涡轮叶片前缘回流式冲击冷却装置

技术领域

本发明属于涡轮叶片冷却技术领域，具体涉及一种涡轮叶片前缘回流式冲击冷却装置。

背景技术

为了满足航空发动机越来越高的输出功率的需求，涡轮的进口温度不断提高，已远远超过现有高温材料的熔点，为了防止部件过热，需对叶片进行冷却。

射流冲击冷却结构在涡轮叶片前缘冷却中被广泛使用，但是涡轮叶片前缘在高温燃气的滞止效应下，通常承受着极高的热负荷，在传统冲击冷却结构中，冷气废气积聚在冲击腔中没有有效的排放途径，这些冷气废气的大量积聚，使得后续的冲击冷气在射流孔中的穿透性下降，冷却效率降低。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种涡轮叶片前缘回流式冲击冷却装置，能够提高冷却效果。

本发明实施例的涡轮叶片前缘回流式冲击冷却装置，包括叶片本体，所述叶片本体具有前缘区和尾缘区，在所述前缘区设置有冷却流道，所述冷却流道包括补气腔、冲击通道、冲击腔、回流孔和回流腔，所述冲击腔、回流腔和补气腔由所述前缘区向所述尾缘区依次间隔设置；所述冲击通道设置于所述补气腔和所述冲击腔之间，且所述冲击通道连通所述补气腔和所述冲击腔；所述回流孔设置于所述冲击腔和所述回流腔之间，且所述回流孔连通所述冲击腔和所述回流腔，所述回流腔与外界连通。

可以理解的是，通过冷却通道对叶片本体进行冷却时，冷却气体进入补气腔，补气腔内的冷却气体通过冲击通道进入到冲击腔内，对叶片本体进行冲击冷却，冲击腔内的气体通过回流孔进入到回流腔，回流腔内的气体再从回流腔排出，通过在补气腔和冲击腔之间设置回流腔，可以使从补气腔进入的冷却气体通过冲击通道进入到冲击腔内，积聚在冲击腔内的冷却气体可以经回流孔回流到回流腔内，然后从回流腔排出，减少了冲击腔内冷却气体的积聚，有利于提高冷却气体对叶片本体前缘的冲击冷却的效果，回流到回流腔的冷却气体还能再次对叶片本体进行冷却，从而可以提高冷却效果。

在本实施例中，所述冲击通道设置有多个，多个所述冲击通道沿所述叶片本体的高度方向间隔设置。

在本实施例中，所述冲击腔和所述回流腔之间形成第一隔板，所述回流腔和所述补气腔之间形成第二隔板，所述第一隔板和所述第二隔板之间形成有连接柱，所述冲击通道设置于所述连接柱内。

在本实施例中，所述冲击通道的直径为D1，所述D1为1.5mm～2mm，所述连接柱的外径为D2，所述D2为2mm～2.5mm。

在本实施例中，在所述叶片本体的宽度方向上，所述冲击通道的两侧均设置有所述回流孔。

在本实施例中，所述冲击通道的两侧均设置有多个所述回流孔，每侧的多个所述回流孔沿所述叶片本体的高度方向间隔设置。

在本实施例中，所述回流孔临近所述叶片本体的外侧壁设置。

在本实施例中，所述回流腔的顶端与外部连通。

在本实施例中，所述冲击腔的顶端与外部连通。

在本实施例中，在所述冲击腔、所述回流腔和所述补气腔的分布方向上，所述冲击腔的长度为H1，所述回流腔的长度为H2，所述补气腔的长度为H3，H1：H2：H3＝1：1：2。

附图说明

图1是本发明实施例的涡轮叶片前缘回流式冲击冷却装置的结构示意图。

图2是本发明实施例的涡轮叶片前缘回流式冲击冷却装置的侧视结构示意图。

图3是图2中A-A处的剖面结构示意图。

图4是图2中B-B处的剖面结构示意图一。

图5是图2中B-B处的剖面结构示意图二。

附图标记：

1、叶片本体；11、前缘区；12、尾缘区；

2、冷却流道；21、补气腔；22、冲击通道；23、冲击腔；24、回流孔；25、回流腔；

3、第一隔板；4、第二隔板。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本实施例中，如图1至图3所示，涡轮叶片前缘回流式冲击冷却装置包括叶片本体1，叶片本体1具有前缘区11和尾缘区12，在前缘区11设置有冷却流道2，冷却流道2包括补气腔21、冲击通道22、冲击腔23、回流孔24和回流腔25，冲击腔23、回流腔25和补气腔21由前缘区11向尾缘区12依次间隔设置。冲击通道22设置于补气腔21和冲击腔23之间，且冲击通道22连通补气腔21和冲击腔23。回流孔24设置于冲击腔23和回流腔25之间，且回流孔24连通冲击腔23和回流腔25，回流腔25与外界连通。

