本發(fā)明涉及發(fā)動機技術領域，具體涉及一種渦輪轉(zhuǎn)子葉片的前緣冷卻結(jié)構及具有其的發(fā)動機。

背景技術：

通常，燃氣渦輪發(fā)動機由壓氣機、燃燒室和渦輪三大部件組成，渦輪部件將高溫燃氣的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能。目前，燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪葉片需要在高溫的燃氣情況下工作，承受遠超過基體材料熔點的溫度，第一級渦輪葉片的承溫能力決定了燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪前溫度。通常情況下需要從壓氣機引出溫度較低的高壓空氣進入葉片的空腔，作為冷卻氣對渦輪葉片進行冷卻。

葉身空腔內(nèi)一般會設計出多個冷卻通道，根據(jù)葉片壁面不同區(qū)域的熱負荷的差異，設計出不同的冷卻結(jié)構對葉片進行有效冷卻，控制葉片壁面溫度在使用范圍內(nèi)并盡量均勻。目前，渦輪轉(zhuǎn)子葉片已經(jīng)應用了復雜的內(nèi)部冷卻流路，使用盡可能少的冷氣，達到盡可能高的冷卻效果，從而提高發(fā)動機的整機效率。

渦輪轉(zhuǎn)子葉片葉身按區(qū)域可分為前緣、排氣邊、葉盆和葉背。對于葉片而言，前緣區(qū)域直接面對高溫燃氣來流方向，在前緣的駐點位置，葉片經(jīng)受最高的熱負荷，因此需要對前緣區(qū)域進行強化冷卻，降低葉片壁面溫度。通常采用氣膜冷卻或者內(nèi)腔設置水平擾流肋的方式對前緣加強冷卻。

現(xiàn)有技術中，通常有兩種方法用于降低前緣溫度：一種方法是在前緣設置多排沿葉高徑向分布的氣膜孔，前緣氣膜孔與葉片的徑向傾斜角在20度至30度之間。冷氣進入前緣空腔后，由氣膜孔流出葉片，在葉片前緣表面形成氣膜覆蓋，降低前緣的壁面溫度；另外一種方法是在前緣空腔內(nèi)設置沿葉高徑向分布的水平擾流肋。冷氣進入前緣空腔內(nèi)，自葉根向葉尖徑向，最終由葉尖位置排出葉片，流動的過程中對內(nèi)壁進行對流冷卻，水平擾流肋使得冷氣流動過程中發(fā)生邊界層分離，提高對流換熱系數(shù)，增強冷氣和內(nèi)壁面的換熱。

盡管上述兩種方法都在一定程度上對前緣區(qū)域進行了冷卻，但是隨著渦輪前渦輪溫度的持續(xù)提高，在有限的冷氣用量下，前緣容易出現(xiàn)冷卻不足的問題，因此需要對前緣冷卻結(jié)構進行改進，進一步提高冷卻效果。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種渦輪轉(zhuǎn)子葉片的前緣冷卻結(jié)構及具有其的發(fā)動機，以解決或至少減輕背景技術中所存在的至少一處的問題。

本發(fā)明采用的技術方案是：提供一種渦輪轉(zhuǎn)子葉片的前緣冷卻結(jié)構，轉(zhuǎn)子葉片的前緣內(nèi)腔內(nèi)設置有螺旋形擾流肋，所述螺旋形擾流肋在前緣內(nèi)腔內(nèi)沿葉片的高度方向設置。

優(yōu)選地，所述螺旋形擾流肋設置為多個螺旋圓弧段。

優(yōu)選地，所述前緣內(nèi)腔的側(cè)壁包含靠近尾緣方向的第一側(cè)壁和遠離尾緣方向的第二側(cè)壁，所述第一側(cè)壁上設置有沖擊孔，所述沖擊孔用于向所述前緣內(nèi)腔內(nèi)輸送冷氣并沖擊在所述第二側(cè)壁上；所述第二側(cè)壁上設置有氣膜孔，所述氣膜孔用于使所述前緣內(nèi)腔內(nèi)的冷氣流向葉片外表面。

優(yōu)選地，所述氣膜孔至少包含3個，其中一個設置在前緣駐點處，另外2個設置在所述前緣駐點的兩側(cè)，所述兩側(cè)分別是指靠近葉盆的一側(cè)以及靠近葉背的一側(cè)。

