專利名稱：航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的零冷氣消耗超強(qiáng)度冷卻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及渦輪葉片冷卻技術(shù)領(lǐng)域，是一種零冷氣消耗、超強(qiáng)度燃?xì)鉁u輪葉 片冷卻裝置，特別適用于高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高主要依靠提高渦輪前燃?xì)鉁囟萒/來(lái)實(shí)現(xiàn)的，目前國(guó)內(nèi) 推重比10 —級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度已達(dá)到1580°C 1680°C，國(guó)外先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前 溫度已達(dá)到了 2000K左右。日益提高的燃?xì)鉁囟仁沟冒l(fā)動(dòng)機(jī)的高溫零部件，尤其是渦輪葉 片的工作環(huán)境嚴(yán)重惡化，目前許多燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中燃?xì)獾臏囟纫呀?jīng)超過(guò)了渦輪葉片材料 所能承受的限度。同時(shí)為了保證壓氣機(jī)效率，需要減少渦輪冷氣用量，這就使得渦輪的冷卻 設(shè)計(jì)面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，必須發(fā)展高效的冷卻技術(shù)或新型冷卻方式以保證渦輪葉片長(zhǎng)壽 命安全有效地工作。航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫燃?xì)鉁u輪葉片都設(shè)計(jì)為氣冷空腔，內(nèi)部采用氣冷強(qiáng)化換熱冷卻， 致使渦輪葉片內(nèi)冷通道的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，加工制造成本較高；此外，在一些先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng) 機(jī)中，用于冷卻渦輪葉片的空氣量已經(jīng)高達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)總流量的15% 20%，大量的空氣用于 冷卻，造成了航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重大損失。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度的進(jìn)一步提高，單純 的氣冷方式提高換熱系數(shù)的空間已經(jīng)較小，很難滿足日益提高燃?xì)鉁囟鹊囊?。采用液?換熱系數(shù)可大幅度提高，但在發(fā)動(dòng)上額外攜帶液體作為渦輪葉片的冷卻劑將增加發(fā)動(dòng)機(jī)的 重量，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。因此，探索新概念高強(qiáng)度冷卻方式，有效地降低渦輪葉片的熱 負(fù)荷，減小冷卻空氣量，將燃?xì)獬鯗靥岣叩叫碌乃?，已?jīng)成為改進(jìn)當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性 和安全性，發(fā)展下一代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的亟需突破的關(guān)鍵技術(shù)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提出一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的零冷氣消耗超強(qiáng)度冷卻裝 置，以克服航空發(fā)動(dòng)機(jī)中燃?xì)鉁u輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜和單位空氣量冷卻效率低的問(wèn)題，同 時(shí)為了避免冷卻氣與主流燃?xì)獾膿交於鴰?lái)的空氣動(dòng)力和熱損失。本實(shí)用新型主要針對(duì)渦 輪導(dǎo)向器葉片，其內(nèi)冷通道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、冷卻效率高，同時(shí)不需要冷卻氣體。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的零冷氣消耗超強(qiáng)度冷卻裝置，包括渦輪葉片、上端壁、 下端壁、散熱器、導(dǎo)管；其在葉片壁厚內(nèi)，自葉片前緣到尾緣橫向加工多個(gè)獨(dú)立的圓孔通道， 圓孔通道相互間平行設(shè)置，將相鄰圓孔通道之間上端與上端相互連通、下端與下端相互連 通；上端壁的前緣、尾緣各設(shè)有一圓孔，前緣孔與曲折通道的起端相通連，尾緣孔與曲 折通道的尾端相通連；下端壁為實(shí)板；以上端壁、下端壁將多個(gè)獨(dú)立的圓孔通道兩端密封覆蓋，構(gòu)成一條蛇形曲折的通 道；
