專利名稱：渦輪葉片前緣沉槽肋內(nèi)冷結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)尤其是陸用重型燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)，具體而言，是一種應(yīng)用于渦輪葉片前緣部位的沉槽肋內(nèi)冷結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)是一種將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的先進(jìn)的動(dòng)力機(jī)械，提高其能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)主要途徑就是提升渦輪前燃?xì)鉁囟?，但這也導(dǎo)致高溫渦輪部件的工作環(huán)境日益惡化。目前先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪前燃?xì)鉁囟瘸^了 1500°C，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于渦輪材料的熔化溫度，為了保證燃?xì)廨啓C(jī)安全、可靠、長(zhǎng)期的工作，就必須對(duì)其高溫渦輪部件進(jìn)行有效的冷卻。其中渦輪葉片的冷卻至關(guān)重要，因?yàn)樗苯映惺苤邷厝細(xì)獾臒釠_擊負(fù)荷，而且渦輪轉(zhuǎn)子葉片工作在高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，還受到極大的離心力作用，故此迫切需要采取更加先進(jìn)的冷 卻技術(shù)、發(fā)明簡(jiǎn)單高效的冷卻結(jié)構(gòu)來降低渦輪葉片的溫度水平并使其溫度梯度控制在合理的范圍之內(nèi)。渦輪葉片的冷卻技術(shù)可以分為內(nèi)部對(duì)流換熱和外部氣膜冷卻兩大類。氣冷渦輪葉片通常為中空結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部形成冷卻通道，冷卻氣體沿通道流動(dòng)的過程中經(jīng)由對(duì)流換熱作用從葉片內(nèi)壁面吸收熱量并降低其溫度。為了增強(qiáng)對(duì)流換熱效果，葉片內(nèi)壁面上常設(shè)置各種形式的湍流器，如肋片、擾流柱和凹槽/凹坑等，以增加對(duì)冷卻氣流的擾動(dòng)。此外，還在葉片上開設(shè)不同結(jié)構(gòu)和疏密程度的氣膜孔，使葉片內(nèi)部的冷卻氣體通過氣膜孔覆蓋于葉片的外壁面上，從而將高溫燃?xì)馀c葉片外壁面隔離開以減少兩者間的傳熱。這種外部冷卻技術(shù)所能得到的冷卻效果顯著優(yōu)于內(nèi)部冷卻技術(shù)，已經(jīng)被現(xiàn)代高性能燃?xì)廨啓C(jī)所廣為采用，但其同樣存在著無法克服的幾個(gè)缺點(diǎn)其一是冷卻氣體流到葉片外部對(duì)高溫燃?xì)庠斐刹焕绊?，既產(chǎn)生了摻混損失又降低了燃?xì)鉁囟?，難以保證渦輪葉片原始?xì)鈩?dòng)型面的設(shè)計(jì)性能，從而降低了燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率及其輸出功的大??；其二是氣冷渦輪葉片自身就是一種形狀極不規(guī)則的空心薄壁零件，再在其上開設(shè)氣膜孔使得制造難度大為增加，導(dǎo)致葉片的加工工藝復(fù)雜、成品率低、成本高；其三是氣膜孔很容易被煙塵等固體顆粒物堵塞，導(dǎo)致葉片反因得不到足夠的冷卻而燒毀，使得燃?xì)廨啓C(jī)不宜長(zhǎng)時(shí)間工作于較臟的近地面大氣環(huán)境中，對(duì)燃用重油、水煤漿等其它非航空燃料的陸用重型燃?xì)廨啓C(jī)而言也是比較危險(xiǎn)的，在使用過程中必須經(jīng)常對(duì)渦輪葉片進(jìn)行清潔和維護(hù)?；谏鲜鲈?，先進(jìn)的渦輪葉片內(nèi)部冷卻技術(shù)在提高燃?xì)廨啓C(jī)渦輪進(jìn)口溫度的過程中仍將發(fā)揮重要的作用，發(fā)明高效的渦輪葉片內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)非常必要。由于渦輪葉片的前緣部位直接承受高溫燃?xì)獾臎_擊，其熱負(fù)荷最高，因此該部位冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)始終是一個(gè)難點(diǎn)，但是只有葉片前緣得到了有效的冷卻才有助于提高渦輪進(jìn)口溫度，進(jìn)而提升燃?xì)廨啓C(jī)的整機(jī)性能。
