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1、(10)申请公布号 CN 102828781 A(43)申请公布日 2012.12.19CN102828781A*CN102828781A*(21)申请号 201110163286.1(22)申请日 2011.06.16F01D 5/18(2006.01)(71)申请人中航商用航空发动机有限责任公司地址 201109 上海市闵行区虹梅南路5696号101室(72)发明人王智勇 廖坚(74)专利代理机构北京市金杜律师事务所 11256代理人楼仙英(54) 发明名称燃气涡轮冷却叶片(57) 摘要一种燃气涡轮冷却叶片，包括叶片主体、冷却腔和多个扰流柱，其中，冷却腔由叶片主体的壁部形成用以供冷却流体从。
2、其中流过，扰流柱固定在冷却腔内，其特征在于：扰流柱具有供冷却流体流经的孔。通过在涡轮叶片内部加装柱身开孔的扰流柱，增加了冷却流体的流通面积减少了流动阻力，并且通过将孔设置为倾斜孔来产生射流，强化叶片内部的换热，使叶片保持在较低的温度水平，提高叶片的使用寿命。(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书3页 附图2页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页1/1页21.一种燃气涡轮冷却叶片，包括叶片主体、冷却腔和多个扰流柱，其中，所述冷却腔由所述叶片主体的壁部形成用以供冷却流体从其中流过，所述扰流柱固定在所述冷却腔内，其特征在于：所。
3、述扰流柱具有供所述冷却流体流经的孔。2.根据权利要求1所述的燃气涡轮冷却叶片，其特征在于，所述孔的中心线与未进入所述孔前的所述冷却流体的流动方向所在的直线相平行。3.根据权利要求1所述的燃气涡轮冷却叶片，其特征在于，所述孔的中心线与未进入所述孔前的所述冷却流体的流动方向所在的直线具有一倾斜角度。4.根据权利要求3所述的燃气涡轮冷却叶片，其特征在于，所述倾斜角度的范围在30-60之间。5.根据权利要求3所述的燃气涡轮冷却叶片，其特征在于，所述倾斜角度大体上为45。6.根据权利要求1所述的燃气涡轮冷却叶片，其特征在于，所述叶片主体的壁部具有压力侧壁部和吸力侧壁部，所述孔包括第一通孔和第二通孔，所述。
4、第一通孔用于所述冷却流体流经其后与所述压力侧壁部的表面形成射流，所述第二通孔用于所述冷却流体流经其后与所述吸力侧壁部的表面形成射流。7.根据权利要求1-6任一项所述的燃气涡轮冷却叶片，其特征在于，所述扰流柱为顺排或叉排布置。8.根据权利要求1-6任一项所述的燃气涡轮冷却叶片，其特征在于，所述冷却叶片还包括分割板，其用于将所述冷却腔分为两部分。9.根据权利要求7所述的燃气涡轮冷却叶片，其特征在于，所述冷却叶片还包括分割板，其用于将所述冷却腔分为两部分。权 利 要 求 书CN 102828781 A1/3页3燃气涡轮冷却叶片技术领域0001 本发明涉及燃气涡轮发动机，尤其涉及燃气涡轮的叶片冷却技术。
5、领域。背景技术0002 随着航空发动机技术的飞跃发展，航空发动机压气机增压比以及涡轮前进口温度均大幅提高，这必然导致涡轮叶片所受到的热负荷增加，而使其承受非常严重的热应力。为解决这个问题，除了不断发展新材料和新工艺以外，决定性的因素之一是对涡轮叶片采用先进的高效强化冷却技术。涡轮叶片的冷却技术主要从两个方面进行：一是强化涡轮叶片内部冷却空气的扰动，增加涡轮叶片内部的换热面积；二是在叶片表面采用气膜冷却，以有效阻隔高温燃气对涡轮叶片的对流换热。以往，为了在内部强化换热，大部分涡轮叶片采用在涡轮叶片内部加装粗糙肋片或者加装柱型扰流柱的结构。但这种结构存在如下不足之处：(1)冷却空气流经这种结构时流。