3[0009]利用兩根導(dǎo)管將渦輪葉片前后緣附近曲折通道的前、尾緣孔分別與散熱器進(jìn)、出 口密封連通，使蛇形曲折通道與散熱器組成密閉的連通內(nèi)冷通道，在內(nèi)冷通道內(nèi)充滿高壓 液體；當(dāng)渦輪葉片感受到高溫燃?xì)鈺r(shí)，在高溫燃?xì)獾臒狎?qū)動(dòng)下，內(nèi)冷通道內(nèi)形成內(nèi)循環(huán)，其 循環(huán)流動(dòng)中的熱量由散熱器帶走，從而在無(wú)需冷卻氣的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪葉片的超強(qiáng)度冷 卻。所述的超強(qiáng)度冷卻裝置，其所述高壓液體，為高壓液體氟利昂。所述的超強(qiáng)度冷卻裝置，其所述密封覆蓋、密封連通，為密封焊接工藝。所述的超強(qiáng)度冷卻裝置，其所述圓孔通道，在葉片壁厚內(nèi)，截面寬部為雙層設(shè)置， 截面窄部為一層設(shè)置。本實(shí)用新型的有益效果是(1)渦輪葉片內(nèi)冷通道結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，避免了采用復(fù)雜冷卻結(jié)構(gòu)時(shí)存在的渦輪葉 片加工難和加工工藝復(fù)雜的問(wèn)題，降低了渦輪葉片加工制造成本；(2)能夠有效降低渦輪葉片的溫度，使溫度分布更合理，大大降低葉片的熱應(yīng)力， 提高葉片壽命和可靠性；(3)不需要消耗冷卻空氣，同時(shí)避免冷卻氣體與主流燃?xì)獾膿交於鴰?lái)的損失，從 而提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)熱效率；(4)有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重 比；(5)允許渦輪葉片使用更簡(jiǎn)單的材料，從而降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的成本；(6)改善渦輪工作環(huán)境，延長(zhǎng)渦輪部件壽命，從而延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的服務(wù)期。

圖1為本實(shí)用新型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的零冷氣消耗超強(qiáng)度冷卻裝置外形及 循環(huán)示意圖；圖2為本實(shí)用新型的裝置中冷卻葉片整體外形子午視圖；圖3為圖2中的N-N剖面圖；圖4為圖2中的P-P剖面圖；圖5為圖2中的S-S剖面圖；圖6為圖2中的U-U剖面圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的零冷氣消耗超強(qiáng)度冷卻裝置，是在葉片 壁厚內(nèi)(自葉片前緣到尾緣)橫向加工多個(gè)獨(dú)立的圓孔通道，圓孔通道相互間平行設(shè)置，將 相鄰圓孔通道之間上端與上端相互連通、下端與下端相互連通，構(gòu)成一條蛇形曲折的通道， 再利用兩根導(dǎo)管將渦輪葉片前后緣附近曲折通道的首尾圓孔分別與散熱器進(jìn)出口連通，從 而使蛇形曲折通道與散熱器組成密閉的連通內(nèi)冷通道，在通道內(nèi)注入高壓液體，并且液體 必須充滿通道。當(dāng)渦輪葉片感受到高溫燃?xì)鈺r(shí)，在高溫燃?xì)獾臒狎?qū)動(dòng)下，內(nèi)冷通道內(nèi)形成內(nèi) 循環(huán)，其循環(huán)流動(dòng)中的熱量由散熱器帶走，從而在無(wú)需冷卻氣的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪葉片的 超強(qiáng)度冷卻。
4[0027]參見(jiàn)圖1，在現(xiàn)有的內(nèi)冷渦輪葉片1中，在葉片壁厚內(nèi)(自葉片前緣到尾緣)加工 一系列沿葉高分布的各自獨(dú)立的圓孔通道6 27 (參見(jiàn)圖5)，在上端壁4附近，圓孔通道8 與圓孔通道10，圓孔通道9與圓孔通道12，圓孔通道11與圓孔通道13，圓孔通道14與圓孔 通道15，圓孔通道16與圓孔通道17，圓孔通道18與圓孔通道19，圓孔通道20與圓孔通道 21，圓孔通道22與圓孔通道23，圓孔通道24與圓孔通道25，圓孔通道26與圓孔通道27連 通(參見(jiàn)圖2、圖4)；而在下端壁5附近，圓孔通道6與圓孔通道8，圓孔通道9與圓孔通道 11，圓孔通道10與圓孔通道12，圓孔通道13與圓孔通道14，圓孔通道15與圓孔通道16， 圓孔通道17與圓孔通道18，圓孔通道19與圓孔通道20，圓孔通道21與圓孔通道22，圓孔 通道23與圓孔通道24，圓孔通道25與圓孔通道26，圓孔通道27與圓孔通道7連通(參見(jiàn) 圖2、圖6)，將葉片上端壁4和下端壁5焊接在渦輪葉片1上，這樣在渦輪葉片1壁厚內(nèi)形 成了密閉的連通通道。