CN106703899A - 高压涡轮转子叶片前缘冲击冷却结构及具有其的发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压涡轮转子叶片前缘冲击冷却结构及具有其的发动机，涉及发动机技术领域。所述高压涡轮转子叶片前缘冲击冷却结构的叶片前缘(1)设置有冲击腔，所述冲击腔在叶片的高度方向被分割为多个相互独立的单元冲击腔(2)。所述发动机上的转子叶片包含如上所述的高压涡轮转子叶片前缘冲击冷却结构。本发明的优点在于：本发明的高压涡轮转子叶片前缘冲击冷却结构将原有的整体式冲击腔分割为多个单元冲击腔，每个单元冲击腔上均设置有单独的冲击孔及气膜孔，实现了叶片前缘不同区域冷气的独立控制，提高了冷气利用率，有利于提高发动机的性能；同时提高了叶片使用安全性，降低了叶片整体失效的风险。

Description

高压涡轮转子叶片前缘冲击冷却结构及具有其的发动机

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，具体涉及一种高压涡轮转子叶片前缘冲击冷却结构及具有其的发动机。

背景技术

高压涡轮转子叶片长时间工作在高温、高压的环境中，环境恶劣，负荷大，特别是叶片前缘位置，是整个叶片热负荷最高的区域。设计时通常会在叶片前缘设计独立的冲击腔，通过冲击孔的高速射流对叶片前缘进行单独的冲击冷却，而后冷气经过前缘上设置的气膜孔流到叶片表面对叶片形成气膜保护。即使采用了单独的冲击加气膜复合冷却结构，叶片前缘位置仍是叶片热负荷最高的区域，一旦发生烧蚀形成缺口，大量的冷气将从缺口位置泄露，打乱整个叶片的冷气分配，造成叶片整体失效。

在现有设计中，叶片前缘冲击腔一般设计为一个整体。从冷却技术角度分析，该设计存在两方面的不足。一是，冲击腔为一个整体腔时不利与冷气的精细化调整。由于燃气温度沿叶高方向有温度梯度，每一部分需要的冷却强度不同，温度高的区域需要冷气多，温度低的区域适当减少冷气，整体腔无法实现冷气的独立控制。二是，一旦叶片前缘发生烧蚀形成缺口，大量的冷气将从缺口位置泄露，打乱整个叶片的冷气分配，造成叶片整体失效。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压涡轮转子叶片前缘冲击冷却结构及具有其的发动机，实现叶片前缘不同区域冷气的独立控制，提高冷气利用率，提高叶片使用安全性，降低叶片整体失效风险，以解决或至少减轻背景技术中所存在的至少一处的问题。

本发明采用的技术方案是：提供一种高压涡轮转子叶片前缘冲击冷却结构，叶片前缘设置有冲击腔，所述冲击腔在叶片的高度方向被分割为多个相互独立的单元冲击腔。

优选地，所述单元冲击腔的侧壁包含靠近尾缘方向的第一侧壁和远离尾缘方向的第二侧壁，所述第一侧壁上设置有冲击孔，所述冲击孔的轴线垂直于所在第一侧壁；所述第二侧壁上设置有气膜孔，所述气膜孔的轴线在叶片的高度方向与所在第二侧壁形成一夹角。

优选地，每个所述单元冲击腔上设置有多个冲击孔，多个所述冲击孔在叶片的高度方向依次设置；每个所述单元冲击腔上设置有多个气膜孔，多个所述气膜孔在叶片的高度方向依次设置。

优选地，每个所述单元冲击腔在叶片高度方向的同一截面内设置有多个气膜孔，所述多个气膜孔中任意2个气膜孔的轴线形成一夹角，任意两个气膜孔在远离单元冲击腔的一端的距离大于靠近单元冲击腔的一端的距离。

优选地，所述单元冲击腔在垂直于叶片高度方向的截面设置为单向收缩截面，所述单向收缩截面是指：该截面自所述冲击孔所在第一侧面向所述气膜孔所在第二侧面逐渐收缩。

优选地，所述冲击腔通过隔肋分隔为多个单元冲击腔，所述隔肋与所述冲击腔的侧壁一体成型。

优选地，所述冲击腔通过隔肋分隔为多个单元冲击腔，所述隔肋以可拆卸方式安装在所述冲击腔内。

优选地，所述冲击腔的内侧壁上设置有多个隔肋安装部，多个所述隔肋安装部在叶片的高度方向均布设置。

优选地，所述冲击孔设置为锥形孔，所述锥形孔的小端开口朝向叶片前缘的内侧壁。

本发明还提供了一种发动机，所述发动机上的转子叶片包含如上所述的高压涡轮转子叶片前缘冲击冷却结构。

本发明的有益效果在于：本发明的高压涡轮转子叶片前缘冲击冷却结构将原有的整体式冲击腔分割为多个单元冲击腔，每个单元冲击腔上均设置有单独的冲击孔及气膜孔，实现了叶片前缘不同区域冷气的独立控制，提高了冷气利用率，有利于提高发动机的性能；同时提高了叶片使用安全性，降低了叶片整体失效的风险。

