專(zhuān)利名稱(chēng)：一種適用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的梯形交錯(cuò)肋冷卻葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的梯形交錯(cuò)肋冷卻葉片，該冷卻葉片的冷卻通道由原始的矩形交錯(cuò)肋通道改變成梯形的交錯(cuò)肋通道。

背景技術(shù)：
在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪葉片緊挨著燃燒室，其所處環(huán)境溫度局部高達(dá)2000K。為了改善燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，一般采用提高渦輪前溫度，隨之帶來(lái)的是渦輪部件熱負(fù)荷的增加。另外，渦輪葉片(工作葉片)在高轉(zhuǎn)速下工作(轉(zhuǎn)速可達(dá)15000rpm以上)，處于非常高的離心力場(chǎng)當(dāng)中。在如此惡劣的工作環(huán)境中，要保證葉片正常、可靠、長(zhǎng)期的工作，就必須對(duì)渦輪葉片進(jìn)行有效的冷卻，保持最佳的熱應(yīng)力狀態(tài)。冷卻的原則是使用最少的冷氣量來(lái)保證葉片可靠工作。目前使用中的渦輪冷卻葉片有很多種，其中以俄羅斯為代表的是多腔復(fù)合交錯(cuò)肋冷卻通道。其通道上的交錯(cuò)肋一般為矩形交錯(cuò)肋(9)(請(qǐng)參見(jiàn)圖1所示)。其結(jié)構(gòu)參數(shù)一共有7個(gè)，分別為描述通道結(jié)構(gòu)的通道寬度W、通道高度H、通道長(zhǎng)度L，以及描述肋結(jié)構(gòu)的肋高度e、肋寬度t、肋間距p以及肋傾角β。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3--7。一旦這些參數(shù)確定，則交錯(cuò)肋通道可以唯一確定。當(dāng)肋高e＝H/2時(shí)，上下兩列肋片相接觸，此時(shí)整個(gè)通道被肋片分割成許多小的網(wǎng)格，這是交錯(cuò)肋通道中的一種特殊形式，被稱(chēng)為網(wǎng)格通道(LatticeworkChannel)。上下交錯(cuò)的肋片形成許多副通道，冷卻氣流流入網(wǎng)格通道后，將沿著各副通道流動(dòng)，在流至通道側(cè)端壁(11)時(shí)則會(huì)發(fā)生2β的偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而在通道內(nèi)不斷翻折，這樣一來(lái)增加了冷卻氣體在通道內(nèi)的流動(dòng)距離，而且由于在側(cè)壁氣流發(fā)生大的翻折，形成的二次流可以對(duì)換熱起到增強(qiáng)作用。圖2給出了交錯(cuò)肋通道內(nèi)部空氣的流動(dòng)情況。再者，由于通道被劃分為很多小的網(wǎng)格，氣流除了按照上述規(guī)律流動(dòng)外，勢(shì)必會(huì)在各網(wǎng)格之間發(fā)生摻混，這樣形成的不規(guī)則二次流也有助于破壞覆面層，增強(qiáng)換熱效果。此外，大量的肋片也增加了通道內(nèi)的換熱面積，這對(duì)于通道內(nèi)部的換熱效果也起著積極的作用。
可見(jiàn)這種結(jié)構(gòu)的冷卻使葉片冷卻效果好，熱載荷小，溫度分布均勻，熱應(yīng)力小。但是該結(jié)構(gòu)的不足也非常明顯如壓力損失比較大，冷氣利用率不高、質(zhì)量大。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種適用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的梯形交錯(cuò)肋冷卻葉片，其葉片內(nèi)部的原始矩形交錯(cuò)肋冷卻通道被改成梯形交錯(cuò)肋冷卻通道，雖然使結(jié)構(gòu)較未改之前換熱下降，但流阻較未改前下降頗多，綜合換熱效果(Nu/Cf1/3)大為提高；合理的梯形設(shè)計(jì)(選取恰當(dāng)?shù)奶菪谓诲e(cuò)肋截面底角α，γ；選取合適的肋高與肋間距比e/t)，在換熱和流阻之間尋找一個(gè)恰當(dāng)?shù)慕M合點(diǎn)，從而使綜合換熱效果(Nu/Cf1/3)最佳。