6、阻损失较大，使得在相同的进口压力下冷却空气不足以满足对涡轮叶片冷却的需求；(2)换热效果不佳，由于较大的流阻损失使得冷却空气较少，从而限制了换热效果。0003 国内外对涡轮叶片内部强化换热技术进行了大量的研究，其技术核心以及所采取的措施均围绕着增大叶片内部的换热面积，强化叶片内部的冷却空气的扰动开展的。例如有人提出了在叶片内部采用三角形肋片和V形间断肋片的结构。也有人提出了在涡轮叶片内部采用圆柱形扰流柱以增强换热的结构形式。还有人提出了采用椭圆形扰流柱强化叶片内部换热的结构形式。以上这些叶片内部的结构形式均强化了冷却空气在叶片内部的扰动，传统的直肋片相比，换热均有所增强，但同时也反映出这些结构。
7、有着较大的流动阻力损失。发明内容0004 为此，本发明旨在通过在涡轮叶片内部加装经过改型的扰流柱，该扰流柱在柱身上开孔增加了冷却流体的流通面积减少了流动阻力，并通过将扰流柱身的孔设置为倾斜孔来产生射流，强化叶片内部的换热，使叶片保持在较低的温度水平，提高叶片的使用寿命。0005 在此，公开了一种燃气涡轮冷却叶片，包括叶片主体、冷却腔和多个扰流柱，其中，冷却腔由叶片主体的壁部形成用以供冷却流体从其中流过，扰流柱固定在冷却腔内，其特征在于：扰流柱具有供冷却流体流经的孔。0006 其中，上述孔可以设置为其中心线与未进入孔前的冷却流体的流动方向所在的直线相平行的平行通道，这种平行通道的孔径在中心线的前。
8、后方向上可以是不变的，也可以是变化的诸如形成先大后小的收缩型通道或先小后大的扩张型通道，无论怎样设计这种平行通道，均可以使得流动空间增大，流体的流速降低，流阻损失减小。再者，在扰流柱上加工平行通道也使得总的换热面积增大从而增强了换热，更进一步地，经过扰流柱上的平行通道的冷却流体也会与其他的相邻扰流柱的柱面形成射流，从而能加强换热。0007 优选地，上述孔还可以设置为其中心线与未进入孔前的冷却流体的流动方向所在说 明 书CN 102828781 A2/3页4的直线呈一定角度的倾斜通道。倾斜通道的倾斜角度的大小应根据扰流柱沿流动方向的间距、扰流柱的高度以及冷却流体的流速而定。当冷却流体流经安置有该。
9、种结构扰流柱的空间时，一部分冷却流体流经扰流柱上的倾斜通道，这部分冷却流体由倾斜通道流出在叶片主体的壁面形成冲击射流，从而加强了冷却流体和壁面之间的换热。同时，由于流动空间的增大，使得冷却流体流经扰流柱时的流速有所降低，压力损失减少。0008 较优地，倾斜角度的范围在30 -60之间。0009 更优地，倾斜角度大体上为45。如此设置时，换热强化作用最好，而流阻损失却并非最大。0010 较优地，叶片主体的壁部具有压力侧壁部和吸力侧壁部，孔包括第一通孔和第二通孔，第一通孔用于冷却流体流经其后与压力侧壁部的表面形成射流，第二通孔用于冷却流体流经其后与吸力侧壁部的表面形成射流。这样设置后，冷却流体可以。
10、在通过第一通孔和第二通孔后分别在压力侧壁面和吸力侧壁面形成冲击射流。因此，加强了冷却流体与叶片的压力侧壁部和吸力侧壁部的表面之间的换热。同时，由于流动空间的增大，使得冷却流体流经扰流柱时的流速有所降低，压力损失减少。0011 可选择地，扰流柱可以为顺排或叉排布置，优选地，扰流柱为叉排布置。这样，当冷却气体流经冷却腔时，冷却气体就会绕扰流柱前进而形成湍流从而强化冷却空气的扰动并增加叶片内部的换热面积。0012 上述扰流柱上的平行通道或倾斜通道可以根据实际需要沿流体的流动方向在扰流柱上设置为多个。0013 总之，在涡轮叶片内部采用其上开设有平行通道或倾斜通道的扰流柱，一方面强化了换热，另一方面降低。
11、了流动损失。这样，有效地降低涡轮叶片的温度水平和温度梯度，使涡轮叶片使用寿命大幅提高。附图说明0014 为了解释本发明，将在下文中参考附图描述其示例性实施方式，0015 附图中：0016 图1是扰流柱的布置方式的示意图；0017 图2是沿图1中的线A-A的剖视图；0018 图3是具有图1中的扰流柱的布置方式的涡轮叶片的内部结构示意图；0019 图4为沿图3中的线B-B的剖视图；0020 图5为一种具有两个倾斜孔的扰流柱的剖视图；0021 不同图中的相似特征由相似的附图标记指示。具体实施方式0022 图3示出了具有图1中的扰流柱的布置方式的涡轮叶片的内部结构示意图，图4示出了沿图3中的线B-B的。
