專利名稱：一種內(nèi)冷通道表面為流向微槽表面的高效冷卻渦輪葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)冷通道表面為流向微槽表面的高效冷卻渦輪葉片，屬于航空、航天、動(dòng)力機(jī)械等高熱流密度的局部換熱領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鑒于現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比性能不斷提高的要求，渦輪進(jìn)口溫度也在迅速增長(zhǎng)，目前在研的發(fā)動(dòng)機(jī)，其渦輪前燃?xì)鉁囟葹?900K 2100K，而葉片加工使用的各種材料在無冷卻的情況下，只能在1400K左右才能維持其較高的強(qiáng)度指標(biāo)。這使得渦輪葉片承受著很強(qiáng)的熱負(fù)荷，容易導(dǎo)致熱疲勞損壞，同時(shí)也給發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的冷卻提出了苛刻的要求，可以說，冷卻技術(shù)已經(jīng)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的瓶頸。另外，渦輪葉片(工作葉片)在高轉(zhuǎn)速下工作(轉(zhuǎn)數(shù)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，渦輪葉片承受著氣動(dòng)力、熱應(yīng)力以及巨大的離心力。要保證渦輪葉片能夠正常、可靠、長(zhǎng)期的工作，就必須對(duì)葉片進(jìn)行有效的冷卻，既要盡可能的降低葉片本身的溫度，使它保持較高的強(qiáng)度水平；又要保證渦輪葉片具有合理的溫度分布，使它具有均勻的內(nèi)應(yīng)力分布；同時(shí)又不能將內(nèi)部冷卻通道設(shè)計(jì)的過于復(fù)雜，為加工帶來不便。因此，發(fā)展更先進(jìn)的冷卻技術(shù)、研究更高效的渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)是非常有必要而且相當(dāng)緊迫的。這樣不但可以提高熱端部件的承受溫度，還能大大延長(zhǎng)使用壽命。據(jù)稱，渦輪葉片的工作溫度降低15° C，壽命可延長(zhǎng)一倍左右O
渦輪葉片的冷卻由葉片結(jié)構(gòu)及溫度分布主要分為前緣、中部及尾緣三部分，葉片前緣常采用沖擊加氣膜出流冷卻技術(shù)、尾緣采用繞流柱加劈縫出流等冷卻技術(shù)，使得前緣和尾緣葉片溫度滿足材料許用溫度，而渦輪葉片中部為減小葉片型面損失，提高渦輪效率，其中部尤其葉背很少采用氣膜出流等有效冷卻方式，則成為溫度相對(duì)最高區(qū)域。世界上現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片內(nèi)冷通道應(yīng)用的比較典型的分別是以西方國家和俄羅斯為代表的冷卻方案。西方國家渦輪葉片內(nèi)冷通道主要為中部蛇形通道冷卻結(jié)構(gòu)，由于氣流分布不均，容易存在換熱死角；而俄羅斯渦輪葉片內(nèi)冷通道主要采用中部交錯(cuò)肋通道冷卻結(jié)構(gòu)，由于流動(dòng)阻力較大，對(duì)于冷卻氣體壓力要求比較高。研究表明，葉片中部雖然采用了不同形式內(nèi)冷通道冷卻方案，但冷氣流動(dòng)流阻大，沿程溫升高，造成渦輪葉片中部的溫度仍然相對(duì)較高，是目前進(jìn)一步降低葉片工作溫度的主要研究方向之一。同時(shí)，要強(qiáng)調(diào)的是，現(xiàn)有技術(shù)中，無論采用何種冷卻方案，目前所有葉片中部?jī)?nèi)冷通道表面都是光滑的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，提出一種內(nèi)冷通道表面為流向微槽表面的高效冷卻渦輪葉片，在不改變內(nèi)冷通道結(jié)構(gòu)前提下利用流向微槽表面的減阻和強(qiáng)化傳熱性能提高內(nèi)冷通道的冷卻效果，進(jìn)一步降低葉片工作溫度，提高葉片冷卻效率。本發(fā)明的一種內(nèi)冷通道表面為流向微槽表面的高效冷卻渦輪葉片，在渦輪葉片的內(nèi)冷通道表面設(shè)有若干個(gè)流向微槽，若干個(gè)流向微槽形成流向微槽表面。流向微槽的截面形狀為等邊三角形、扇形或者圓弧形，流向微槽的高度以及兩個(gè)流向微槽之間的間距為0.05 2.0mm。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明在不改變渦輪葉片內(nèi)冷通道結(jié)構(gòu)前提下，將渦輪葉片內(nèi)冷通道表面設(shè)計(jì)為具有減阻和強(qiáng)化傳熱性能的流向微槽表面，利用流向微槽表面的減阻和強(qiáng)化傳熱特性，有效降低渦輪葉片的工作溫度，提高葉片效率。