這種用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片內(nèi)部冷卻的梯形交錯(cuò)肋冷卻通道，高H寬W冷卻通道的冷卻腔被高e寬t傾斜角為β和-β的兩組交錯(cuò)肋(2)分隔成多個(gè)小的副流體通道(6)，其中e為H的一半，本發(fā)明其新特征在于葉片內(nèi)部的冷卻通道的冷卻腔被梯形交錯(cuò)肋(8)分隔成多個(gè)小的副流體通道(10)，梯形頂端位于通道中心位置、底端位于通道壁面(12)處，使得肋的寬度離壁面(12)越遠(yuǎn)則肋的寬度越小，梯形截面應(yīng)滿(mǎn)足的形狀為45＜α＜80，45＜γ＜80，0.5＜e/t＜2，0＜t＜0.3L，其中α，γ表示梯形截面的兩個(gè)底角，e表示肋的高度，t表示梯形截面的底邊長(zhǎng)，L表示葉片的弦向長(zhǎng)度，α，γ取值相等。梯形交錯(cuò)肋的葉片內(nèi)部的冷卻通道的比擬系數(shù)Nu/Cf1/3為努塞爾數(shù)Nu和阻力系數(shù)Cf1/3之比，其比原矩形交錯(cuò)肋的葉片內(nèi)部的冷卻通道的比擬系數(shù)提高了10～50％，且質(zhì)量比原矩形交錯(cuò)肋冷卻通道減小。
本發(fā)明梯形交錯(cuò)肋冷卻葉片的優(yōu)點(diǎn)在于(1)采用梯形交錯(cuò)肋通道替原有葉片中的矩形交錯(cuò)肋通道，雖然換熱較原始通道弱化，但交錯(cuò)肋通道的擴(kuò)展，使得改進(jìn)后通道流阻大幅度降低，從而綜合換熱效果(Nu/Cf1/3)增加4到5倍。(2)采用梯形交錯(cuò)肋通道代替原有葉片的矩形交錯(cuò)肋通道，改進(jìn)后通道的質(zhì)量大大減小。



圖1交錯(cuò)肋冷卻葉片的剖視結(jié)構(gòu)圖 圖2交錯(cuò)肋通道內(nèi)部的流動(dòng)情況示意圖 圖3原始矩形交錯(cuò)肋通道結(jié)構(gòu)圖 圖4矩形交錯(cuò)肋通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1 圖5矩形交錯(cuò)肋通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2 圖6矩形交錯(cuò)肋通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3 圖7矩形交錯(cuò)肋通道平面結(jié)構(gòu)示意圖 圖8本發(fā)明的梯形交錯(cuò)肋通道示意圖 圖9梯形交錯(cuò)肋通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1 圖10梯形交錯(cuò)肋通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2 圖11梯形交錯(cuò)肋通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3 圖12梯形交錯(cuò)肋通道平面結(jié)構(gòu)示意圖 圖中 1.葉根 2.葉尖 3.前緣 4.尾緣 5.梯形交錯(cuò)肋 6.冷卻腔 7.隔板 8.梯形截面肋 9.矩形截面肋 10.副流體通道11.通道端壁12.通道壁面 p.兩肋間寬度 t.肋底邊寬度 β.肋傾角e.肋高度 H.通道高度 L.流向通道長(zhǎng)度 W.通道寬度 α.梯形底角 γ.梯形底角
具體實(shí)施例方式 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
請(qǐng)參見(jiàn)圖1所示，本發(fā)明是一種適用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片內(nèi)部冷卻的梯形交錯(cuò)肋冷卻通道，該梯形交錯(cuò)肋冷卻葉片的內(nèi)部冷卻通道從葉根1端進(jìn)冷卻氣，并從葉尖2或尾緣4出冷卻氣。其中，冷卻通道被隔板7分隔形成多個(gè)冷卻腔6。在大的中部和尾緣冷卻腔中，冷卻腔被在葉盆面和葉背面安裝的梯形交錯(cuò)肋分隔成多個(gè)小的流動(dòng)通道，通道內(nèi)部的流動(dòng)情況見(jiàn)圖2。
請(qǐng)參見(jiàn)圖3--圖7所示的通道簡(jiǎn)化圖，原矩形交錯(cuò)肋冷卻葉片的內(nèi)部冷卻通道的結(jié)構(gòu)為由多個(gè)矩形交錯(cuò)肋(9)分隔成圖2所示的小通道(10)，形成了多腔回流式冷卻系統(tǒng)。一個(gè)通道的冷卻氣體，在由兩條矩形肋形成的通道(10)中流動(dòng)，碰到端壁(11)后轉(zhuǎn)變流動(dòng)方向，從另兩條矩形肋形成的通道中流動(dòng)，再碰到端壁(11)后再轉(zhuǎn)向折返，直到到達(dá)葉尖后沒(méi)有壁面了就不再折返直接從葉尖流出，流體在通道中不斷的改變氣流方向，增大湍流度，增強(qiáng)換熱。