
【背景技術】
[0002]渦輪葉片是航空發動機的重要熱端部件，尤其是導向器葉片直接承受燃燒室出口高溫燃氣的沖刷。目前先進發動的渦輪前進口溫度已經達到2000K左右，比壓氣機渦輪葉片金屬材料的熔點高400K，可見冷卻設計的重要性和迫切性。先進的冷卻可使高溫部件承受更高的溫度，使發動機的壽命更長、可靠性更高。
[0003]傳統的渦輪葉片的冷卻方式大都采用氣膜冷卻的方式來進行，氣膜冷卻是由壁面上的噴口噴出一股冷卻氣流，在表面形成一層冷氣膜，來阻隔主燃氣對壁面的加熱，同時還可以阻隔熱燃氣對固體材料的腐蝕。由于具有很高的冷卻效果，氣膜冷卻在燃氣輪機渦輪葉片的冷卻上得到了廣泛的應用。如何更有效的組織氣膜冷卻，減少冷氣消耗，提高冷卻效果，一直是設計者關注的重要問題。經過研究發現，影響氣膜冷卻效果的一個重要幾何因素是氣膜孔的傾角，正因為氣膜孔的出流傾角的存在，使得出流的冷卻氣流存在著垂直于冷卻壁面的速度分量，該速度分量會和來流的高溫燃氣摻混時產生馬蹄形的流動渦，流動渦會使得冷氣和高溫燃氣快速地摻混，從而使冷氣變成摻混后的溫度升高的混合氣，該混合氣對高溫壁面的冷卻效果要大大低于冷氣的效果，因此該渦流存在使得出流冷氣的冷卻能力大大下降。要想提高氣膜冷卻的冷卻效果，就需要減少這種馬蹄渦，這可以通過改變冷氣的出流傾角來實現，提高冷氣對高溫壁面的覆蓋，減少和燃氣的摻混，提高冷氣的冷卻效率。現有的氣膜孔由于要從冷氣腔中通過壁面上的冷卻孔出流到高溫壁面外部，則必須通過在高溫壁面上的一定孔徑的孔才能流出，也就意味著采用這種結構必然會使得氣膜出流存在著垂直于高溫壁面法向方向的流動，從而一定會產生造成冷卻和燃氣摻混的馬蹄渦，使得冷氣的冷卻效果下降。為了改變這種流動結構的產生，避免出現垂直于冷卻壁面法向流動的出現，本發明提出了一種新型的冷卻氣的流動冷卻結構，該冷卻結構的幾何型式為冷氣從冷氣腔中的出流方向是以和葉片的軸向方向與葉片表面相切的方向，通過葉片內外層的搭接縫之間流出的結構，這種結構使冷氣的出流方向和需要保護的高溫壁面表面是平行的，這樣就可以大大抑制馬蹄渦的產生，使冷氣能夠較為長久地覆蓋在葉片表面，從而獲得比較好的冷卻效果。同時這種結構的冷氣出流由于和高溫的主流燃氣的流動方向一致，又由于冷氣的壓力要高于主流燃氣的壓力，因此當冷氣出流到主流燃氣中時會帶入較多高能量的流體，通過實驗和計算表面，在合適的出流結構以及冷氣和主流的吹風比條件下，由于注入高能量的氣流，這種出流結構不但不會因為冷氣的出流產生損失，而且還可以比沒有冷氣出流的時候減少流動損失，從而在提高了渦輪冷卻效果的條件下，還保證了渦輪的整體氣動性能不至于降低，因此這種結構是能夠同時保證冷卻效果和氣動效率的葉型。由于燃氣在渦輪的吸力面都始終保持的是正壓力梯度，因此冷氣的出流縫的相對寬度需保持在較小的范圍就可以保證冷卻氣膜在葉片表面很好的覆蓋，通過研究，冷卻氣膜出流縫的寬度在和冷氣和燃氣的吹風比以及燃氣雷諾數定義的一定范圍內可同時獲得較好的冷卻性能和氣動性能
【發明內容】
[0004]本發明的目的是為了提供一種能夠同時兼顧渦輪葉片冷卻性能和氣動性能的一種渦輪導葉結構，該結構能使渦輪導葉同時具有較高的冷卻性能和氣動性能。該結構也適用于航空發動機以及燃氣渦輪機的渦輪導向器葉片的冷卻結構。該冷卻結構包括葉片基體
(1)、冷氣出流縫(2)、連接肋(3)、以及位于葉片基體(I)上的外片(5)和內片(6)構成。其特征在于:出流縫(2)是由位于葉片基體(I)的外片(5)和內片(6)構成的，由外片(5)和內片
