一种小引气量的双层壁涡轮导向叶片的制作方法

1.本发明属于航空发动机技术领域，具体是一种小引气量的双层壁涡轮导向叶片。


背景技术：

2.航空发动机和燃气轮轮机为了提高性能和功率，不断提高发动机循环参数，涡轮叶片金属材料耐温能力增长无法满足发动机循环参数提高，涡轮叶片热防护需求日益增加。涡轮叶片最常用的热防护方式是对叶片进行冷却，通常采用将叶片内部挖空，并根据不同位置需求，在叶片内腔布置不同冷却结构，达到降低叶片金属温度，提高涡轮叶片寿命的要求。
3.现有涡轮导向叶片冷却主要包括冲击、蛇形对流、气膜、扰流柱等冷却形式，并根据涡轮导向叶片结构和环境影响，多采用多种冷却结构复合冷却设计。对于高循环参数涡轮导向器，通常采用冲击 气膜对叶片前缘冷却，叶片中弦区域采用冲击 凸台冷却结构，尾缘区域采用扰流柱冷却形式。目前，该技术已经非常成熟，已经在大、中、小航空发动机获得了广泛应用。但是，随着航空发动机涡轮前温度进一步提高，该冷却形式通过优化内腔冷却结构强化换热降低叶片金属温度有限，只能被动采用全气膜冷却降低叶片温度，同时也提高了冷气引气比，会导致发动机性能下降。
4.现有技术至少有以下不足：
5.1、通过调整冲击腔结构以提高叶片内腔换热能力潜力小，需要大量冷气提高换热系数，降低叶身金属温度，同时会牺牲发动机性能；
6.2、流量分区调控难度较大，无法精细化控制叶片金属温度；
7.3、现有双层壁冷却设计，能够实现高效率的换热，但是无法精确控制叶片不同区域冷气量，且冷气利用率较低。


