[发明专利]一种带冠的燃气涡轮冷却叶片

说明书

技术领域

本发明涉及一种涡轮冷却叶片，特别适用于航空发动机和燃气轮机。

背景技术

涡轮叶片是航空燃气涡轮动力装置中的关键部件之一，其作用是将燃气热能转化为涡轮机械功，因此，涡轮叶片设计的好坏直接关系到燃气涡轮乃至整台发动机的性能。由于燃气轮机涡轮叶片在高温、高压和高转速的极端环境下工作，与此环境相关的热应力、机械应力和环境温度将显著降低涡轮叶片的使用寿命，如何对涡轮叶片进行有效的冷却，保证叶片正常、可靠、长期的工作就显得尤为重要。涡轮冷却叶片技术可有效降低涡轮叶片温度，保证涡轮叶片及其部件使用寿命，因而冷却叶片的设计已成为燃气涡轮发动机设计的核心技术之一。为减少涡轮叶片的漏气损失和改善涡轮叶片的振动特性，许多涡轮叶片叶尖处带有叶冠。考虑到叶冠与涡轮叶片连接处在工作期间将承受较大的离心力，涡轮叶片叶尖截面面积较小且叶冠附近燃气温度较高，叶冠设计的好坏将直接影响涡轮叶片的工作性能和使用寿命，因而降低叶冠温度和质量是非常必要的。叶冠冷却技术不仅可以降低叶冠处的温度，同时将叶冠掏空降低了叶冠质量，减轻了施加在叶冠与涡轮叶片连接处的离心力，在保证叶片工作性能的同时，延长了涡轮叶片及其部件的使用寿命。目前，例如中国专利200480001588.7、200710161323.9、200810056400.9、200820029544.0等提出的涡轮叶片冷却结构形式中均未涉及叶冠设计。专利200910003507.1和200910003508.6提出了涡轮叶片冷却叶冠结构形式，但该叶片叶身采用直通道冷却，叶身部位冷气利用效率较低。因此，针对带冠涡轮冷却叶片特点，设计与之相应的高效叶身及叶冠冷却结构形式是非常重要和迫切的。

发明内容

为了克服现有技术带冠涡轮冷却叶片单位冷气冷却效率不高的不足，本发明提供了一种燃气涡轮带冠冷却叶片，其结构相对简单，并且在不增加冷却空气量的条件下能够提高带冠叶片叶身部位冷却效率，有效地降低叶身和叶冠部位的温度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括叶片叶身和叶冠，叶片叶身内壁自叶片前缘到尾缘依次排列有若干个沿叶片径向排列的隔板，其中距离叶身前缘和尾缘不为最近的两个隔板将叶片叶身内腔分割为前、中、后三个独立部分，其余隔板将叶片内腔的前、中、后三部分分别分割成若干个连通的冷却腔，沿叶片纵向形成三条回流式冷却通道，通道的入口均在叶根处，冷气通过叶根处冷却通道入口进入叶身冷却通道，同时叶冠被设计为中空结构，冷气可以在叶冠空腔内流动，形成叶冠冷却腔。距离叶身前缘最近的隔板上具有若干个冲击冷却孔，对叶身前缘内壁形成冲击冷却；同时叶身前缘有若干个从叶片内壁面穿透至外壁面的气膜孔，冷气从气膜孔流出后，在主流压力和摩擦力作用下向下游弯曲，粘附在叶身表面形成气膜冷却，将叶身壁面与高温燃气隔开，从而降低叶身温度；距离叶身尾缘最近的冷却腔在叶身尾缘处开有排气缝，在排气缝处从叶片压力面穿透至吸力面交错排列有若干扰流柱，扰流柱强化了尾缘部位的对流换热，提高冷却效率；叶身中部冷却通道顶部与叶冠相连处开有若干出气孔，流经叶身中部冷却通道内的冷气通过出气孔可直接进入叶冠冷却腔；叶冠冷却腔内距叶身中部通道出气孔三分之一叶尖截面弦长范围内布置若干与叶尖弦线垂直且贯通叶冠冷却腔基底和顶板的分隔肋，该分隔肋不与叶冠冷却腔侧壁相连，同时在分隔肋上布置有若干与分隔肋表面垂直的矩形肋片，该肋片增大了分隔肋表面传热面积，提高了冷却效率；叶冠冷却腔内距叶身中部通道出气孔三分之一叶尖截面弦长范围外布置若干排贯穿冷却腔基底和顶板且交错排列的扰流柱，该扰流柱强化了叶冠冷却腔下游的对流换热，进一步提高叶冠冷却效率；叶冠冷却腔侧壁距叶身中部出气孔一个叶尖截面弦长范围外的位置处布置有若干排气孔，冷气在冷却腔内流经分隔肋和扰流柱后最终由排气孔流出。对叶身前部冷却通道而言，冷却气体沿着通道流动，最终通过叶身前缘气膜孔流出，形成叶片前缘表面的冷却；对叶身中部冷却通道而言，冷却气体沿着通道流动，通过出气孔进入叶冠冷却腔；对于叶身后部冷却通道而言，冷却气体沿着通道流动，经过尾缘处交错排列的扰流柱的强化换热，最终在尾缘排气缝流出；对叶冠冷却腔而言，冷却气体流经贯穿冷却腔基底和顶板的分隔肋及下游交错排列的扰流柱的对流换热，最终在叶冠冷却腔侧面排气孔流出，形成完整的通路。

所述的冲击冷却孔为圆形且垂直贯穿隔板。