CN115898567A - 一种导向冷却叶片及涡轮导向器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种导向冷却叶片及涡轮导向器。其中导向冷却叶片包括叶片基体，叶片基体内部设有空腔，空腔内设有冲击管，冲击管上设有朝向叶片基体前缘内壁的冲击孔和用于通入冷气的冷气入口。涡轮导向器包括上述的导向冷却叶片，还包括由内向外同轴设置的内环和外环，外环和内环之间形成环形气流通道，外环上穿设有外环孔，内环上设有穿设至环形气流通道的内环孔，导向冷却叶片依次穿设内环孔、环形气流通道、外环孔设置，且叶片基体设置在环形气流通道内。本申请用于解决：现有对导向叶片的冷却技术中，存在冷却稳定性差、冷气使用率低的技术问题。

Description

一种导向冷却叶片及涡轮导向器

技术领域

本申请涉及燃气涡轮发动机技术领域，具体涉及一种导向冷却叶片及涡轮导向器。

背景技术

航空辅助动力装置(APU)是燃气涡轮发动机的分支之一，其主要作用是启动航空器的主发动机及向航空器提供电力等。前期APU采用非冷却结构的涡轮导向器即可满足航空器制造商的要求，但随着科学技术的发展及世界格局的变化，航空器制造商不仅对主发动机的性能要求越来越高，对APU的要求也越来越高，先前非冷却式涡轮导向器已经不能满足先进APU的发展要求。为适应先进APU更高的涡轮前温度，有必要对涡轮导向器采取适当的冷却措施。当前燃气涡轮发动机的一大发展趋势是向更高功重比、更高热力循环参数方向发展，为了提高发动机的功重比，涡轮前燃气温度逐年提升。涡轮导向器通常设置在高温燃气后方，涡轮导向器工作条件十分恶劣，是发动机中热负荷最大的部件，导向叶片温度分布不均，且要承受较大的气动力与不稳定的脉动负荷。因此，采用有效的冷却措施、降低叶片的工作温度、减小叶片的热应力是发动机安全可靠工作的有力保证。

为了对导向叶片进行冷却，常规使用的方法是强化对流冷却，强化对流冷却是在叶片内部通道中布置肋片或扰流柱，增大冷气与导向叶片内壁面的换热面积，提高冷气流动的湍流度，湍流度指流动的紊乱程度，流动越乱，换热越强，从而对导向叶片进行快速、均匀的换热，但是强化对流冷却很难对叶片前缘进行快速冷却，难以快速消除叶片前缘的热应力。在此之后，为有效降低叶片前缘的热应力，可采用冲击冷却的方式对叶片进行冷却，冲击冷却是用一股或多股冷气射流冲击叶片内表面，其特点是在射流驻点区具有很高的换热系数，可以快速降低冲击区域的温度，但是射流结构会削弱叶片内表面的结构强度。目前，最有效的冷却方式为气膜冷却，气膜冷却是指在叶片开设一排或多排气膜孔，冷气由喷口流出，阻止燃气与叶片直接接触，虽然气膜冷却可以快速消除叶片前缘的热应力，也不容易削弱叶片内表面的结构强度，但是气膜冷却的冷却效果受到高温燃气气流的流速、流向等因素的影响，工作稳定性较差，同时需要消耗更多的冷气，冷气使用率较低。

发明内容

因此，本申请要解决：现有对导向叶片的冷却技术中，存在冷却稳定性差、冷气使用率低的技术问题。从而提供一种导向冷却叶片及涡轮导向器。

为解决上述技术问题，本申请的技术方案如下：一种导向冷却叶片，包括叶片基体，所述叶片基体内部设有空腔，所述空腔内设有冲击管，所述冲击管上设有朝向所述叶片基体前缘内壁的冲击孔和用于通入冷气的冷气入口。

优选地，所述冲击管的外壁与所述空腔的内壁之间预留有允许冲击后的冷气流出的冷气通道。

优选地，所述空腔的内壁设有第一扰动结构，所述第一扰动结构与所述冲击管外壁之间预留有小于或等于0.1mm的间隙。

优选地，所述空腔的一个端面内壁设有第二扰动结构，所述第二扰动结构的一个端面紧贴所述冲击管的端面设置。

优选地，所述空腔的一个端面外壁设有工艺凸台，所述冲击管的一个端面外壁与所述工艺凸台内壁预留有小于或等于0.1mm的间隙。

优选地，所述叶片基体尾部设有“L”型缺口和与所述“L”型缺口连接的尾缘孔，所述尾缘孔的入口与所述空腔连通，所述尾缘孔的出口位于“L”型缺口的短边上，所述尾缘孔的一条长边与所述“L”型缺口的长边共面。

