一种涡轮叶片内腔导流结构

技术领域

本发明属于航空发动机技术领域，具体涉及一种涡轮叶片内腔导流结构。

背景技术

涡轮前进口的温度控制对航空发动机的发展至关重要，尤其是需要提高航空发动机中涡轮前进口的温度，和涡轮前进口温度提高的发展相对应，需要更加先进的冷却技术，现有的发动机在设计时，为提升涡轮性能，保证叶片安全稳定工作，叶片通常设计成空心结构，冷却空气进入叶片内部空腔，与高温内腔壁面进行热交换后排出叶片内腔，以达到叶片降温的目的，此时为了延长冷却空气在内部空腔停留的时间，提升热交换效率，叶片内腔通常设计为蛇形通道，以使冷却空气在蛇形通道中与叶片内壁面进行充分的换热，最后从出口排出。

目前在叶片的蛇形通道转弯区域的设计中，除中间对两边空腔进行隔离的隔板外，无其他导流结构，这样，在通道弯头两侧角点位置容易形成旋涡，使得该区域冷却空气流动速度偏小，换热效率降低，导致叶片局部金属温度和热应力升高，叶片使用寿命降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种涡轮叶片内腔导流结构，以解决上述背景技术中提出现有的涡轮叶片在使用过程中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种涡轮叶片内腔导流结构，用于在冷却气体由所述内腔中的进气通道流入出气通道的过程中，对冷却气体的流动进行引导，所述导流结构包括：

导流片一和导流片二，所述导流片一和导流片二的第一端分别设置于所述进气通道和出气通道内，所述导流片一和导流片二的第二端延第一方向延伸并向内侧弯曲，且所述导流片一和导流片二的第二端位于所述内腔中的过渡区间内，所述导流片一和导流片二厚度分别为所述进气通道和出气通道宽度的10％-20％。

优选的，所述导流片一和导流片二的圆弧半径分别为所述进气通道和出气通道厚度宽度的70％-100％，且所述导流片一和导流片二的圆弧角在45°-70°之间。

优选的，所述导流片一和导流片二的第一端分别位于所述进气通道和出气通道的中间位置。

优选的，所述导流片一和导流片二在第一端位置的切线同冷却气体在所述进气通道和出气通道的流入流出方向相平行。

优选的，所述导流结构还包括导流片三，所述导流片三为圆弧状板体，且所述导流片三的进气端设置于所述导流片一和导流片二之间，所述导流片三的出气端设置于所述导流片和所述内腔的底壁之间。

优选的，所述导流片三整体均处于所述过渡区间内。

优选的，所述导流片三的出气端朝向所述出气通道圆角的拐点位置。

优选的，所述导流片三和所述导流片一以及导流片二均不接触，且所述导流片三同所述导流片一和导流片二之间的最小间距为所述导流片三厚度的50％-100％。

优选的，所述进气通道和出气通道的宽度相同，且所述导流片三的厚度为所述进气通道宽度的10％-20％，所述导流片三的圆弧角在45°-70°之间，所述导流片三的中心圆弧半径为所述进气通道宽度的70％-100％。

优选的，所述导流片一、导流片二和导流片三的规格相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过在涡轮叶片的内腔中增加导流结构，通过导流片一和导流片二的导流作用，以对冷却气体在进气通道流入出气通道的换向过程中，对冷却气体的流动进行引导，使冷却气体能够高速的在过渡区间内流动，以避免冷却气体在进气通道和出气通道的圆角位置产生旋涡而导致流速下降，从而提高了进气通道和出气通道在圆角位置的换热效率，在优选实施例中，通过增设导流片三，使进口通道圆角位置处的旋涡面积减少50％-70％，相应换热效率提高150％，对应叶片壁面温度下降60℃。