發(fā)明內(nèi)容為了克服燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片現(xiàn)有內(nèi)部冷卻技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種適用于葉片前緣部位的沉槽肋內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)綜合應(yīng)用了凹槽和肋片兩項(xiàng)強(qiáng)化冷卻措施，它不僅能夠使葉片前緣得到更好的冷卻效果，而且將冷卻結(jié)構(gòu)與葉片的設(shè)計(jì)融為一體，使渦輪葉片的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔并在保證其強(qiáng)度的情況下有效減輕其重量。一種渦輪葉片的前緣沉槽肋內(nèi)冷結(jié)構(gòu)，該渦輪葉片的轉(zhuǎn)子葉片具有蛇形通道式內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向葉片具有插件沖擊式內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)，插件前端具有沖擊孔；其特征在于上述轉(zhuǎn)子葉片的前緣內(nèi)壁面沿葉高方向具有沉槽結(jié)構(gòu)，在沉槽結(jié)構(gòu)內(nèi)垂直葉高方向平行分布有若干弧形肋；上述導(dǎo)向葉片的前緣內(nèi)壁面沿葉高方向具有沉槽結(jié)構(gòu)，在沉槽結(jié)構(gòu)內(nèi)垂直葉高方向平行分布有若干弧形肋；插件上的沖擊孔與弧形肋交錯(cuò)排列。所述渦輪葉片的前緣沉槽肋內(nèi)冷結(jié)構(gòu)的前緣冷卻方法，其特征在于包括以下過程轉(zhuǎn)子葉片前緣內(nèi)壁面的沉槽結(jié)構(gòu)使得前緣壁厚較其它部位明顯減薄，減小了葉片內(nèi)部冷卻空氣與外部高溫燃?xì)庵g的距離；弧形肋保持葉片前緣在減薄之后具有足夠的強(qiáng)度，又能加強(qiáng)對(duì)冷卻氣流的擾動(dòng)、擴(kuò)展其換熱面積，加強(qiáng)了冷卻效果；轉(zhuǎn)子葉片前緣內(nèi)壁面的沉槽結(jié)構(gòu)使得前緣壁厚較其它部位明顯減薄，減小了葉片內(nèi)部冷卻空氣與外部高溫燃?xì)庵g 的距離；弧形肋保持葉片前緣在減薄之后具有足夠的強(qiáng)度，又能加強(qiáng)對(duì)冷卻氣流的擾動(dòng)、擴(kuò)展其換熱面積，加強(qiáng)了冷卻效果；插件上的沖擊孔與弧形肋交錯(cuò)排列，能夠起到更好的冷卻效果。本發(fā)明是基于如下思路來解決其技術(shù)問題并達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的渦輪葉片的前緣通常較其它部位的厚度更大，因?yàn)樗枰惺茏「邷馗咚偃細(xì)獾闹苯記_擊，特別是對(duì)于渦輪轉(zhuǎn)子葉片還必須抵抗高速旋轉(zhuǎn)帶來的巨大的離心力。然而傳統(tǒng)的內(nèi)部強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)只是考慮了在葉片內(nèi)壁面上簡(jiǎn)單的增設(shè)肋片等擾流元，葉片本身不僅沒有多少改變，甚至使其壁面的厚度不減反增，導(dǎo)致強(qiáng)化換熱的效果減弱。故此本發(fā)明借鑒凹槽結(jié)構(gòu)的基本概念，但是將其擴(kuò)展成面積較大的沉槽結(jié)構(gòu)，使葉片前緣整體變薄。不可避免的，這會(huì)導(dǎo)致葉片前緣強(qiáng)度的減弱，為此可以在沉槽內(nèi)設(shè)置一些肋片來起加強(qiáng)筋的作用，使葉片前緣仍然能夠保持足夠的強(qiáng)度，而且這些肋片也可同時(shí)起到增強(qiáng)換熱的作用。