附图说明

图1是本发明一实施例的高压涡轮转子叶片前缘冲击冷却结构的示意图。

图2是图1所示的高压涡轮转子叶片前缘冲击冷却结构在叶片高度方向的截面示意图。

其中，1-叶片前缘，2-单元冲击腔，21-第一侧壁，22-第二侧壁，23-冲击孔，24-气膜孔，3-隔肋。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1、图2所示，一种高压涡轮转子叶片前缘冲击冷却结构，叶片前缘1设置有冲击腔，所述冲击腔在叶片的高度方向被分割为多个相互独立的单元冲击腔2。在本实施例中，所述冲击腔被分隔为3个独立的单元冲击腔，相比现有技术中的整体式冲击腔，本发明将整体式冲击腔分割为3个单元冲击腔2，各单元冲击腔2独立供气。实际工程应用中将前缘原本独立的一体型芯分割为三段即可实现本例中的多腔结构，工艺难度低。实现了叶片前缘1不同区域冷气的独立控制，提高了冷气利用率，有利于提高发动机的性能；在实现多腔独立供气的同时也直接降低了叶片的使用风险。现有技术的原结构下叶片发生烧蚀形成缺口时，整个前腔的冷气会从缺口位置大量流失，导致前缘其他区域冷气不足，最终使叶片发生整体失效；本发明将一体化冲击腔分割为多个独立的单元冲击腔2，当叶片前缘腔发生烧蚀时，冷气的泄露区域仅局限在单个单元冲击腔2对应的位置。最大冷气泄露量取决于单元冲击腔2的面积，这在一定程度上降低了缺口对其它单元冲击腔冷气供给的影响，提高了叶片使用安全性，降低了叶片整体失效的风险。

在本实施例中，单元冲击腔2的侧壁包含靠近尾缘方向的第一侧壁21和远离尾缘方向的第二侧壁22，第一侧壁21上设置有冲击孔23，冲击孔23的轴线垂直于所在第一侧壁21；第二侧壁22上设置有气膜孔24，气膜孔24的轴线在叶片的高度方向与所在第二侧壁22形成一夹角。冷气通过冲击孔23可以直接冲击在第二侧壁22的内表面上，冷气进入单元冲击腔2内部后，通过气膜孔24从单元冲击腔2内部流出，流到叶片表面对叶片形成气膜保护。每个单元冲击腔2上均设置有单独的冲击孔23及气膜孔24，更具叶片在高度方向上的温度梯度，可以单独控制单元冲击腔2上冲击孔23的冷气流量，实现叶片不同区域的精细化控制，提高冷气的利用率，更好的控制叶片的表面温度，提高发动机的性能。

在本实施例中，每个单元冲击腔2上设置有多个冲击孔23，多个冲击孔23在叶片的高度方向依次设置；每个单元冲击腔2上设置有多个气膜孔24，多个气膜孔24在叶片的高度方向依次设置。可以理解的是，多个冲击孔23的直径大小可以根据实际需求设定，多个冲击孔23的孔径大小可以相同，也可以不同；同样，多个气膜孔24的孔径大小可以相同，也可以不同。冲击孔23与气膜孔24在叶片高度方向的相对位置也可以根据实际情况设定没在本实施例中，冲击孔23的轴线落在两个气膜孔24之间，其优点在于，冷气经冲击孔23进气单元冲击腔2后，不会直接从气膜孔24流出，而会在单元冲击腔2的内表面形成气流流动，有利于维持单元冲击腔2内的气流温度，避免形成死腔。

在本实施例中，每个单元冲击腔2在叶片高度方向的同一截面内设置有多个气膜孔24，多个气膜孔中任意2个气膜孔的轴线形成一夹角，任意两个气膜孔在远离单元冲击腔2的一端的距离大于靠近单元冲击腔2的一端的距离。其优点在于，有利于冷气的扩散，在叶片前缘的外表面形成更大范围的冷气膜。

在本实施例中，单元冲击腔2在垂直于叶片高度方向的截面设置为单向收缩截面，所述单向收缩截面是指：该截面自冲击孔23所在第一侧面向气膜孔24所在第二侧面逐渐收缩，其优点在于，有利于加速冷气的流速，对第二侧面形成冲击，冷却效果更好。