附图说明

图1为现有涡轮叶片内腔结构示意图；

图2为现有涡轮叶片内腔内气体流动示意图；

图3为本发明内腔结构示意图一；

图4为本发明内腔结构示意图二；

图5为本发明内腔内气体流动示意图；

图6为现有涡轮叶片内气体流速和位置关系图；

图7为本发明内腔内气体流速和位置关系图。

图中：100、内腔；100a、开口端；100b、封闭端；101、底壁、102、侧壁；103、隔板；103a、固定端；103b、自由端；104、缺口；105、过渡区间；106、进气通道；107、出气通道；108、拐点；200、导流结构；201、导流片一；202、导流片二；203a、第一端；203b、第二端；204、导流片三；204a、进气端；204b、出气端。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，为现有涡轮叶片(以下简称叶片)剖面图，该叶片为空心结构，即该叶片具有一内腔100，具体的，该内腔100具有一底壁101和两侧壁102，该底壁101和两侧壁102共同围成一一端开口的中空区间，对应的，将该内腔100的开口和底壁101位置分别计为该内腔100的开口端100a和封闭端100b，并对应将内腔100中由开口端100a向封闭端100b的延伸方向记为第一方向(图中以箭头Y表示)，由右侧壁102向左侧壁102延伸方向记为第二方向(图中以箭头X表示)，使用时，冷却气体从开口端100a进入内腔100，冷却气体在内腔100内流动的过程中与叶片的内壁进行换热，最后从内腔100的开口端100a排出，通过冷却气体同叶片内壁的换热并通过冷却气体的流动将涡轮叶片的热量带走，以达到对涡轮叶片降温的目的。

回到图1，继续对内腔100的组成进行说明，该叶片在内腔100内还设有一隔板103，该隔板103具有一固定端103a和一自由端103b，其固定端103a设置于内腔100的开口端100a，优选地，隔板103的固定端103a位于内腔100开口端100a的中间位置，自由端103b延第一方向延伸并同内腔100的底壁101间隔一定距离，以在隔板103自由端103b和内腔100底壁101之间形成一缺口104，并对应将内腔100中处于隔板103自由端103b和内腔100底壁101之间的空间记为过渡区间105(即图1中线A同内腔100底壁101所限定的区域)，回到图1，上述隔板103同内腔100的两侧壁102共同围成两延第一方向延伸的通道，两通道的开口端100a和封闭端100b同内腔100的开口端100a和封闭端100b的位置重合，具体的，两通道的一端敞开并通过上述隔板103隔开，两通道的另一端封闭并通过隔板103同内腔100底壁101之间的缺口104相连通，对应的，将上述两通道分别记为进气通道106和出气通道107，在叶片工作过程中，冷却气体在内腔100中流动以对叶片进行降温，参照图2,为冷却气体在内腔100内流动路径示意图，此时冷却气体从进气通道106的开口端进入内腔100，优选地，此时冷却气体延平行于第一方向的角度流入进气通道106，并延进气通道106的长度方向流动，在运动至进气通道106的封闭端位置后，从隔板103自由端103b同内腔100封闭端100b之间的缺口104进入出气通道107，延出气通道107的长度方向运动后从出气通道107的开口端100a流出，冷却气体在延进气通道106和出气通道107运动的过程中与叶片的内壁相接触并换热，通过冷却气体的流动将叶片的热量带走，以达到叶片降温的目的。

进一步地，内腔100的底壁101同侧壁102之间为圆弧连接，即内腔100的两底角为圆角，并对应将两圆角的中间点记为该圆角的拐点108，优选地，隔板103的自由端103b同样做倒圆角处理，以使冷却气体在从进气通道106流入出气通道107的过程中更加平稳。

进一步地，上述内腔100还设有导流结构200，同时为了方便后续的说明，参照图3，将隔板103两侧壁102同内腔100两侧壁102之间的间距W1和W2分别记为进气通道106和出气通道107的宽度，即将进气通道106和出气通道107在第二方向上的长度对应记为进气通道106和出气通道107的宽度，对应的，当隔板103固定端103a设置于内腔100开口端100a的中间位置时，此时进气通道106和出气通道107的宽度相等，并对应将该宽度记为W。