由此最終形成了沉槽肋內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本發(fā)明的有益效果是(I)實(shí)現(xiàn)了冷卻結(jié)構(gòu)與葉片一體化的設(shè)計(jì)理念，將兩者緊密的結(jié)合起來，也即是冷卻結(jié)構(gòu)成為了葉片本體不可缺少的組成部分，而非附屬物。(2)渦輪葉片前緣沉槽肋冷卻結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)的內(nèi)冷結(jié)構(gòu)具有更好的冷卻效果，能夠有效降低葉片前緣的溫度，加強(qiáng)葉片工作的安全性，延長(zhǎng)其使用壽命，有利于進(jìn)一步提高燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪進(jìn)口溫度。(3)該冷卻結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，使渦輪葉片易于制造加工，同時(shí)亦可減輕葉片的重量，減少耐高溫合金的使用量，因而降低了其生產(chǎn)成本；(4)該冷卻結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有內(nèi)冷渦輪葉片的改進(jìn)設(shè)計(jì)中易于推廣使用而無需作過多的調(diào)整。應(yīng)用說明本發(fā)明既可以用于渦輪轉(zhuǎn)子葉片，也可以用于渦輪導(dǎo)向葉片。上述的渦輪葉片的前緣沉槽肋內(nèi)冷結(jié)構(gòu)，其特征在于上述弧形肋的頂部平齊于或高于葉片臨近前緣其他部位的內(nèi)側(cè)壁面。上述的渦輪葉片的前緣沉槽肋內(nèi)冷結(jié)構(gòu)，其特征在于上述弧形肋之間的間距與弧形肋高度之比在7 15之間。[0016]上述的渦輪葉片的前緣沉槽肋內(nèi)冷結(jié)構(gòu)，其特征在于上述弧形肋的截面形狀為矩形，或方形，或梯形，或三角形，或半圓形。

圖I是某燃?xì)廨啓C(jī)高壓渦輪部件的結(jié)構(gòu)圖及其中氣流的流動(dòng)示意圖；圖2是渦輪轉(zhuǎn)子葉片的四流程蛇形通道式內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)剖視圖；圖3是渦輪轉(zhuǎn)子葉片前緣部位沉槽肋冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖；圖4是渦輪轉(zhuǎn)子葉片前緣部位橫截面圖，即圖3中的A-A剖面；圖5是渦輪導(dǎo)向葉片的總體造型圖；圖6是渦輪導(dǎo)向葉片的橫流式內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)局部剖視圖；圖7是渦輪導(dǎo)向葉片的橫截面圖，即圖6中的B-B剖面；圖8是渦輪導(dǎo)向葉片前緣部位沉槽肋冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖；圖9是渦輪導(dǎo)向葉片前緣部位橫截面圖，即圖8中的C-C剖面；圖中1.渦輪軸線；2.封嚴(yán)環(huán)套；3.通氣孔；4.冷卻空氣；5.渦輪葉柵進(jìn)口 ；6.燃?xì)鉁u輪導(dǎo)向葉片；8.靜葉冷氣出流；9.渦輪機(jī)匣；10.渦輪轉(zhuǎn)子葉片；11.動(dòng)葉內(nèi)冷氣流；12.輪緣冷氣出流；13.動(dòng)葉輪轂；14.渦輪盤；15.渦輪盤腔；16.榫頭引氣通道；17.動(dòng)葉榫頭；18.動(dòng)葉前緣；19.前隔板；20.中隔板；21.動(dòng)葉葉頂；22.動(dòng)葉尾緣；23.后隔板；24.靜葉內(nèi)緣板；25.靜葉前緣；26.靜葉外緣板；27.尾緣劈縫；28.插件；29.沖擊孔；30.插件內(nèi)腔；31.沖擊腔；32.吸力側(cè)冷氣通道；33.壓力側(cè)冷氣通道；34.弧形肋。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。圖I顯示出該燃?xì)廨啓C(jī)高壓渦輪部件的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向葉片7和轉(zhuǎn)子葉片10是其中的兩大重要組成部分。高溫燃?xì)?通過高壓渦輪部件的進(jìn)口 5進(jìn)入葉柵通道，葉柵通道由導(dǎo)向葉片、轉(zhuǎn)子葉片、渦輪機(jī)匣9、動(dòng)葉輪轂13、靜葉內(nèi)緣板24和外緣板26等的壁面圍繞而成。