優(yōu)選地，多個所述螺旋圓弧段分別設置在前緣駐點的兩側(cè)，所述兩側(cè)分別是指靠近葉盆的一側(cè)以及靠近葉背的一側(cè)。

優(yōu)選地，所述螺旋圓弧段與所述前緣內(nèi)腔的側(cè)壁一體成型。

優(yōu)選地，所述第一側(cè)面上設置有多個沖擊孔，多個所述沖擊孔在葉片的高度方向依次設置；所述第二側(cè)壁上設置有多個氣膜孔，多個所述氣膜孔在葉片的高度方向依次設置。

優(yōu)選地，所述第二側(cè)壁在葉片高度方向的同一截面內(nèi)設置有多個氣膜孔，所述多個氣膜孔中任意2個氣膜孔的軸線形成一夾角，任意兩個氣膜孔在遠離前緣內(nèi)腔的一端的距離大于靠近前緣內(nèi)腔的一端的距離。

優(yōu)選地，所述沖擊孔設置為錐形孔，所述錐形孔的小端開口朝向葉片的前緣內(nèi)腔。

本發(fā)明還提供了一種發(fā)動機，所述發(fā)動機上的轉(zhuǎn)子葉片包含如上所述的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的前緣冷卻結(jié)構。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的前緣冷卻結(jié)構在前緣內(nèi)腔中設置了螺旋形擾流肋，相對于傳統(tǒng)的水平擾流肋增大了對流換熱面積，更重要的是強化了內(nèi)壁面附近的邊界層分離和湍流混合，促使冷氣在前緣內(nèi)腔產(chǎn)生旋流，進一步強化內(nèi)壁面和冷氣的對流換熱。對葉片前緣內(nèi)腔進行了強化換熱，提高了前緣區(qū)域的冷卻效果，在不增加前緣冷氣用量的同時起到降低葉片前緣溫度的作用。并且由于該冷卻方式提高了前緣的冷卻效果，可以在維持葉片前緣壁面溫度水平的情況下，降低冷氣用量，從而提高整機效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實施例的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的前緣冷卻結(jié)構的截面示意圖。

圖2是圖1所示的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的前緣冷卻結(jié)構在葉片高度方向的截面示意圖。

圖3是圖2所示A處的放大圖。

其中，1-前緣內(nèi)腔，11-螺旋形擾流肋，12-第一側(cè)壁，13-第二側(cè)壁，2-沖擊孔，3-氣膜孔，4-葉盆，5-葉背。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行更加詳細的描述。在附圖中，自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制。

如圖1至圖3所示，一種渦輪轉(zhuǎn)子葉片的前緣冷卻結(jié)構，轉(zhuǎn)子葉片的前緣內(nèi)腔1內(nèi)設置有螺旋形擾流肋11，螺旋形擾流肋11在前緣內(nèi)腔1內(nèi)沿葉片的高度方向設置。所述葉片的高度方向是指從葉片葉根至葉尖的連線方向。

本發(fā)明的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的前緣冷卻結(jié)構在前緣內(nèi)腔中設置了螺旋形擾流肋，相對于傳統(tǒng)的水平擾流肋增大了對流換熱面積，更重要的是強化了內(nèi)壁面附近的邊界層分離和湍流混合，促使冷氣在前緣內(nèi)腔產(chǎn)生旋流，進一步強化內(nèi)壁面和冷氣的對流換熱。對葉片前緣內(nèi)腔進行了強化換熱，提高了前緣區(qū)域的冷卻效果，在不增加前緣冷氣用量的同時起到降低葉片前緣溫度的作用。

在本實施例中，螺旋形擾流肋11設置為多個螺旋圓弧段。螺旋圓弧段的旋向可以是順時針，也可以是逆時針，可以覆蓋整個前緣內(nèi)腔或者內(nèi)腔的部分壁面。在本實施例中，在葉片高度方向，多個螺旋圓弧段中任意相鄰的兩個螺旋圓弧段的間距是相等的；可以理解的是，相鄰兩個螺旋圓弧段之間的間距也可以根據(jù)實際情況設定，例如，在一個備選實施例中，根據(jù)葉片的前緣在葉片高度方向的不同區(qū)域，可以設置不同間距的螺旋圓弧段，在葉片的前緣溫度較高的區(qū)域，可以減小相鄰兩個螺旋圓弧段之間的距離，增大對流換熱面積，在溫度較低的區(qū)域，可以增大相鄰兩個螺旋圓弧段之間的距離。