然而，流體在通過(guò)這些矩形肋(9)形成的窄小通道時(shí)，流動(dòng)損失非常大，極有可能在出口處出現(xiàn)回流的情況，這對(duì)于渦輪葉片來(lái)說(shuō)是非常不利的，因?yàn)樵诠ぷ髦袦u輪葉片處于高溫環(huán)境中，如果出現(xiàn)回流，將是高溫燃?xì)饣亓鞯饺~片內(nèi)部，使葉片的溫度超過(guò)其材料能承受的范圍。本發(fā)明的梯形交錯(cuò)肋(8)冷卻葉片結(jié)構(gòu)，把原先的矩形(9)交錯(cuò)肋改成梯形(8)交錯(cuò)肋，見(jiàn)圖8---圖12。使肋間的通道(10)相對(duì)于原來(lái)的矩形交錯(cuò)肋形成的通道(10)增大了許多，這樣流阻損失相應(yīng)地就減小了很多，換熱性能也相應(yīng)的有所下降，但若從換熱和流阻綜合來(lái)考慮，這種發(fā)明還是非常有實(shí)際意義的。
本發(fā)明從傳熱學(xué)角度講，使整體熱應(yīng)力分布均勻，壓力損失也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原矩形交錯(cuò)肋的冷卻葉片。
在本發(fā)明中，梯形交錯(cuò)肋冷卻葉片是采用分次焊接加工成型，可以通過(guò)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片對(duì)冷卻功率的設(shè)計(jì)要求，將冷卻通道采用梯形交錯(cuò)肋結(jié)構(gòu)分隔成多個(gè)小的流體通道(10)，其中，梯形交錯(cuò)肋(8)的單個(gè)肋的截面應(yīng)滿(mǎn)足的形狀為45＜α＜80，45＜β＜80，0.5＜e/t＜2，0＜t＜0.3L，見(jiàn)圖10。
本發(fā)明的梯形交錯(cuò)肋冷卻葉片，經(jīng)簡(jiǎn)化模型實(shí)驗(yàn)和三維數(shù)值模擬測(cè)試其換熱性能和流動(dòng)阻力，梯形交錯(cuò)肋冷卻通道的比擬系數(shù)Nu/Cf1/3為努塞爾數(shù)Nu和阻力系數(shù)Cf1/3之比，其比原矩形交錯(cuò)肋的葉片內(nèi)部的冷卻通道的比擬系數(shù)提高了10～50％。
該梯形交錯(cuò)肋的結(jié)構(gòu)參數(shù)一共有8個(gè)，分別為描述通道結(jié)構(gòu)的通道寬度W、通道高度H、通道長(zhǎng)度L，肋高度e、肋寬度t、肋間距p以及肋傾角β，梯形肋傾角α、γ，具體見(jiàn)圖10。
權(quán)利要求
1.一種用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片中部或者尾緣的內(nèi)部冷卻梯形交錯(cuò)肋通道，高H寬W冷卻通道的冷卻腔被高e寬t傾斜角為β和-β的兩組交錯(cuò)肋(2)分隔成多個(gè)小的副流體通道(6)，其中斜肋(2)高e為通道高度H的一半，其特征在于葉片內(nèi)部的冷卻通道的冷卻腔被梯形交錯(cuò)肋(8)分隔成多個(gè)小的副流體通道(10)，梯形頂端位于通道中心位置、底端位于通道壁面(12)處，使得肋離壁面(12)越遠(yuǎn)的地方肋的寬度越小，斜肋(2)梯形截面應(yīng)滿(mǎn)足的形狀為45＜γ＜80，45＜γ＜80，0.5＜e/t＜2，0＜t＜0.3L，其中α，γ表示梯形截面的兩個(gè)底角，e表示斜肋(2)的高度，t表示梯形截面的底邊長(zhǎng)，L表示交錯(cuò)肋通道沿流動(dòng)方向的長(zhǎng)度，α，γ取值相等。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種適用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的梯形交錯(cuò)肋冷卻葉片，其葉片內(nèi)部的交錯(cuò)肋冷卻通道為多個(gè)梯形截面的肋交叉排列，并形成多個(gè)小的冷氣流道。其梯形截面的尺寸應(yīng)在0＜α＜90，0＜γ＜90，0＜e/t＜10，0＜t＜L所限定的范圍內(nèi)，且本發(fā)明梯形交錯(cuò)肋冷卻通道的比擬系數(shù)Nu/Cf1/3為努塞爾數(shù)Nu和阻力系數(shù)Cf1/3之比，其值比原矩形交錯(cuò)肋的葉片內(nèi)部的冷卻通道的比擬系數(shù)提高了10～50％，其質(zhì)量較原矩形交錯(cuò)肋通道不同程度的減小。
文檔編號(hào)F01D5/18GK101158292SQ20071011876
公開(kāi)日2008年4月9日 申請(qǐng)日期2007年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月13日
發(fā)明者韓樹(shù)軍, 鄧宏武, 劉傳凱, 智 陶, 丁水汀, 星 袁 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)