涡轮叶片蜂巢螺旋腔冷却结构.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN111075510A(43)申请公布日2020.04.28(21)申请号202010008195.X(22)申请日2020.01.06(71)申请人大连理工大学地址116024辽宁省大连市甘井子区凌工路2号(72)发明人吕东李海旺韦文涛王楠孔星傲(74)专利代理机构大连理工大学专利中心21200代理人梅洪玉戴风友(51)Int.Cl.F01D5/18(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图5页(54)发明名称涡轮叶片蜂巢螺旋腔冷却结构(57)摘要本发明属于航空发动机和燃气轮机涡轮冷却技术领域，涉及涡轮叶片蜂巢螺旋腔冷却结构。所述的涡轮叶片蜂巢螺旋腔冷却结构，包括空心涡轮叶片、蜂巢螺旋腔和扰流柱；所述的空心涡轮叶片的内部设有冷气通道，冷气通道供低温冷却气体在叶片内部流动，对叶片进行冷却。在空心涡轮叶片的叶片壁面内设有多个阵列的蜂巢螺旋腔，以供冷却气体进入并进行对流冷却。蜂巢螺旋腔中心设有扰流柱，扰流柱为圆柱形结构。在每个单元体中，进气孔和出气孔分别位于叶片壁面的两侧，其进气孔中心线和出气孔中心线在同一竖直平面内平行。本发明单位面积上的结构要素数量可以增加约15％，冷气流动阻力和损失减小约10～15％，进而带来发动机整机效率的提高。CN111075510ACN111075510A权利要求书1/1页1.涡轮叶片蜂巢螺旋腔冷却结构，其特征在于，包括空心涡轮叶片(1)、蜂巢螺旋腔(3)和扰流柱(4)；所述的空心涡轮叶片(1)的内部设有冷气通道(2)，冷气通道(2)供低温冷却气体在叶片内部流动，对叶片进行冷却；在空心涡轮叶片(1)的叶片壁面内设有多个阵列的蜂巢螺旋腔(3)，以供冷却气体进入并进行对流冷却；蜂巢螺旋腔(3)中心设有扰流柱(4)，扰流柱(4)为圆柱形结构；每一个蜂巢螺旋腔(3)为一个单元体，每一个蜂巢螺旋腔(3)形状为正六边形，并且多个单元体呈蜂巢状排布，在每个单元体中，进气孔(5)和出气孔(6)分别位于叶片壁面的两侧，其进气孔中心线(9)和出气孔中心线(10)在同一竖直平面内平行；进气孔中心线(9)和出气孔中心线(10)与水平面的夹角分别为入射角∠A1和出射角∠A2，入射角∠A1和出射角∠A2均为锐角。2.如权利要求1所述的涡轮叶片蜂巢螺旋腔冷却结构，其特征在于，所述的进气孔(5)和出气孔(6)的横截面为矩形。3.如权利要求1或2所述的涡轮叶片蜂巢螺旋腔冷却结构，其特征在于，所述的入射角∠A1和出射角∠A2均为20～45°。4.如权利要求1或2所述的涡轮叶片蜂巢螺旋腔冷却结构，其特征在于，所述的进气孔(5)和出气孔(6)与蜂巢螺旋腔(3)内的通道采用圆弧状滑道光滑相衔接。5.如权利要求3所述的涡轮叶片蜂巢螺旋腔冷却结构，其特征在于，所述的进气孔(5)和出气孔(6)与蜂巢螺旋腔(3)内的通道采用圆弧状滑道光滑相衔接。6.如权利要求3所述的涡轮叶片蜂巢螺旋腔冷却结构，其特征在于，所述的入射角∠A1和出射角∠A2典型值为30°。7.如权利要求5所述的涡轮叶片蜂巢螺旋腔冷却结构，其特征在于，所述的入射角∠A1和出射角∠A2典型值为30°。2CN111075510A说明书1/4页涡轮叶片蜂巢螺旋腔冷却结构技术领域[0001]本发明属于航空发动机和燃气轮机涡轮冷却技术领域，涉及涡轮叶片蜂巢螺旋腔冷却结构。背景技术[0002]在目前的航空发动机和燃气轮机技术领域中，为提高装置效能而采取的措施通常为提高涡轮前燃气温度，然而目前使用材料的承受极限远低于燃气环境温度，故涡轮叶片的冷却问题备受关注。当下对涡轮叶片的冷却措施普遍为内部强化对流换热、外部形成气膜隔绝，其冷却设计的原则是使用最少的冷气量来带走尽可能多的热量，保护零部件处于较低的温度范围，并且具有较小的温度梯度，具体为对叶片采用中空设计，使冷却气在中空通道内流动同时利用丰富的内腔表面积进行强化换热，并在冷却气体排出叶片时形成气膜覆盖以隔绝燃气的直接加热，在此基础上追求“更大的内部换热面积”、“更高的换热效率”、“更好的覆盖效果”、“更小的流动阻力”、“对结构强度破坏更小”、“更好的可造性和可维护性”等。[0003]目前解决涡轮叶片冷却问题的一类方案是采用层板结构，如图1所示，其主要特征是采用多层结构组成涡轮叶片的外壁。层板的主要结构包括位于叶片内部的进气板、位于叶片外侧的出气板。在工作时，冷却气体从叶片内腔冷气通道经过进气孔进入层板，在与内腔扰流柱等结构进行换热后，再通过气膜孔流出，并对叶片外表面进行气膜覆盖。该方案的主要特点是能够将导热、对流冷却、冲击冷却和气膜冷却等方式有机的耦合在一起，具有较大的换热面积，冷气利用充分等优点，但同时也有结构复杂、制造难度大、流动阻力大、强度较弱等缺点。发明内容[000