(6)在葉片表面外形上構成了一個臺階式的氣動外形。該冷卻結構可以位于葉片吸力面(渦輪葉片的葉背)的前緣段(7)，該段位于第一腔隔板(8)和葉片前緣駐點(4)之間的葉片吸力面上，同時該冷卻結構也布置于葉片吸力面中部段(10)上，該段位于葉片吸力面第一冷氣腔(13)隔板(8)和第二冷氣腔(14)隔板(9)之間的位置上。該冷卻結構的出流縫(2)中，葉片基體(I)的外片(5)和內片(6)之間在葉片高度上可布置有3?10個連接肋(3)進行連接，且保證有兩條連接肋分別分布于葉片頂端(11)和葉片根部(12)上。連接肋(3)在葉片徑向高度方向的長度為0.5mm?5mm之間，出流縫⑵的縫寬為(S)。其中位于吸力面前緣的出流縫
(2)縫寬(S)計算式為:S= 7.64/(M Re*3.82)，位于吸力面中部的出流縫(2)縫寬計算式為:S= 6.35/(M Re*3.82)，這兩式中，S表示出流縫(2)寬，M為冷氣和高溫燃氣(15)的吹風比，Re為高溫燃氣(15)雷諾數。，
[0005]本發明的階梯式的縫出流冷卻結構的優點在于:(I)該結構的幾何型式均是狹長的窄縫，可葉片徑向高度上獲得更為均勻出流的冷卻效果；(2)該階梯式的縫出流結構在出流方向為葉片當地表面的切線方向，沒有壁面法向方向的速度分量，可抑制冷氣出流時形成馬蹄渦，使冷氣更好地在葉片表面形成均勻一致的覆蓋氣膜，從而可獲得更高的冷卻效率；(3)采用葉片表面縫出流的冷卻結構，可使具有較高出流動量的冷氣切向加入到主流燃氣中時，不但不會降低葉片的氣動損失，還會使得葉片的氣動損失減少，使得葉片兼具有較高的冷卻性能和氣動性能；(4)該階梯式的縫出流冷卻結構的連接肋是采用焊接形成的，使得葉片在制造上可以采用多片式焊接工藝，使得葉片制造工藝難度降低。在維修的時候，可通過僅僅拆除損壞的葉片片段，打磨掉焊點，然后重新焊接上新的葉片片段，這樣使得葉片的維修工藝也更為簡單方便。
【附圖說明】
[0006]圖1葉片整體結構示意圖和縫結構局部放大圖
[0007]圖2葉片剖視圖及局部放大圖
[0008]圖中:1.葉片基體2.氣膜縫3.連接肋4.前緣駐點
[0009]5.外片6.內片7.前緣段8.第一腔隔板
[0010]9.第二腔隔板10.中部段 11.葉片頂端12.葉片底端
[0011]13.第一冷氣腔 14.第二冷氣腔15.高溫氣流
【具體實施方式】
[0012]下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
[0013]參照圖1、2所示，本發明是一種適用于燃氣渦輪發動機渦輪導向器葉片的新型氣膜冷卻結構。該新型氣膜冷卻結構最大特征在于采用階梯式縫出流的冷卻結構取代常規氣膜冷卻孔。該階梯式縫出流結構是由位于葉片基體(I)的外片(5)和內片(6)構成的，由外片
(5)和內片(6)在葉片表面外形上構成了一個臺階式的氣動外形。該階梯式縫結構可布置在渦輪葉片吸力面的前緣段(7)和中部段(10)上。該冷卻結構的出流縫(2)中，葉片基體(I)的外片(5)和內片(6)之間在葉片高度上可布置有3?10個連接肋(3)進行連接。且保證有兩條連接肋分別分布于葉片頂端(11)和葉片根部(12)上。連接肋(3)在葉片徑向高度方向的長度為0.5mm?5mm之間，出流縫(2)的縫寬為(S)。其中位于吸力面前緣的出流縫(2)縫寬(S)計算式為:S = 7.64/(M Re*3.82)，位于吸力面中部的出流縫(2)縫寬計算式為:S = 6.35/(MRe*3.82)，這兩式中，S表示出流縫(2)寬，M為冷氣和高溫燃氣(15)的吹風比，Re為高溫燃氣