參見(jiàn)圖1、圖3，利用兩根導(dǎo)管2將渦輪葉片1前緣通孔6和尾部通 孔7分別與散熱器3連通，從而構(gòu)成密閉的連通通道。當(dāng)渦輪葉片1感受到高溫燃?xì)鈺r(shí)，通 道內(nèi)的高壓液體在高溫燃?xì)獾臒狎?qū)動(dòng)下，在封閉通道內(nèi)形成循環(huán)流動(dòng)，與空氣相比，高壓液 體在通道中的換熱系數(shù)高出很多，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)渦輪葉片1的超強(qiáng)度冷卻，其循環(huán)流動(dòng)中的 熱量由散熱器3帶走。綜上所述，本實(shí)用新型可直接用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)，在不需要冷卻空氣的情況下提高 渦輪葉片1的冷卻效率，提高渦輪進(jìn)口溫度，從而提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比，降低航空發(fā)動(dòng) 機(jī)制造成本。
權(quán)利要求一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的零冷氣消耗超強(qiáng)度冷卻裝置，包括渦輪葉片、上端壁、下端壁、散熱器、導(dǎo)管；其特征是在葉片壁厚內(nèi)，自葉片前緣到尾緣橫向加工多個(gè)獨(dú)立的圓孔通道，圓孔通道相互間平行設(shè)置，將相鄰圓孔通道之間上端與上端相互連通、下端與下端相互連通；上端壁的前緣、尾緣各設(shè)有一圓孔，前緣孔與曲折通道的起端相通連，尾緣孔與曲折通道的尾端相通連；下端壁為實(shí)板；以上端壁、下端壁將多個(gè)獨(dú)立的圓孔通道兩端密封覆蓋，構(gòu)成一條蛇形曲折的通道；利用兩根導(dǎo)管將渦輪葉片前后緣附近曲折通道的前、尾緣孔分別與散熱器進(jìn)、出口密封連通，使蛇形曲折通道與散熱器組成密閉的連通內(nèi)冷通道，在內(nèi)冷通道內(nèi)充滿高壓液體；當(dāng)渦輪葉片感受到高溫燃?xì)鈺r(shí)，在高溫燃?xì)獾臒狎?qū)動(dòng)下，內(nèi)冷通道內(nèi)形成內(nèi)循環(huán)，其循環(huán)流動(dòng)中的熱量由散熱器帶走，從而在無(wú)需冷卻氣的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪葉片的超強(qiáng)度冷卻。
2.如權(quán)利要求1所述的超強(qiáng)度冷卻裝置，其特征是所述高壓液體，為高壓液體氟利 昂。
3.如權(quán)利要求1所述的超強(qiáng)度冷卻裝置，其特征是所述密封覆蓋、密封連通，為密封 焊接工藝。
4.如權(quán)利要求1所述的超強(qiáng)度冷卻裝置，其特征是所述圓孔通道，在葉片壁厚內(nèi)，截 面寬部為雙層設(shè)置，截面窄部為一層設(shè)置。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的零冷氣消耗超強(qiáng)度冷卻裝置，涉及渦輪葉片冷卻技術(shù)，是在葉片壁厚內(nèi)(自葉片前緣到尾緣)加工若干獨(dú)立的圓孔通道，將相鄰圓孔通道之間上端與上端相互連通、下端與下端相互連通，利用兩根導(dǎo)管將渦輪葉片前后緣附近的圓孔通道分別與散熱器連通，從而構(gòu)成密閉的連通通道，在通道內(nèi)充滿高壓液體。當(dāng)渦輪葉片感受到高溫燃?xì)鈺r(shí)，在高溫燃?xì)獾臒狎?qū)動(dòng)下，內(nèi)冷通道內(nèi)形成內(nèi)循環(huán)，其循環(huán)流動(dòng)中的熱量由散熱器帶走，從而在無(wú)需冷卻氣的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪葉片的超強(qiáng)度冷卻。本實(shí)用新型能在不需要冷卻空氣的情況提高渦輪葉片冷卻效率，提高渦輪進(jìn)口溫度，從而提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比，降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造成本。
文檔編號(hào)F01D5/18GK201610771SQ20102011409
公開(kāi)日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月10日
發(fā)明者盧新根, 唐大偉, 徐綱, 朱俊強(qiáng), 李玉華, 袁達(dá)忠 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所