需要说明的是，冲击通道22起到传统冲击冷却中冲击孔的作用。

例如，冲击腔23的横截面形状为半圆形，也可以为近似椭圆形，冲击腔的横截面形状根据叶片本体1的前缘区的形状不同有所改变。叶片本体1的前缘区11和尾缘区12的形状为常规的现有技术，在此不进行限制。

可以理解的是，通过冷却通道对叶片本体1进行冷却时，冷却气体进入补气腔21，补气腔21内的冷却气体通过冲击通道22进入到冲击腔23内，对叶片本体1进行冲击冷却，冲击腔23内的气体通过回流孔24进入到回流腔25，回流腔25内的气体再从回流腔25排出，通过在补气腔21和冲击腔23之间设置回流腔25，可以使从补气腔21进入的冷却气体通过冲击通道22进入到冲击腔23内，积聚在冲击腔23内的冷却气体可以经回流孔24回流到回流腔25内，然后从回流腔25排出，减少了冲击腔23内冷却气体的积聚，有利于提高冷却气体对叶片本体1前缘的冲击冷却的效果，回流到回流腔25的冷却气体还能再次对叶片本体1进行冷却，从而可以提高冷却效果。

在本实施例中，冲击通道22设置有多个，多个冲击通道22沿叶片本体1的高度方向间隔设置。

具体地，如图2、图4和图5所示，图2中Z向为叶片本体的高度方向，相邻两个冲击通道22的间距为P1，P1为4mm～6mm。例如，P1可以为4mm、4.5mm、5mm、5.5mm或者6mm等，若相邻两个冲击通道22的距离过大，会降低冲击冷却的效果，若相邻两个冲击通道22之间的距离过小，则会增加加工难度。本实施例中将两个冲击通道22之间的间距设置为4mm～6mm，有利于提高冲击冷却效果。

可以理解的是，通过设置多个冲击通道22，且多个冲击通道22沿叶片本体1的高度方向间隔设置，可以均匀的进行冲击冷却，有利于提高冷却效果。

在本实施例中，如图4和图5所示，冲击通道22的直径为D1，D1为1.5mm～2mm，连接柱的外径为D2，D2为2mm～2.5mm。

例如，冲击通道22的直径为1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm或者2mm等，若冲击通道22的直径过大，则会降低冷却气体的冲击速度，不利于提高冷却效果，若冲击通道22的直径过小，则进入冲击腔23内的冷却气体量较小，同样会影响冷却效果。连接柱的外径为2mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm或者2.5mm等，若连接柱的外径过大，则连接柱的壁厚较厚，会影响冷却效果，若连接柱的外径过小，则会降低强度，增加加工难度。具体地，冲击通道22的直径和连接柱的外径成正比，本领域的技术人员可以根据实际需求设置冲击通道22的直径和连接柱的外径。

本实施例中，通过将冲击通道22的直径设置为1.5mm～2mm，连接柱的外径设置为2mm～2.5mm，可以在保证连接柱强度的同时，提高冷却效果，降低加工难度。

在本实施例中，如图3所示，冲击腔23和回流腔25之间形成第一隔板3，回流腔25和补气腔21之间形成第二隔板4，第一隔板3和第二隔板4之间形成有连接柱，冲击通道22设置于连接柱内。

具体地，第一隔板3的厚度为T1，T1为0.5～1mm，例如，T1为0.5、0.6mm、mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或者1.0mm，若第一隔板3的厚度T1过大，则会影响冷却效果，若第一隔板3的厚度T1过小，则会降低强度。第二隔板4的厚度为T2，T2为0.5～1mm，例如，T2为0.5、0.6mm、mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或者1.0mm，若第二隔板4的厚度T2过大，则会影响冷却效果，若第二隔板4的厚度T2过小，则会降低强度。

通过设置第一隔板3和第二隔板4，使回流腔25位于第一隔板3和第二隔板4之间，第一隔板3和第二隔板4之间形成连接柱，连接柱位于回流腔25内，冷却气流进入到回流腔25内时，连接柱可以对回流腔25内冷却气体造成扰动，有利于提高冷却效果。

在本实施例中，如图3所示，在叶片本体1的宽度方向上(图3中的X向)，冲击通道22的两侧均设置有回流孔24。

可以理解的是，冲击通道22位于两侧的回流孔24之间，冷却气流从冲击通道22进入冲击腔23后，冷却气流向两侧发散，两侧的冷却气流通过回流孔24进入到回流腔25内，可以使冲击腔23内的冷却气流可以顺畅的流出。

在本实施例中，如图3、图4和图5所示，冲击通道22的两侧均设置有多个回流孔24，每侧的多个回流孔24沿叶片本体1的高度方向间隔设置。

例如，在叶片本体1的高度方向上，相邻两个回流孔24之间的距离为P2，P2为4mm～6mm，例如P2可以为4mm、4.5mm、5mm、5.5mm或者6mm等，若相邻两个回流孔24的距离P2过大，会降低冲击冷却的效果，若相邻两个回流孔24之间的距离P2过小，则会增加加工难度。本实施例中将两个回流孔24之间的间距设置为4mm～6mm，有利于提高冲击冷却效果。