圖1是本發(fā)明的葉片結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1中A處的放大示意圖；圖3是本發(fā)明的葉片的剖面示意圖；圖4是圖3中B處的放大示意圖；圖中:I——內(nèi)冷通道；2——流向微槽。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明的一種內(nèi)冷通道表面為流向微槽表面的高效冷卻渦輪葉片，如圖1至圖4所示，在渦輪葉片的內(nèi)冷通道表面設(shè)有若干個(gè)流向微槽2，形成流向微槽表面，流向微槽2的截面形狀為等邊三角形、扇形或者圓弧形，流向微槽2的高度以及兩個(gè)流向微槽2之間的間距為0.05 2.0mm，流向微槽2的高度和間距根據(jù)內(nèi)冷通道I的幾何尺寸以及通道內(nèi)流動(dòng)特性確定，目的是確保流向微槽表面具有減阻和強(qiáng)化傳熱性能。本發(fā)明渦輪葉片的內(nèi)冷通道I表面不再是光滑的，而是具有減阻和強(qiáng)化傳熱性能的流向微槽2表面，一方面減小了內(nèi)冷通道I內(nèi)冷卻氣體的流動(dòng)阻力，增大了冷卻氣體流動(dòng)速度，相同流量的冷卻氣體帶走更多的熱量，提高了內(nèi)冷通道的冷卻效果；另一方面選定的流向微槽2改變了內(nèi)冷通道I表面的湍流近壁結(jié)構(gòu)，增大了內(nèi)冷通道I的換熱面積，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的，進(jìn)一步提高內(nèi)冷通道I的冷卻效果，從而實(shí)現(xiàn)一種高效冷卻、有效降低工作溫度、提高工作效率的渦輪葉片。將本發(fā)明的渦輪葉片與內(nèi)冷通道I為光滑表面的渦輪葉片進(jìn)行比較，通過實(shí)驗(yàn)證明，與光滑表面相比，本發(fā)明的流向微槽2表面約有7 %的凈減阻效果，且具有強(qiáng)化傳熱作用，這是由于流向微槽表面在微槽內(nèi)集聚了大量的低動(dòng)量流體，改變了表面的湍流近壁結(jié)構(gòu)，抑制了流向渦的橫向運(yùn)動(dòng)，減弱了流向渦的縱向發(fā)展，減少了近壁處能量交換，從而減小了表面摩擦阻力，此外，由于流向微槽2改變了近壁湍流結(jié)構(gòu)，具有凈減阻效果，使得流動(dòng)速度加快，相同流量的冷卻氣體帶走了更多的熱量，此外，流向微槽2增大了冷卻氣體與渦輪葉片內(nèi)冷通道I的接觸面積，增強(qiáng)對(duì)流換熱效果，因此，流向微槽2表面具有強(qiáng)化傳熱作用。利用流向微槽2表面的減阻和強(qiáng)化傳熱特性，本發(fā)明提出的“內(nèi)冷通道表面為流向微槽表面的高效冷卻渦輪葉片”，能夠有效降低葉片的工作溫度、提高渦輪葉片的效率。本發(fā)明中，內(nèi)冷通道I表面為根據(jù)內(nèi)冷通道I幾何尺寸和通道內(nèi)流動(dòng)特性選定幾何尺寸和形狀的流向微槽2表面，流向微槽2的高度和間距約在0.05 2.0mm范圍內(nèi)，其截面形狀為等邊三角形、或者類似形狀的扇形、圓弧形等。流向微槽2的實(shí)際形狀、高度和間距根據(jù)具體葉片內(nèi)冷通道的幾何尺寸以及通道內(nèi)冷卻氣體的流動(dòng)特性確定，目的是確保流向微槽 表面具有減阻和強(qiáng)化傳熱性能，在不改變內(nèi)冷通道結(jié)構(gòu)的前提下提高內(nèi)冷通道冷卻效果，保證本發(fā)明的“內(nèi)冷通道表面為流向微槽表面的高效冷卻渦輪葉片”能夠真正有效地降低葉片工作溫度、提高葉片效率。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)冷通道表面為流向微槽表面的高效冷卻渦輪葉片，其特征在于，在渦輪葉片的內(nèi)冷通道表面設(shè)有若干個(gè)流向微槽(2 )，若干個(gè)流向微槽(2 )形成流向微槽表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)冷通道表面為流向微槽表面的高效冷卻渦輪葉片，其特征在于，流向微槽(2)的截面形狀為等邊三角形、扇形或者圓弧形，流向微槽(2)的高度以及兩個(gè)流向微槽(2)之間 的間距為0.05 2.0mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種內(nèi)冷通道表面為具有減阻和強(qiáng)化傳熱性能的流向微槽表面的高效冷卻渦輪葉片，該渦輪葉片的特征在于，不改變內(nèi)冷通道結(jié)構(gòu)，而是將內(nèi)冷通道表面設(shè)計(jì)為流向微槽表面，流向微槽的形狀、高度和間距根據(jù)內(nèi)冷通道的幾何尺寸以及通道內(nèi)流動(dòng)特性等來選定，目的是確保流向微槽表面具有減阻和強(qiáng)化傳熱性能，渦輪葉片的內(nèi)冷通道表面為具有減阻和強(qiáng)化傳熱性能的流向微槽表面，提高了內(nèi)冷通道的冷卻效果，從而實(shí)現(xiàn)一種高效冷卻、有效降低工作溫度、提高工作效率的渦輪葉片。
文檔編號(hào)F01D5/18GK103216273SQ20131013398
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月17日
發(fā)明者聞潔, 徐國強(qiáng), 余毅 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)