(15)雷諾數。，
[0014]冷卻氣從第一冷氣腔(13)或第二冷氣腔(14)中流出，通過連接肋(3)后，從出流縫
(2)切向流出葉片表面，形成切向射流，很好地覆蓋住葉片壁面，沿橫向形成連續均勻的冷卻氣膜，將來流的高溫燃氣(15)與葉片隔離，避免了高溫燃氣(15)對葉表的燒蝕，提高了葉片的冷卻效果。同時，通過出流縫(2)切向出流形成縫氣膜比常規氣膜孔形成的氣膜更加穩定，避免了冷氣與高溫氣體過早地摻混，從而提高冷卻氣膜覆蓋面積，獲得更高的冷卻效率;切向的冷卻氣出流使得動量更大的冷卻氣加入到高溫燃氣(I 5)中時，還可使葉片的氣動損失降低，使得葉片的氣動性能提高;階梯式的出流縫結構使得葉片的制造可采用多片拼接式結構，可以簡化制造和維修工藝。
【主權項】
1.一種用于航空發動機渦輪導葉的新型縫氣膜冷卻結構，該冷卻結構包括葉片基體(1)、冷氣出流縫(2)、連接肋(3)、以及位于葉片基體(I)上的外片(5)和內片(6)構成。其特征在于:出流縫(2)是由位于葉片基體(I)的外片(5)和內片(6)構成的，由外片(5)和內片(6)在葉片表面外形上構成了一個臺階式的氣動外形。該冷卻結構可以位于葉片吸力面(渦輪葉片的葉背)的前緣段(7)，該段位于第一腔隔板(8)和葉片前緣駐點(4)之間的葉片吸力面上，同時該冷卻結構也布置于葉片吸力面中部段(10)上，該段位于葉片吸力面第一冷氣腔(13)隔板(8)和第二冷氣腔(14)隔板(9)之間的位置上。該冷卻結構的出流縫(2)中，葉片基體(I)的外片(5)和內片(6)之間在葉片高度上可布置有3?10個連接肋(3)進行連接，且保證有兩條連接肋分別分布于葉片頂端(11)和葉片根部(12)上。連接肋(3)在葉片徑向高度方向的長度為0.5mm?5mm之間，出流縫⑵的縫寬為(S)。其中位于吸力面前緣的出流縫(2)縫寬(S)計算式為:S= 7.64/(M Re*3.82)，位于吸力面中部的出流縫(2)縫寬計算式為:S= 6.35/(M Re*3.82)，這兩式中，S表示出流縫(2)寬，M為冷氣和高溫燃氣(15)的吹風比，Re為高溫燃氣(15)雷諾數。2.一種燃氣輪機，具有如權利要求1所述的渦輪葉片。
【專利摘要】本發明公開了一種用于航空發動機和燃氣輪機渦輪導葉的新型縫氣膜冷卻結構。該冷卻結構包括葉片基體、氣膜縫、連接肋及階梯面，其特征在于：由在葉片吸力面基體上的內片和外片以及連接肋構成的階梯狀的縫氣膜出流結構，可以使得冷卻氣沿葉片表面的切向方向出流。該新型葉片的這種冷卻出流結構能在葉片表面形成均勻一致的冷卻氣膜，出流氣膜具有更強的平穩性，并且減弱了出流冷氣的渦流作用，冷卻氣膜覆蓋面積大，冷卻效率高，同時由于切向與高溫主流摻混，還可使得葉片的氣動損失降低，使得葉片兼具高冷效和高效氣動性能。同時該結構還可使得葉片可用連片式結構來制造，可簡化葉片的加工和維修工藝。
【IPC分類】F01D25/12, F01D9/02
【公開號】CN105649682
【申請號】
【發明人】陶智, 郭文, 吳宏, 李育隆, 容誠鈞, 蘇云亮, 呼艷麗, 潘炳華
【申請人】北京航空航天大學, 中國燃氣渦輪院
【公開日】2016年6月8日
【申請日】2016年1月13日