如图4所示，回流孔24和冲击通道22可以错列设置，可以对叶片本体1更均匀的冷却。当然，如图5所示，也可以将回流孔24和冲击通道22顺列设置，可以根据需要设置回流孔24和冲击通道22的排布方式，在此不进行限制。

具体地，当回流孔24和冲击通道22错列设置时，在叶片本体1的高度方向上，相邻的回流孔24和冲击通道22之间的距离为P3，P3为2mm～4mm，例如P3可以为2mm、2.5mm、3mm、3.5mm或者4mm等，若相邻两个回流孔24的距离P2过大，通过将相邻的回流孔24和冲击通道22之间的距离P3设置为2mm～4mm，有利于使回流孔24和冲击通道22均匀交错，从而使叶片本体1的冷却更均匀。需要说明的是，在叶片本体1的高度方向上，相邻的回流孔24和冲击通道22之间的距离P3与相邻的冲击通道22之间的距离P1成正比。

可以理解的是，通过设置多个回流孔24可以使冲击腔23内的气流均匀流出，有利于提高冷却效果。

在本实施例中，回流孔24临近叶片本体1的外侧壁设置。

例如，回流孔24可以为半圆形孔，回流孔24的半径为r，r可以为0.5mm～1mm，例如r，可以为0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1.0mm，若回流孔24的半径r过大，即回流孔24的流通面积过大，会使冲击腔23内的冷却气体过快的流出，不利于充分进行冷却，若回流孔24的半径r过小，则不便于加工，且冲击腔23内的冷却气体流出过慢，同样不利于提高冷却效果。当然，也可以将回流孔24设置为其他形状，在此不进行限制。

本实施例中，如图3所示，通过将回流孔24临近叶片本体1的外侧壁设置，可以使进入到回流腔25内的冷却气体形成旋流，有利于提高冷却效果。

在本实施例中，如图1所示，回流腔25的顶端与外部连通。

可以理解的是，回流腔25的顶端与外部连通，回流腔25内的一部分冷却气流可以从回流腔25的顶部流出，使冷却气流贯通回流腔25，有利于使冷却效果更均匀。

在本实施例中，如图1所示，冲击腔23的顶端与外部连通。

可以理解的是，冲击腔23内的一部分冷却气流可以从冲击腔23的顶部流出，使冷却气流贯通冲击腔23，有利于使冷却效果更均匀。

在本实施例中，如图3所示，在冲击腔23、回流腔25和补气腔21的分布方向上，冲击腔23的长度为H1，回流腔25的长度为H2，补气腔21的长度为H3，H1：H2：H3＝1：1：2。

例如，当冲击腔23的长度H1为4mm时，回流腔25的长度H2为4mm，气腔的长度H3为8mm，本领域的技术人员可以根据需要设置冲击腔23、回流腔25和补气腔21的长度，在此不进行限制。

可以理解的是，通过将冲击腔23、回流腔25和补气腔21的长度比例设置为1：1：2，有利于使冷却通道的进气量和出气量平衡，有利于提高冷却效果。

本实施例中，如图3所示，叶片本体1的前缘区11的外侧壁的厚度为T3，T3为1mm～2mm。

例如，T3可以为1mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、mm、1.8mm、1.9mm或2mm等。若叶片本体1的前缘区11的外侧壁的厚度过厚，则会影响冷却效果，若叶片本体1的前缘区11的外侧壁的厚度过薄，则会降低叶片本体1的强度。

可以理解的是，通过将叶片本体1的前缘区11的外侧壁的厚度T3设置为1mm～2mm，有利于使冷却效果更好，且可以使叶片本体1的强度满足使用需求。

综上所述，通过本实施中的冷却通道对叶片本体1进行冷却时，冷却气体进入补气腔21，补气腔21内的冷却气体通过冲击通道22进入到冲击腔23内，对叶片本体1进行冲击冷却，冲击腔23内的气体一部分通过回流孔24进入到回流腔25，另一部分从冲击腔23的顶部排出，进入到回流腔25的冷却气体在回流腔25内形成旋流，回流腔25内的气体再从回流腔25顶部排出，本实施例中，通过在补气腔21和冲击腔23之间设置回流腔25，可以使从补气腔21进入的冷却气体通过冲击通道22进入到冲击腔23内，积聚在冲击腔23内的冷却气体可以经回流孔24回流到回流腔25内，然后从回流腔25排出，减少了冲击腔23内冷却气体的积聚，有利于提高冷却气体对叶片本体1前缘的冲击冷却的效果，回流到回流腔25的冷却气体还能再次对叶片本体1进行冷却，从而可以提高冷却效果。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。