在本实施例中，所述冲击腔通过隔肋3分隔为多个单元冲击腔2，隔肋3与冲击腔的侧壁一体成型，结构简单，加工方便。可以理解的是，隔肋3与冲击腔的结构还可以根据实际情况设定。例如，在一个备选实施例中，冲击腔通过隔肋3分隔为多个单元冲击腔2，隔肋3以可拆卸方式安装在冲击腔内，其优点在于，可以实现隔肋的更换及位置的控制，实现单元冲击腔2的大小的控制；可以理解的是，在上述备选实施例中，所述冲击腔的内侧壁上可以设置有多个隔肋安装部，多个所述隔肋安装部在叶片的高度方向均布设置，其优点在于，通过选在不同的隔肋安装部，隔肋可以安装在不同的位置，从而实现单元冲击腔2大小的调节。

在本实施例中，冲击孔23设置为圆柱形孔，可以理解的是，所述冲击孔23还可以设置为锥形孔，且锥形孔的小端开口朝向叶片前缘的内侧壁，其优点在于，可以提高冷气流的速度，提高冷却效果。

本发明还提供了一种发动机，所述发动机上的转子叶片包含如上所述的高压涡轮转子叶片前缘冲击冷却结构。该结构可以有效降低叶片前缘的表面温度，根据在叶片高度方向的不同区域，实现精细化控制，减少了冷气流的损失，提高了冷却效率，降低了叶片前腔发生整体失效的风险，改善了叶片的安全性，进而提高了发动机的性能。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.高压涡轮转子叶片前缘冲击冷却结构，叶片前缘(1)设置有冲击腔，其特征在于：

所述冲击腔在叶片的高度方向被分割为多个相互独立的单元冲击腔(2)。

2.如权利要求1所述的高压涡轮转子叶片前缘冲击冷却结构，其特征在于：所述单元冲击腔(2)的侧壁包含靠近尾缘方向的第一侧壁(21)和远离尾缘方向的第二侧壁(22)，所述第一侧壁(21)上设置有冲击孔(23)，所述冲击孔(23)的轴线垂直于所在第一侧壁(21)；所述第二侧壁(22)上设置有气膜孔(24)，所述气膜孔(24)的轴线在叶片的高度方向与所在第二侧壁(22)形成一夹角。

3.如权利要求2所述的高压涡轮转子叶片前缘冲击冷却结构，其特征在于：每个所述单元冲击腔(2)上设置有多个冲击孔(23)，多个所述冲击孔(23)在叶片的高度方向依次设置；每个所述单元冲击腔(2)上设置有多个气膜孔(24)，多个所述气膜孔(24)在叶片的高度方向依次设置。

4.如权利要求3所述的高压涡轮转子叶片前缘冲击冷却结构，其特征在于：每个所述单元冲击腔(2)在叶片高度方向的同一截面内设置有多个气膜孔(24)，所述多个气膜孔(24)中任意2个气膜孔的轴线形成一夹角，任意两个气膜孔(24)在远离单元冲击腔(2)的一端的距离大于靠近单元冲击腔(2)的一端的距离。

5.如权利要求4所述的高压涡轮转子叶片前缘冲击冷却结构，其特征在于，所述单元冲击腔(2)在垂直于叶片高度方向的截面设置为单向收缩截面，所述单向收缩截面是指：该截面自所述冲击孔所在第一侧面向所述气膜孔所在第二侧面逐渐收缩。

6.如权利要求5所述的高压涡轮转子叶片前缘冲击冷却结构，其特征在于：所述冲击腔通过隔肋(3)分隔为多个单元冲击腔(2)，所述隔肋(3)与所述冲击腔的侧壁一体成型。

7.如权利要求5所述的高压涡轮转子叶片前缘冲击冷却结构，其特征在于：所述冲击腔通过隔肋分隔为多个单元冲击腔，所述隔肋以可拆卸方式安装在所述冲击腔内。

8.如权利要求7所述的高压涡轮转子叶片前缘冲击冷却结构，其特征在于：所述冲击腔的内侧壁上设置有多个隔肋安装部，多个所述隔肋安装部在叶片的高度方向均布设置。

9.如权利要求6或8所述的高压涡轮转子叶片前缘冲击冷却结构，其特征在于：所述冲击孔设置为锥形孔，所述锥形孔的小端开口朝向叶片前缘的内侧壁。

10.一种发动机，其特征在于：所述发动机上的转子叶片包含如权利要求9所述的高压涡轮转子叶片前缘冲击冷却结构。