本申请还提供了一种涡轮导向器，包括上述任一项所述的导向冷却叶片，还包括由内向外同轴设置的内环和外环，所述外环和所述内环之间形成环形气流通道，所述外环上穿设有外环孔，所述内环上设有穿设至所述环形气流通道的内环孔，所述导向冷却叶片依次穿设所述内环孔、所述环形气流通道、所述外环孔设置，且所述叶片基体设置在所述环形气流通道内。

优选地，所述外环上设有通气孔，所述外环和所述内环的外边缘与火焰筒的出气端搭接，所述外环、所述内环与所述火焰筒出气端的搭接部位预留有间隙。

优选地，还包括同轴设置在所述内环里侧的包容环，所述包容环与所述内环的一个外边缘连接，所述内环的另一个外边缘与所述火焰筒出气端搭接。

优选地，所述内环与所述包容环接触的部位的厚度大于所述内环的其他部位的厚度，所述内环与所述包容环通过紧固件连接。

本申请技术方案，具有如下优点：

1、本申请提供的导向冷却叶片，冲击管设有朝向叶片基体前缘内壁的冲击孔，当冷气进入冲击管后从冲击孔流出，冷气直接对叶片基体前缘内壁进行换热，对叶片基体前缘进行精准、快速的冷却，达到减小叶片基体前缘热疲劳损伤的目的。此外，相比于直接对叶片基体前缘内壁进行冷气冲击的换热方式，在本申请提供的换热方式中，冷气进入冲击管后再从冲击孔流出，冷气的冲击强度已经大幅度降低，不会对叶片基体前缘内壁造成强烈的冲击，因此不会对叶片基体前缘内表面的结构强度造成破坏。而且，相比于在背景技术中提到的气膜冷却方式，本申请提供的冷却方式不受外部高温燃气的影响，可以为叶片基体前缘提供稳定的冷却效果，同时，在本申请的技术方案中，冷气对叶片基体前缘内部冷却后继续对叶片基体空腔内部进行冷却，提高了冷气的使用率，减少浪费。

2、本申请提供的导向冷却叶片，冷气对叶片基体前缘内壁进行冷却后顺着冷气通道对叶片基体空腔内壁进行均匀的冷却，可以对叶片基体的整体进行冷却，有助于减小叶片基体的热应力。

3、本申请提供的导向冷却叶片，空腔内的第一扰动结构对冷气气流起到扰流的作用，可以增大冷气气流与空腔内壁的换热面积，提高冷气流动的湍流度，从而提高换热效率。将第一扰动结构与冲击管外壁之间的间隙设为小于或等于0.1mm，是为了避免第一扰动结构卡住冲击管从而影响冲击管与导向冷却叶片之间的装配。

4、本申请提供的导向冷却叶片，第二扰动结构可以对冲击管起到限位作用，也可以对冲击管内部的冷气气流起到扰流作用，加快冷气的流动速度，提高换热效率。

5、本申请提供的导向冷却叶片，在空腔端面的外壁设置了工艺凸台，再通过工艺凸台与冲击管连接，减小了将冲击管与工艺凸台的连接难度，便于装配。

6、本申请提供的导向冷却叶片，空腔内的所有冷气由尾缘孔排出，排出的冷气紧贴L型缺口的长边流动，对叶片基体尾缘实施气膜冷却。尾缘孔的长边与L型缺口的长边共面，可保证冷气流场的稳定，使气膜覆盖均匀。

7、本申请提供的涡轮导向器，高温燃气沿环形气流通道流动，冷气可以对导向叶片、外环、内环进行快速冷却，避免高温燃气对涡轮导向器的结构强度造成破坏。

8、本申请提供的涡轮导向器，有两处冷气源向涡轮导向器的正面和背面进行冷却，两处冷气源对涡轮导向器的正面和背面进行初步冷却后，从外环、内环与火焰筒出气端之间的间隙流入到环形气流通道中对内环、外环进行二次冷却。内环和外环作为主要受热部位，对内环、外环进行二次冷却可防止其结构强度受到破坏，有助于延长涡轮导向器的使用寿命。