12、剖视图。由图3和图4可以看出，叶片10内部由分割板4将叶片10分为左右两部分，即左冷却腔和右冷却腔。扰流柱1以图1的布置方式布置在左右两冷却腔中。即，叉排布置方式。具体地，如图2所示，该扰流柱1还具有中心孔2，该中心孔为斜孔，且该斜孔2的中心线和叶片内壁呈角度。更具体地，如图4所示，扰流柱1的上说 明 书CN 102828781 A3/3页5端与吸力侧的叶片内壁相固定，扰流柱1的下端与压力侧的叶片内壁相连接，数个扰流柱1从叶片的前缘到尾缘分别排布在左右冷却腔中。本领域的技术人员应当可以理解，扰流柱的叉排布置方式只是一种较优的方式，在此，也可以将扰流柱以顺排布置方式布置。0023 如图5所示，本。
13、领域的技术人员应当可以理解，对应于叶片10的压力侧的叶片内壁和吸力侧的叶片内壁，扰流柱1可以具有第一斜孔21和第二斜孔22，第一斜孔21的倾斜角度为，用于冷却流体流经其后与压力侧壁部的表面形成射流，第二通孔22的倾斜角度为，用于所述冷却流体流经其后与吸力侧壁部的表面形成射流。另外，本领域的技术人员也应当可以理解，在一种方案中，上述斜孔也可以被平行孔来替代，即孔的中心线与未进入孔前的冷却流体的流动方向所在的直线相平行，这时，平行通道的设置使得流动空间增大，流体的流速降低，流阻损失减小。再者，在扰流柱上加工平行通道使得总的换热面积增大从而增强了换热，而且，流经平行通道的流体会与其他的相邻扰流柱的柱。
14、面形成射流从而也加强了换热。也应当可以理解在每个扰流柱上可以根据实际需要来设置一定数目的斜孔，换言之，斜孔数目不受限制。再者，各个扰流柱上的斜孔数目可以是不相同的。0024 扰流柱1的排数根据叶片10大小而定，即叶片10愈大，扰流柱1的排数愈多，反之，则排数愈少。扰流柱1的斜孔2的倾斜角度对换热和流动损失有较大的影响，随着倾斜角度a的减小，流体的流动损失亦逐渐减小，同时，换热面积的增大还使得流体在圆孔内的换热量提高。另外，斜孔2的倾斜角度a的减小使得斜孔2的中心线与壁面的交点更靠近下一排扰流柱，换言之，冲击射流的驻点区域向下一排扰流柱移动了。本领域的技术人员应当能够理解若冲击驻点区域距离下一排。
15、扰流柱过小，则不能充分获得冲击射流对换热的强化作用，因此，斜孔2的倾斜角度a要根据扰流柱1的流向间距而定。优选地，该倾斜角度为30-60之间，更优地，当倾斜角度为45时，换热强化作用最好，而此时的流阻损失却不是最大。因此从优化的角度上讲，斜孔2的倾斜角度大体上为45时为较优的方案。0025 叶片10工作时，冷却流体即冷却空气从叶片10第一端的进气孔7进入到左冷却腔和右冷却腔，由于左冷却腔和右冷却腔内分别叉排有很多扰流柱1，故一部分冷却气体流经扰流柱1后形成湍流，一部分冷却气体流经扰流柱1上的斜孔2后对叶片壁面形成射流，左冷却腔的冷却气体换热后最终从叶片10第二端的排气孔8流出，右冷却腔的冷却气。
16、体换热后大部分从叶片尾缘的排气缝9排出，一小部分从叶片的第二端的排气孔8流出。这样，相比于常规的具有扰流柱的叶片，一方面，作用在叶片壁面的射流会使得壁面的换热强化作用增强，另一方面，扰流柱上的斜孔使得左右冷却腔内的流动空间增大从而使得流经扰流柱的冷却气体的流速有所降低，同时压力损失减少。0026 本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而可以理解，在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述结构作各种变化和改进，包括这里单独披露或要求保护的技术特征的组合，明显地包括这些特征的其它组合。这些变形和/或组合均落入本发明所涉及的技术领域内，并落入本发明权利要求的保护范围。需要注意的是，按照惯例，权利要求中使用单个元件意在包括一个或多个这样的元件。此外，不应该将权利要求书中的任何参考标记构造为限制本发明的范围。说 明 书CN 102828781 A1/2页6图1图2图3说 明 书 附 图CN 102828781 A2/2页7图4图5说 明 书 附 图CN 102828781 A。