参照图3，现对导流结构200进行说明，具体的，导流结构200包括第一导流组件，其中第一导流组件包括导流片一201和导流片二202，导流片一201和导流片二202均为具有一定厚度的板状部件，将导流片一201和导流片二202的两端分别记为第一端203a和第二端203b，导流片一201和导流片二202的第一端203a分别设置于进气通道106和出气通道107内，导流片一201和导流片二202的第二端203b在延第一方向延伸的同时向内侧(即朝向隔板103一侧)弯曲,即导流片一201和倒流片二均为弧形板状部件，且导流片一201和导流片二202至少一部分处于过渡区间105内，即导流片一201和导流片二202的第二端203b延伸至过渡区间105内，此时由进气通道106流入的冷却气体在导流片一201的第一端203a位置分流后，分支气流延导流片一201和导流片二202的表面轨迹流动，并在经过导流片二202的第二端203b位置后重新合流延出气通道107的长度方向流出，优选地，参照图3，导流片一201和导流片二202的圆心角(α1)在45°-70°之间，中心圆弧半径(R1)分别为进气通道106和出气通道107宽度的70％-100％，且导流片一201和导流片二202的厚度分别为进气通道106和出气通道107厚度的10％-20％，优选地，导流片一201和导流片二202的第一端203a分别位于进气通道106和出气通道107的中间位置(即导流片一201和导流片二202的第一端距离通道两侧壁的距离相等)，且导流片一201和导流片二202在第一端203a的切线同冷却气体在进气通道106和出气通道107内流入和流出方向相平行，以提高第一导流组件对冷却气体的导流效果，进而提高冷却气体内腔100内圆角位置的流速。

参照图4，继续对导流结构200进行说明，该导流结构200还包括第二导流组件，第二导流组件主体由导流片三204构成，导流片三204同样为具有一定厚度的弧形板体，优选地，导流片三204同导流片一201和导流片二202的规格大小范围相同，即导流片三204的圆心角(α2)在45°-70°之间，中心圆弧半径(R2)为进气通道106或出气通道107宽度的70％-100％，且导流片三204的厚度(w2)为进气通道106或出气通道107厚度的10％-20％，进一步优选地，导流片一201、导流片二202和导流片三204为相同规格大小的的弧形板体，在导流结构200的一个实施例中，隔板103的固定端103a处于内腔100开口端100a的中间位置，且导流片一201、导流片二202和导流片三204的厚度为通道宽度(W)的12％，中心圆弧半径为通道宽度(W)的95％，圆弧角为67°，回到图4，继续对导流片三204进行说明，并对应将导流片三204的两端分别记为进气端204a和出气端204b，其进气端204a位于上述导流片一201和导流片二202之间，出气端204b位于导流片二202和内腔100的底壁之间，其进气端204a和出气端204b分别靠近导流片一201和导流片二202的第二端203b设置，且导流片三204同导流片一201和导流片二202均不接触，即在导流片三204同导流片一201和导流片二202之间存在间距，优选地，导流片三204同导流片一201和导流片二202之间的最小间距为导流片三204厚度的50％-100％，回到图4，继续对导流片三204的位置进行说明，导流片三204至少一部分位于过渡区间105内，优选地，导流片三204整体位于过渡区间105内，且导流片三204的出气端204b指向出气通道107圆角的拐点108位置，参照图5，为冷却气体在内腔100中的流动轨迹，此时冷却气体在过渡区间105内，即由进气通道106流入出气通道107的过程中，导流片一201的第一端203a、导流片三204的进气端204a以及导流片二202的第二端203b能够对冷却气体进行分流引导，冷却气体延导流片一201、导流片二202和导流片三204的表面轨迹以及导流片一201、导流片二202同导流片三204的缝隙之间流动，起到很好的导流作用，以避免冷却气体在内腔100圆角位置产生旋涡，提高了冷却气体在该位置的流动速度，进而提高了叶片的降温效率。

进一步地，上述导流片一201、导流片二202和导流片三204的两端均做倒圆角处理，以使冷却气体在与导流片一201、导流片二202和导流片三204接触时能够更加平稳快速的流动，优选地，该圆角大小为对应导流片厚度的50％。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。