可以理解的是，螺旋形擾流肋11還可以設置為一個連續(xù)的螺旋形擾流肋，例如，在另一個備選實施例中，螺旋形擾流肋11自葉片的葉根位置向上延伸至葉尖位置。同樣，根據(jù)葉片的前緣在葉片高度方向的不同區(qū)域，可以設置不同的螺距，在葉片的前緣溫度較高的區(qū)域，可以減小螺旋形擾流肋11的螺距，增大對流換熱面積，在溫度較低的區(qū)域，可以增大螺旋形擾流肋11的螺距。

在本實施例中，前緣內(nèi)腔1的側(cè)壁包含靠近尾緣方向的第一側(cè)壁12和遠離尾緣方向的第二側(cè)壁13，第一側(cè)壁12上設置有沖擊孔2，沖擊孔2用于向前緣內(nèi)腔1內(nèi)輸送冷氣并沖擊在第二側(cè)壁13上；第二側(cè)壁13上設置有氣膜孔3，氣膜孔3用于使前緣內(nèi)腔1內(nèi)的冷氣流向葉片外表面。

在本實施例中，氣膜孔3至少包含3個，其中一個設置在前緣駐點處，另外2個設置在所述前緣駐點的兩側(cè)，所述兩側(cè)分別是指靠近葉盆4的一側(cè)以及靠近葉背5的一側(cè)。

在本實施例中，多個所述螺旋圓弧段分別設置在前緣駐點的兩側(cè)，所述兩側(cè)分別是指靠近葉盆4的一側(cè)以及靠近葉背5的一側(cè)。所述螺旋圓弧段與前緣內(nèi)腔1的側(cè)壁一體成型。

在本實施例中，第一側(cè)面12上設置有多個沖擊孔2，多個沖擊孔2在葉片的高度方向依次設置；第二側(cè)壁13上設置有多個氣膜孔3，多個氣膜孔3在葉片的高度方向依次設置。

冷卻空氣由徑向分布的多個沖擊孔2進入前緣內(nèi)腔1，沖擊前緣駐點位置對應的內(nèi)壁面，使用沖擊強化的方式增強冷氣與內(nèi)壁的換熱，設計中沖擊孔2的孔徑為特定值，起到節(jié)流作用，通過調(diào)整孔徑可以調(diào)整進入前緣內(nèi)腔1的冷氣流量。前緣內(nèi)腔1內(nèi)的冷氣一部分由布置在前緣駐點的一排徑向分布的氣膜孔3及其兩側(cè)的氣膜孔3流出，在葉背上覆蓋上一層冷卻氣膜，將高溫燃氣和葉片隔絕開來，降低外壁面溫度；另一部分冷氣在離心力的作用下，在前緣內(nèi)腔1繼續(xù)向葉尖方向流動。

在本實施例中，第二側(cè)壁13在葉片高度方向的同一截面內(nèi)設置有多個氣膜孔3，多個氣膜孔3中任意2個氣膜孔的軸線形成一夾角，任意兩個氣膜孔在遠離前緣內(nèi)腔的一端的距離大于靠近前緣內(nèi)腔的一端的距離，有利于冷氣在前緣外表面均布形成冷氣膜。

在本實施例中，沖擊孔設置為圓柱形通孔?？梢岳斫獾氖?，所述沖擊孔還可以設置為錐形孔，所述錐形孔的小端開口朝向葉片的前緣內(nèi)腔，其優(yōu)點在于，有利于提高冷氣向第二側(cè)面的沖擊速度。

本發(fā)明還提供了一種發(fā)動機，所述發(fā)動機上的轉(zhuǎn)子葉片包含如上所述的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的前緣冷卻結(jié)構。由于該冷卻方式提高了前緣的冷卻效果，可以在維持葉片前緣壁面溫度水平的情況下，降低冷氣用量，從而提高整機效率。

最后需要指出的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制。盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術方案的精神和范圍。