9、本申请提供的涡轮导向器，包容环被冷气包围，温度较低，包容环可吸收内环传递的热量，有利于降低内环的工作温度。此外，将内环与包容环接触的部位加厚设置，有助于提高内环与包容环的热传递效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例中的涡轮导向器与火焰筒的配合示意图；

图2为本申请实施例中的涡轮导向器的整体结构示意图；

图3为本申请实施例中的导向冷却叶片与涡轮导向器的位置关系示意图；

图4为本申请实施例中的导向冷却叶片的整体结构示意图；

图5为本申请实施例中的冲击管的整体结构示意图；

图6为本申请实施例中的导向冷却叶片的纵剖视图；

图7为本申请实施例中的图6的C部放大示意图；

图8为本申请实施例中的导向冷却叶片沿B线的剖视图；

图9为本申请实施例中的导向冷却叶片沿A线的剖视图。

附图标记说明：1、叶片基体；2、冲击管；3、外环；4、内环；5、通气孔；6、环形气流通道；7、冲击孔；8、第一扰动结构；9、第二扰动结构；10、扰流柱；11、尾缘孔；12、中弧面；13、工艺凸台；14、隔肋；15、火焰筒外环；16、火焰筒内环；17、火焰筒鸟嘴；18、包容环；19、内环孔；20、外环孔。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1

本实施例提供的一种导向冷却叶片，包括叶片基体1，叶片基体1的形状如图1、图4－图9所示，图6的A线即空腔的中弧面12，图1中的箭头a表示高温燃气的流向，箭头b和箭头c表示冷气源的流向。叶片基体1的前缘厚于叶片基体1的尾缘，叶片基体1内部设有空腔，空腔的形状与叶片基体1的形状相似，在空腔内设有冲击管2，冲击管2从叶片基体1的一个端面插设在叶片基体1内，冲击管2的截面形状与空腔的截面形状相似。冲击管2上设有冲击孔7和用于通入冷气的冷气入口，冲击孔7朝向叶片基体1前缘内壁设置，冷气入口朝向冲击管2插入叶片基体1的端面设置。冲击孔7设置了三排，每排冲击孔7的数量4－8个不等，三排冲击孔7中的中间一排冲击孔7朝向叶片基体1前缘的中间，靠上一排冲击孔7朝向叶片基体1前缘的上侧壁，靠下一排冲击孔7朝向叶片基体1前缘的下侧壁。此外，根据不同的导向器可以选择改变冲击孔7的孔径、孔数、排布方式等，也可以在冲击管2的其他部分设置冲击孔7。

本实施例提供的导向冷却叶片工作过程如下：导向冷却叶片通常搭配导向器使用，将导向冷却叶片的前缘朝向高温燃气设置。当高温燃气冲向导向叶片时，高温燃气对叶片基体1前缘进行热冲击，叶片基体1前缘的温度高于叶片基体1的其他部位，长期保持这样的状态则容易导致叶片基体1前缘产生热疲劳。此时可通过冷气入口向冲击管2内通入冷气，当冷气进入冲击管2后从冲击孔7流出，冷气直接对叶片基体1前缘内壁进行换热，对叶片基体1前缘进行精准、快速的冷却，达到减小叶片基体1前缘热疲劳损伤的目的。此外，相比于直接对叶片基体前缘内壁进行冷气冲击的换热方式，在本申请提供的换热方式中，冷气进入冲击管2后再从冲击孔7流出，冷气的冲击强度已经大幅度降低，不会对叶片基体1前缘内壁造成强烈的冲击，因此不会对叶片基体1前缘内表面的结构强度造成破坏。而且，相比于在背景技术中提到的气膜冷却方式，本申请提供的冷却方式不受外部高温燃气的影响，可以为叶片基体1前缘提供稳定的冷却效果，同时，在本申请的技术方案中，冷气对叶片基体1前缘内部冷却后继续对叶片基体1空腔内部进行冷却，提高了冷气的使用率，减少浪费。