導(dǎo)向葉片將燃?xì)獾臒崮苻D(zhuǎn)化為其動(dòng)能并調(diào)整至合適的角度沖擊到下游的轉(zhuǎn)子葉片上，轉(zhuǎn)子葉片則從燃?xì)庵刑崛?dòng)能高速旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子葉片通過其葉根榫頭17固定于渦輪盤14上，因此轉(zhuǎn)子葉片帶動(dòng)渦輪盤繞軸線I (即燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)軸中心線)旋轉(zhuǎn)。為了對(duì)高溫渦輪部件進(jìn)行冷卻，從燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)部件引出冷卻空氣4至渦輪部件。冷卻空氣分為兩股，一股通過導(dǎo)向葉片內(nèi)緣板上的開口進(jìn)入葉片內(nèi)部進(jìn)行冷卻，另一股則通過封嚴(yán)環(huán)套2上開設(shè)的通氣孔3進(jìn)入渦輪盤腔15中，在撞擊到渦輪盤表面后折流向盤腔外緣并沿程冷卻渦輪盤，然后大部分冷氣經(jīng)由動(dòng)葉榫頭17上設(shè)置的引氣通道16進(jìn)入轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)部并對(duì)其進(jìn)行冷卻，剩下的少量未進(jìn)入轉(zhuǎn)子葉片的冷氣12則通過動(dòng)葉輪轂13上的氣膜孔流入葉柵通道與燃?xì)鈸交?，籍此?duì)動(dòng)葉輪轂進(jìn)行冷卻。轉(zhuǎn)子葉片10采用的是常規(guī)的蛇形通道式內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)，如圖2所示，葉片內(nèi)腔被前隔板19、中隔板20和后隔板23三個(gè)隔板分隔成首尾貫通的四流程蛇形通道。冷卻空氣4通過榫頭17上的引氣通道16進(jìn)入轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)部，在流過蛇形通道的同時(shí)對(duì)其進(jìn)行對(duì)流換熱。圖3和圖4顯示出在該轉(zhuǎn)子葉片的前緣部位18設(shè)置沉槽肋內(nèi)冷結(jié)構(gòu)的方法將葉片前緣的內(nèi)側(cè)壁面整體下沉一深度h，從而使該部位的葉片壁厚較其它部位明顯減?。辉谒纬傻那熬壋敛蹆?nèi)設(shè)置一組等間距排列的平行弧形肋34，肋的寬度為b、高度為e、間距為p，這樣既能保持葉片前緣在減薄之后具有足夠的強(qiáng)度，又能加強(qiáng)對(duì)冷卻氣流的擾動(dòng)、擴(kuò)展其換熱面積。為使葉片前緣得到更好的冷卻效果，應(yīng)合理設(shè)定沉槽肋的結(jié)構(gòu)參數(shù)p/e的取值范圍在7 15之間，肋片頂部與葉片內(nèi)側(cè)相鄰壁面間的高度差S=e-h>0。本實(shí)施例中沉槽肋采用的是矩形肋(即肋片的截面為矩形)，實(shí)際應(yīng)用中也可采用其它的異形肋，如方形肋、梯形肋、三角形肋、半圓形肋、V形肋、斜肋和間斷肋等等。導(dǎo)向葉片7則采用了靜葉中常見的橫流式內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)，該葉片的總體造型及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分別如圖5、圖6和圖7所示，它由內(nèi)緣板24、葉身和外緣板26三部分組成，葉片內(nèi)腔被插件28分隔成兩部分。冷卻空氣4先從葉片下方的進(jìn)氣口流入插件內(nèi)腔30，然后通過插件28上的沖擊孔29噴射進(jìn)插件前方的沖擊腔31并撞擊到葉片前緣25的 內(nèi)側(cè)壁面形成沖擊冷卻，隨后冷卻氣流向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)，分別流入插件28與葉片內(nèi)壁面包夾而成的吸力側(cè)冷氣通道32和壓力側(cè)冷氣通道33中，兩股氣流再次在插件后方的葉片尾緣腔體內(nèi)匯合，冷卻空氣最后從導(dǎo)向葉片的尾緣劈縫27排入渦輪葉柵通道與燃?xì)鈸交?。