[发明专利]涡轮转子冷却叶片

说明书

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，特别地，涉及一种涡轮转子冷却叶片。

背景技术

目前，国内外应用较多的冷却技术有径向通道对流冷却、冲击冷却、气膜冷却、粗糙表面强化换热、尾缘劈缝冷却等。

叶片径向直流内冷通道是最简单的冷却形式，冷却气体在通道内流动，通过对流换热吸收热量，达到降低叶片本体温度的目的；气膜冷却是由叶片壁面上的喷口喷出冷气来阻隔主燃气流对壁面加热的一种冷却方式，另外，气膜也可以保护恶劣环境中的工作表面不被腐蚀；冲击冷却属于对流换热，在冷气流冲击的驻点区壁面上有很高的换热系数，因此可以利用这种冷却方式对表面施以重点冷却。转子叶片的冷却一般选用以上几种冷却方式合理组合后进行复合冷却。

现有叶片冷却结构难以满足涡轮进口温度为1700K的耐高温需求，叶片前缘、叶片中弦区域、叶片尾缘或叶尖温度过高，易发生高温烧蚀等故障。

发明内容

本发明提供了一种涡轮转子冷却叶片，以解决现有的涡轮转子冷却叶片存在的叶片前缘和叶片中弦区域易发生高温烧蚀等故障的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种涡轮转子冷却叶片，包括榫头和与榫头相连的叶身；叶身上设有独立的供第一冷却气流通过以冷却叶片前缘的第一腔室，第一腔室从叶片叶根朝叶片叶尖的方向延伸；第一冷却气流从榫头上的第一进气口进入第一腔室、并由叶片叶尖处的第一排气口向外排出；叶身上还设有供第二冷却气流通过以冷却叶片的中弦区域的第二腔室、第三腔室及第四腔室，第二腔室、第三腔室及第四腔室从叶片前缘朝叶片尾缘的方向依次布置且第二腔室靠近第一腔室，第二腔室、第三腔室及第四腔室均从叶片叶根朝叶片叶尖的方向延伸且第四腔室、第三腔室及第二腔室依次首尾连通；第二冷却气流从榫头上的第二进气口进入第四腔室，再由第四腔室依次进入第三腔室和第二腔室，最后由第二腔室处的叶片叶尖上的第二排气口向外排出。

进一步地，第四腔室的进流端与第二进气口连通，其出流端与第三腔室的进流端连通，第四腔室和第三腔室构成呈“U”型的第一气流通道；第三腔室的出流端与第二腔室的进流端连通，第二腔室的出流端与第二排气口连通，第三腔室和第二腔室构成呈“U”型的第二气流通道。

进一步地，第一腔室、第二腔室、第三腔室及第四腔室内各设有多根用于扰动气流以增加换热面积提高换热效果的第一粗糙肋，各第一粗糙肋沿叶片弦向延伸，且多根第一粗糙肋沿叶片叶根至叶片叶尖方向依次排列。

进一步地，第一腔室、第二腔室及第三腔室内的第一粗糙肋的径向间距S1均相等、肋宽S2均相等、肋高S3均相等。

进一步地，径向间距S1为1.6～7.5mm，肋宽S2为0.3～0.6mm，肋高S3为0.2～0.6mm。

进一步地，第四腔室内的第一粗糙肋的肋宽S2和肋高S3均在叶片前缘至叶片尾缘的方向上逐渐递减为零，第四腔室内的第一粗糙肋的径向间距S1在叶片前缘至叶片尾缘的方向上不变。

进一步地，第四腔室和第三腔室的连通处、第三腔室与第二腔室的连通处各设有呈扇形排列的用于扰动气流以增加换热面积提高换热效果的第二粗糙肋。

进一步地，叶身上靠近叶片尾缘处设有用于冷却叶片尾缘的劈缝结构，劈缝结构与第四腔室连通；由第二进气口进入第四腔室内的冷却气流的一部分构成用于冷却叶片的中弦区域的第二冷却气流，其余部分冷却气流构成用于冷却叶片尾缘的第三冷却气流，第三冷却气流由劈缝结构向外流出。

进一步地，劈缝结构包括沿叶片叶根至叶片叶尖依次排列的多段劈缝，各劈缝的缝宽L1为1.3～5mm，相邻劈缝之间的肋宽L2为0.3～1mm；第三冷却气流在劈缝结构处的气流高度为0.35～1mm。

进一步地，叶片叶尖处设有用于降低叶片叶尖的温度同时减少叶片叶尖处燃气泄露的凹槽；凹槽的深度H1为1.2～2mm，凹槽与叶片叶背之间的壁厚H2为0.8～1.5mm。

本发明具有以下有益效果：

本发明的涡轮转子冷却叶片中，由于叶片前缘受热冲击最大，故而设置独立的第一腔室以对叶片前缘进行对流冷却，尽量使前缘的冷却不受其它因素的影响限制，以保证前缘能抵抗1700K燃气流的直接热冲击，避免叶片前缘发生高温烧蚀故障；同时，由于叶片的中弦区域较厚、受热冲击相对较小，故而采用多腔回流的冷却方式对叶片的中弦区域进行冷却，此种冷却结构冷气利用充分，能在保证材料温度要求的前提下，消耗较少的冷气量，且使叶片的温度分布均匀，叶片的热应力小。