实施例2

本实施例作为实施例1的进一步改进，冲击管2的外壁与空腔的内壁之间预留有允许冲击后的冷气流出的冷气通道。冷气对叶片基体1前缘内壁进行冷却后顺着冷气通道对叶片基体1空腔内壁进行均匀的冷却，对叶片基体1的整体进行冷却，有助于减小叶片基体1的热应力。

空腔的内壁设有第一扰动结构8，第一扰动结构8与冲击管2外壁之间预留有小于或等于0.1mm的间隙。第一扰动结构8的形状为半球形凸台，空腔内的半球形凸台对冷气气流起到扰流的作用，可以增大冷气气流与空腔内壁的换热面积，提高冷气流动的湍流度，从而提高换热效率。将半球形凸台与冲击管2外壁之间的间隙设为小于或等于0.1mm，是为了避免半球形凸台卡住冲击管2从而影响冲击管2与导向冷却叶片之间的装配。

空腔上远离冷气入口的端面内壁设有第二扰动结构9，第二扰动结构9的一个端面紧贴冲击管2的端面设置。第二扰动结构9的结构为半圆柱形凸台，第二扰动结构9可以对冲击管2起到限位作用，也可以对冲击管2内部的冷气气流起到扰流作用，加快冷气的流动速度，提高换热效率。

空腔对应冷气入口的端面外壁设有工艺凸台13，冲击管2的一个端面与工艺凸台13连接。一般工艺中通过焊接的方式将冲击管2与叶片基体1连接，设置了工艺凸台13减小了将冲击管2与叶片基体1焊接的难度，便于将冲击管2和叶片基体1进行装配。

在靠近空腔尾缘的位置设有扰流柱10。叶片基体1的两个尾缘侧壁一长一短，因此叶片基体1的尾缘形成L型的缺口，叶片基体1尾部设有与“L”型缺口连接的尾缘孔11，尾缘孔11的入口与空腔连通，尾缘孔11的出口位于“L”型缺口的短边上，尾缘孔11的一条长边与“L”型缺口的长边共面。尾缘孔11为沿叶片基体1径向分布的多个矩形孔，孔之间由隔肋14分开，尾缘孔11与空腔连通，空腔内的冷气通过尾缘孔11后顺着L型缺口排出，冷气从L型缺口排出后沿着叶片基体1尾缘的长边保持均匀稳定的流通，有助于将空腔内的热量快速排出。扰流柱10的扰动，对空腔内部实施强化对流冷却，另有部分冷气经过冷气通道对空腔实施对流冷却，最终所有冷气由尾缘孔11排出，排出的冷气紧贴L型缺口的长边流动，对叶片基体1尾缘实施气膜冷却。尾缘孔11的长边与L型缺口的长边共面，可保证冷气流场的稳定，使气膜覆盖均匀。

实施例3

本实施例提供了一种涡轮导向器，涡轮导向器包括实施例1或2所述导向冷却叶片。如图1－图3所示，涡轮导向器还包括由内向外同轴设置的内环4和外环3，外环3和内环4之间形成环形气流通道6，如图1所示，环形气流通道6从中心剖视图看大体成倒L型，环形气流通道6在涡轮导向器进口沿轴向伸展一定长度后，折转90°方向再构成沿径向分布的气流通道。如图3所示，外环3上穿设有外环孔20，内环4上设有穿设至环形气流通道6的内环孔19，导向冷却叶片依次穿设内环孔19、环形气流通道6、外环孔20设置，且叶片基体1置在环形气流通道6内。高温燃气朝向环形气流通道6冲击，高温燃气沿环形气流通道6流动，冷气可以对导向叶片、外环3、内环4进行快速冷却，避免高温燃气对涡轮导向器的结构强度造成破坏。