在這種內(nèi)冷結(jié)構(gòu)的渦輪導(dǎo)向葉片前緣部位也可以采用沉槽肋冷卻結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)方法與前述轉(zhuǎn)子葉片的基本相同，如圖8和圖9所示，并且沉槽肋強(qiáng)化換熱技術(shù)與沖擊冷卻技術(shù)的結(jié)合能夠使葉片的前緣部位得到更好的冷卻，但是為了使這種復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻效果達(dá)到最佳，必須特別注意弧形肋34與沖擊孔29間的相對(duì)位置關(guān)系沖擊孔的中心位于兩相鄰肋片之間時(shí)優(yōu)于沖擊孔中心與肋片相對(duì)應(yīng)的情況，也即是說，沖擊孔與肋片按錯(cuò)排方式布置優(yōu)于按順排方式布置。
權(quán)利要求1.一種渦輪葉片的前緣沉槽肋內(nèi)冷結(jié)構(gòu)，該渦輪葉片的轉(zhuǎn)子葉片(10)具有蛇形通道式內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向葉片(7)具有插件沖擊式內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)，插件(28)前端具有沖擊孔(29)； 其特征在于 上述轉(zhuǎn)子葉片(10)的前緣內(nèi)壁面沿葉高方向具有沉槽結(jié)構(gòu)，在沉槽結(jié)構(gòu)內(nèi)垂直葉高方向平行分布有若干弧形肋(34)； 上述導(dǎo)向葉片(7)的前緣內(nèi)壁面沿葉高方向具有沉槽結(jié)構(gòu)，在沉槽結(jié)構(gòu)內(nèi)垂直葉高方向平行分布有若干弧形肋(34);插件(28)上的沖擊孔(29)與弧形肋(34)交錯(cuò)排列。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的渦輪葉片的前緣沉槽肋內(nèi)冷結(jié)構(gòu)，其特征在于上述弧形肋 (34 )的頂部平齊于或高于葉片臨近前緣其他部位的內(nèi)側(cè)壁面。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的渦輪葉片的前緣沉槽肋內(nèi)冷結(jié)構(gòu)，其特征在于上述弧形肋(34)之間的間距與弧形肋高度之比在7 15之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的渦輪葉片的前緣沉槽肋內(nèi)冷結(jié)構(gòu)，其特征在于上述弧形肋(34)為等間距布置。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的渦輪葉片的前緣沉槽肋內(nèi)冷結(jié)構(gòu)，其特征在于上述弧形肋(34)的截面形狀為矩形，或方形，或梯形，或三角形，或半圓形。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種渦輪葉片前緣沉槽肋內(nèi)冷結(jié)構(gòu)，屬于渦輪葉片的內(nèi)部冷卻技術(shù)領(lǐng)域。上述轉(zhuǎn)子葉片(10)的前緣內(nèi)壁面沿葉高方向具有沉槽結(jié)構(gòu)，在沉槽結(jié)構(gòu)內(nèi)垂直葉高方向平行分布有若干弧形肋(34)；上述導(dǎo)向葉片(7)的前緣內(nèi)壁面沿葉高方向具有沉槽結(jié)構(gòu)，在沉槽結(jié)構(gòu)內(nèi)垂直葉高方向平行分布有若干弧形肋(34)；插件(28)上的沖擊孔(29)與弧形肋(34)交錯(cuò)排列。本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)綜合應(yīng)用了凹槽和肋片兩項(xiàng)強(qiáng)化冷卻措施，它不僅能夠使葉片前緣得到更好的冷卻效果，而且將冷卻結(jié)構(gòu)與葉片的設(shè)計(jì)融為一體，使渦輪葉片的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔并在保證其強(qiáng)度的情況下有效減輕其重量。
文檔編號(hào)F01D5/18GK202628198SQ20122008933
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月12日
發(fā)明者吉洪湖, 朱強(qiáng)華 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)