技术实现要素：

8.本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种小引气量的双层壁涡轮导向叶片，解决现有高循环参数、小引气量条件下，燃气涡轮导向器冷却不足的技术问题。
9.根据本发明的一个方面，提供了一种小引气量的双层壁涡轮导向叶片，包括叶片前缘、中弦叶盆、叶背中弦和叶片尾缘，所述叶片前缘为双层隔板冲击加气膜冷却，所述中弦叶盆和叶背中弦为双层壁冲击加气膜冷却，所述叶片尾缘为径向扰流柱冷却。
10.根据本发明的优选实施方式，所述叶片前缘设有沿着叶片长度方向的第一冷却气腔、第二冷却气腔、第一冲击腔和第二冲击腔，所述第一冷却气腔与第一冲击腔之间设有带冲击孔隔板，所述第一冲击腔与第二冷却气腔之间设有带冲击孔隔板，所述第二冷却气腔与第二冲击腔之间设有无冲击孔隔板，所述第一冷却气腔、第二冷却气腔、第一冲击腔和第二冲击腔均开设有沿着叶片长度方向均布的气膜孔。
11.根据本发明的优选实施方式，所述叶片前缘内的两处带冲击孔隔板的冲击孔的轴向延长线相较于第一冲击腔的外壁面形成前缘冲击。
12.根据本发明的优选实施方式，所述中弦叶盆依次设有第三冲击腔、第三冷却气腔和第四冲击腔，所述第三冲击腔与第三冷却气腔之间设有无冲击孔隔板，所述第三冷却气腔与第四冲击腔之间设有带冲击孔隔板，所述第四冲击腔与第一冷却气腔设有无冲击孔隔板，所述第三冲击腔、第三冷却气腔和第四冲击腔均开设有沿着叶片长度方向均布的气膜孔。
13.根据本发明的优选实施方式，所述叶背中弦设有第四冷却气腔和第五冲击腔，所述第四冷却气腔和第五冲击腔之间设有带冲击孔隔板，所述第四冷却气腔与第二冲击腔之间设有带冲击孔隔板。
14.根据本发明的优选实施方式，所述叶片尾缘设有第五冷却气腔、扰流柱腔和尾缘中劈缝，所述第五冷却气腔呈u形，所述第五冷却气腔一端与第三冲击腔之间设有带冲击孔隔板，所述第五冷却气腔另一端与第五冲击腔之间设有带冲击孔隔板，所述第五冷却气腔与扰流柱腔通过气膜孔连通，所述扰流柱腔与尾缘中劈缝连通。
15.根据本发明的优选实施方式，所述导向叶片顶端分别设有与第一冷却气腔、第二冷却气腔、第三冷却气腔、第四冷却气腔、第五冷却气腔和扰流柱腔相对应的冷气进口。
16.根据本发明的优选实施方式，所述带冲击孔隔板的冲击孔沿其长度方向均布，且冲击孔的轴向与带冲击孔隔板的平面夹角为30
°‑
90
°
。
17.进一步的，冲击孔的延长方向相交于双层叶片的外壁面，使得从冷却气腔进入的冷气一部分通过带冲击孔隔板的冲击孔冲击在双层叶片的外壁面，起到冷气冲击降温的作用。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
19.1、本发明主要应用在航空发动机及燃气轮机涡轮导向叶片，主要包括叶片前缘双层隔板冲击加气膜冷却、叶身腮区至中部为双层壁冲击加气膜冷却、叶片尾缘为径向扰流柱冷却，本技术可以应用在高循环参数小冷气量燃气涡轮导向器设计，该冷却系统具有换热面积小、冷却效果高，非常适用于高循环参数航空发动机和燃气轮机，有利于涡轮导向器热管理和冷却设计优化。
20.2、能够实现小的引气量，提高发动机性能，采用了微小通道流动和冲击，可以实现内腔更高换热系数，调节隔板孔位置和角度，调节叶片不同位置温度，减少叶片金属温度梯度。
附图说明
21.为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
22.图1为本发明的导向叶片横截面结构示意图；
23.图2为本发明的叶片顶端冷气进口结构示意图；
24.图3为图2的a
‑
a剖面结构示意图。
25.图中：1、叶片前缘；101、第一冷却气腔；102、第二冷却气腔；103、第一冲击腔；104、前缘冲击；105、第二冲击腔；2、中弦叶盆；201、第三冷却气腔；202、第三冲击腔；203、第四冲击腔；3、叶背中弦；301、第四冷却气腔；302、第五冲击腔；4、叶片尾缘；401、第五冷却气腔；402、扰流柱腔；403、尾缘中劈缝；5、带冲击孔隔板；6、无冲击孔隔板；7、气膜孔；8、中心空腔；9、叶片顶端安装板。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
27.另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。
28.参照图1
‑
3所示，根据本发明的一个总体技术构思，本发明优选实施例公开了一种小引气量的双层壁涡轮导向叶片具体的技术方案如下：
29.一种小引气量的双层壁涡轮导向叶片包括叶片前缘1、中弦叶盆2、叶背中弦3和叶片尾缘4，双层壁之间形成狭窄空间，受限空间双层壁涡轮导向叶片流路，冷气从叶片上端壁冷气进口a～f进入叶片内部如图3所示，冷气沿冷却通道进入叶片，冷却通道为狭小空间在冷却流动时，具有较高换热系数，除此之外，还可以在冷却通道设置肋、扰流柱等强化换热。进入冷却通道的冷气通过隔板进入冲击腔，隔板设有冲击孔，隔板冲击孔可以改变冲击位置，强化区域换热能力，导向叶片为中心空腔8式结构，有利于减轻整体重量，多个叶片通过叶片顶端安装板9相互连接形成环状结构。
30.叶片前缘1设有沿着叶片长度方向的第一冷却气腔101、第二冷却气腔102、第一冲击腔103和第二冲击腔105，在第一冷却气腔101与第一冲击腔103之间用带冲击孔隔板5隔开，第一冲击腔103与第二冷却气腔102之间用带冲击孔隔板5隔开，第二冷却气腔102与第二冲击腔105之间用无冲击孔隔板6隔开，在第一冷却气腔101、第二冷却气腔102、第一冲击腔103和第二冲击腔105均开设有沿着叶片长度方向均布的气膜孔7，冷气从叶片上端壁的冷气进口a和e分别进入第一冷却气腔101和第二冷却气腔102，第一冷却气腔101和第二冷却气腔102的一部分冷气通过冲击孔进入第一冲击腔103，两股冷气对流在第一冲击腔103内的叶片外壁的交汇处为前缘冲击104位置，因为叶片前缘1温度较高，这种设计适当增加叶片前缘1处的冷气流量，有效降低此处温度。
31.中弦叶盆2依次设有第三冲击腔202、第三冷却气腔201和第四冲击腔203，第三冲击腔202与第三冷却气腔201之间用无冲击孔隔板6隔开，第三冷却气腔201与第四冲击腔203用带冲击孔隔板5隔开，第四冲击腔203与第一冷却气腔101用无冲击孔隔板6隔开，在第三冲击腔202、第三冷却气腔201和第四冲击腔203均开设有沿着叶片长度方向均布的气膜孔7。
32.叶背中弦3设有第四冷却气腔301和第五冲击腔302，第四冷却气腔301和第五冲击腔302用带冲击孔隔板5隔开，第四冷却气腔301与第二冲击腔105之间用带冲击孔隔板5隔开，第四冷却气腔301和第五冲击腔302均不开设气膜孔7。
33.叶片尾缘4设有第五冷却气腔401、扰流柱腔402和尾缘中劈缝403，第五冷却气腔401呈u形，第五冷却气腔401一端与第三冲击腔202之间用带冲击孔隔板5隔开，第五冷却气腔401另一端与第五冲击腔302之间用带冲击孔隔板5隔开，第五冷却气腔401与扰流柱腔402之间用气膜孔7连通，扰流柱腔402与尾缘中劈缝403连通。
34.冷气在叶身横截面流动如下图1所示。
35.叶片前缘1冷气从冷气进口a和e进入叶片内部第一冷却气腔101和第二冷却气腔102，通过带冲击孔隔板5进入叶片第一冲击腔103，冷气可通过冲击孔角度，调节冷气冲击叶片前缘1内腔位置，起到了局部强化换热作用，冷气完成了冲击叶片前缘1后通过前缘气膜孔7流出。
36.在叶片中弦叶盆2，冷气通过冷气进口b进入第三冷却气腔201，通过带冲击孔隔板5冲击中弦叶盆2的第四冲击腔203，冲击换热完成后，冷气从气膜孔7流出。
37.由于叶背中弦3无法开设气膜孔7，冷气从冷气进口d进入第四冷却气腔301后，冷气分为两路，一部分冷气进入叶片前缘1方向第二冲击腔105，起到强化换热作用，并从气膜孔7流出；另一部分冷气沿冲击隔板进入第五冲击腔302，与第五冷却气腔401冷气混合后进入扰流柱腔402，并通过尾劈缝排出。
38.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。