实施例4

本实施例作为实施例3的进一步补充，外环3沿周向设有若干通气孔5，涡轮导向器的外环3和内环4的外边缘与火焰筒的出气端搭接，外环3、内环4与火焰筒出气端的搭接部位预留有间隙。火焰筒的出气端包括火焰筒外环15、火焰筒内环16、火焰筒鸟嘴17，外环3与火焰筒外环15搭接，搭接间隙△1＝0.2－0.4mm。内环4的两侧分别与火焰筒内环16、火焰筒鸟嘴17搭接，其中内环4与火焰筒内环16的搭接间隙△2＝0.2－0.4mm，内环4与火焰筒鸟嘴17的搭接间隙不做具体限定。如图1所示有两处冷气源b和c向涡轮导向器的正面和背面进行冷却，冷气源c在对外环3背面进行初步冷却后从外环3与火焰筒外环15的搭接处流入到环形气流通道6中对外环3进行二次冷却，冷气源b的一部分通过冷气入口流入到冲击管2内，另一部分从内环4与火焰筒内环16、火焰筒鸟嘴17的搭接处流入到环形气流通道6中对内环4进行二次冷却。内环4和外环3作为主要受热部位，对内环4、外环3进行二次冷却可防止其结构强度受到破坏，有助于延长涡轮导向器的使用寿命。冷气源c的一部分还经过通气孔5进入环形气流通道6对外环3正面实施气膜冷却，有助于减小涡轮导向器受到高温燃气冲击的破坏。

涡轮导向器还包括同轴设置在内环4里侧的包容环18，包容环18与内环4的一个外边缘连接，内环4的另一个外边缘与火焰筒出气端搭接。内环4与包容环18接触的部位的厚度大于内环4的其他部位的厚度，内环4与包容环18通过紧固件连接，紧固件可以选用螺栓。包容环18被冷气源b包围，温度较低，包容环18可吸收内环4传递的热量，有利于降低内环4的工作温度。将内环4与包容环18接触的部位加厚设置，有助于提高内环4与包容环18的热传递效率。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种导向冷却叶片，包括叶片基体(1)，其特征在于，所述叶片基体(1)内部设有空腔，所述空腔内设有冲击管(2)，所述冲击管(2)上设有朝向所述叶片基体(1)前缘内壁的冲击孔(7)和用于通入冷气的冷气入口。

2.根据权利要求1所述的导向冷却叶片，其特征在于，所述冲击管(2)的外壁与所述空腔的内壁之间预留有允许冲击后的冷气流出的冷气通道。

3.根据权利要求1所述的导向冷却叶片，其特征在于，所述空腔的内壁设有第一扰动结构(8)，所述第一扰动结构(8)与所述冲击管(2)外壁之间预留有小于或等于0.1mm的间隙。

4.根据权利要求1所述的导向冷却叶片，其特征在于，所述空腔的一个端面内壁设有第二扰动结构(9)，所述第二扰动结构(9)的一个端面紧贴所述冲击管(2)的端面设置。

5.根据权利要求1项所述的导向冷却叶片，其特征在于，所述空腔的一个端面外壁设有工艺凸台，所述冲击管(2)的一个端面外壁与所述工艺凸台内壁预留有小于或等于0.1mm的间隙。

6.根据权利要求1－5任一项所述的导向冷却叶片，其特征在于，所述叶片基体(1)尾部设有“L”型缺口和与所述“L”型缺口连接的尾缘孔(11)，所述尾缘孔(11)的入口与所述空腔连通，所述尾缘孔(11)的出口位于“L”型缺口的短边上，所述尾缘孔(11)的一条长边与所述“L”型缺口的长边共面。

7.一种涡轮导向器，其特征在于，包括权利要求1－6任一项所述的导向冷却叶片，还包括由内向外同轴设置的内环(4)和外环(3)，所述外环(3)和所述内环(4)之间形成环形气流通道(6)，所述外环(3)上穿设有外环孔(20)，所述内环(4)上设有穿设至所述环形气流通道(6)的内环孔(19)，所述导向冷却叶片依次穿设所述内环孔(19)、所述环形气流通道(6)、所述外环孔(20)设置，且所述叶片基体(1)设置在所述环形气流通道(6)内。

8.根据权利要求7所述的涡轮导向器，其特征在于，所述外环(3)上设有通气孔(5)，所述外环(3)和所述内环(4)的外边缘与火焰筒的出气端搭接，所述外环(3)、所述内环(4)与所述火焰筒出气端的搭接部位预留有间隙。

9.根据权利要求7或8所述的涡轮导向器，其特征在于，还包括同轴设置在所述内环(4)里侧的包容环(18)，所述包容环(18)与所述内环(4)的一个外边缘连接，所述内环(4)的另一个外边缘与所述火焰筒出气端搭接。

10.根据权利要求9所述的涡轮导向器，其特征在于，所述内环(4)与所述包容环(18)接触的部位的厚度大于所述内环(4)的其他部位的厚度，所述内环(4)与所述包容环(18)通过紧固件连接。

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