本發(fā)明涉及航發(fā)渦輪葉片冷卻設(shè)計(jì)，具體涉及渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中承受熱及機(jī)械載荷最為苛刻的零部件，其冷卻結(jié)構(gòu)的作用至關(guān)重要，通過(guò)有效的冷卻，可以使渦輪葉片在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能，從而提高整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和性能。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，當(dāng)渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)需要調(diào)整前后前流量比例時(shí)，都要修改前后腔進(jìn)口到榫頭內(nèi)腔部分的流通面積，重新進(jìn)行葉片的三維建模并利用工程算法計(jì)算葉片的三維溫度場(chǎng)，工作量較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，以解決渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)需要調(diào)整前后前流量比例時(shí)工作量較大的問(wèn)題。

2、第一方面，本發(fā)明還提供了一種渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，所述設(shè)計(jì)方法包括步驟：

3、步驟s1：根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)總體和空氣系統(tǒng)要求，獲得所述渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的第一設(shè)計(jì)參數(shù)值；

4、步驟s2：根據(jù)所述渦輪葉片的減重需求和內(nèi)腔流阻，獲得所述渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的第二設(shè)計(jì)參數(shù)值；

5、步驟s3：根據(jù)所述第一設(shè)計(jì)參數(shù)值和所述第二設(shè)計(jì)參數(shù)值獲得設(shè)計(jì)參數(shù)偏差值，當(dāng)所述設(shè)計(jì)參數(shù)偏差值不符合規(guī)定數(shù)值時(shí)，進(jìn)行步驟s4；當(dāng)所述設(shè)計(jì)參數(shù)偏差值符合所述規(guī)定數(shù)值時(shí)，進(jìn)行步驟s5；

6、步驟s4：在渦輪葉片的進(jìn)氣口處增加限流板，所述限流板開(kāi)設(shè)有穿孔，根據(jù)所述設(shè)計(jì)參數(shù)偏差值，獲得所述穿孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)值，將所述穿孔與渦輪葉片的進(jìn)口連通設(shè)置以改變所述渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔流阻，根據(jù)改變后的所述渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔流阻重新獲得所述渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的第二設(shè)計(jì)參數(shù)值，并重新進(jìn)行步驟s3；

7、步驟s5：對(duì)所述渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維溫度場(chǎng)計(jì)算，當(dāng)三維溫度場(chǎng)內(nèi)存在高溫集中區(qū)時(shí)，進(jìn)行步驟s6；當(dāng)三維溫度場(chǎng)內(nèi)不存在高溫集中區(qū)時(shí)，得到所述渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的最終結(jié)構(gòu)構(gòu)型；

8、步驟s6：當(dāng)所述渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)中包括限流板時(shí)，根據(jù)三維溫度場(chǎng)的結(jié)果對(duì)所述穿孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)改變后的所述渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔流阻重新獲得所述渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的第二設(shè)計(jì)參數(shù)值，并重新進(jìn)行步驟s3；當(dāng)所述渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)中不包括限流板時(shí)，在渦輪葉片的進(jìn)口處增加限流板，根據(jù)三維溫度場(chǎng)的結(jié)果得到穿孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)值，根據(jù)改變后的所述渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔流阻重新獲得所述渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的第二設(shè)計(jì)參數(shù)值，并重新進(jìn)行步驟s3。

9、有益效果：通過(guò)本實(shí)施例的渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，無(wú)需對(duì)葉片重新進(jìn)行三維建模，僅需要對(duì)限流板30進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，優(yōu)化了渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程。

10、在一種可選的實(shí)施方式中，在所述步驟s4中，所述穿孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)值通過(guò)以下公式得到：

11、

12、r`＝p1*-p2；

13、其中，為冷氣質(zhì)量流量，cd為進(jìn)氣流量系數(shù)，a為穿孔的進(jìn)氣面積，k為絕對(duì)指數(shù)，t1*為總溫，p1*為冷氣通道的進(jìn)口總壓，p2為冷氣通道的出口靜壓力，r為氣體常數(shù)，r`為流阻。

14、在一種可選的實(shí)施方式中，所述渦輪葉片的內(nèi)腔流阻包括冷氣通道側(cè)面進(jìn)氣流阻、冷氣通道進(jìn)口流阻、冷氣通道出口流阻、冷氣通道腔內(nèi)流阻和尾劈縫流阻。

15、在一種可選的實(shí)施方式中，所述渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的第一設(shè)計(jì)參數(shù)值包括空氣系統(tǒng)實(shí)際供氣壓力和冷氣通道的進(jìn)口預(yù)期流量比，所述渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的第二設(shè)計(jì)參數(shù)值包括渦輪葉片的供氣所需壓力和冷氣通道的進(jìn)口所需流量分配比，所述設(shè)計(jì)參數(shù)偏差值符合規(guī)定數(shù)值為冷氣通道的進(jìn)口所需流量分配比與冷氣通道的進(jìn)口預(yù)期流量比之間的偏差值小于15％，且葉片供氣所需壓力和空氣系統(tǒng)實(shí)際供氣壓力之間的偏差小于5％。

16、在一種可選的實(shí)施方式中，所述渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)內(nèi)形成有兩個(gè)冷氣通道，兩個(gè)所述冷氣通道的進(jìn)口預(yù)期流量分別為m1y和m2y，所述冷氣通道的進(jìn)口所需流量分配比為m1y/m2y，兩個(gè)所述冷氣通道的進(jìn)口所需流量分別為m1x和m2x，所述冷氣通道的進(jìn)口預(yù)期流量比為m1x/m2x，所述冷氣通道的進(jìn)口所需流量分配比與冷氣通道的進(jìn)口預(yù)期流量比之間的偏差值為g，滿足g＝|m1x/m2x-m1y/m2y|×100％/(m1y/m2y)。

17、第二方面，本發(fā)明提供了一種渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)，使用上述的設(shè)計(jì)方法獲得，包括：葉身，所述葉身內(nèi)形成有內(nèi)腔；隔板，所述隔板設(shè)置于所述內(nèi)腔內(nèi)，以將所述內(nèi)腔隔斷形成至少兩個(gè)冷氣通道，所述冷氣通道具有進(jìn)口和出口；限流板，所述限流板設(shè)置于所述葉身上，并設(shè)置于所述進(jìn)口遠(yuǎn)離出口的一側(cè)，所述限流板設(shè)置有至少兩個(gè)，至少兩個(gè)所述限流板與至少兩個(gè)所述冷氣通道一一對(duì)應(yīng)設(shè)置，所述限流板開(kāi)設(shè)有穿孔，所述穿孔與所述冷氣通道連通。

18、有益效果：通過(guò)設(shè)置限流板，在需要調(diào)節(jié)前后腔流量分配和調(diào)整葉片前后腔流量分配時(shí)，無(wú)需對(duì)葉片重新進(jìn)行三維建模，僅需要對(duì)限流板進(jìn)行調(diào)整，大大減少了工作量，方便冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)調(diào)整。

19、在一種可選的實(shí)施方式中，沿所述穿孔的延伸方向，所述限流板的厚度為d，滿足0.3mm≤d≤0.6mm。

20、有益效果：通過(guò)對(duì)限流板的厚度尺寸的限定，在保證限流板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，避免限流板太厚而過(guò)度增加發(fā)動(dòng)機(jī)的整體重量。

21、在一種可選的實(shí)施方式中，垂直于所述穿孔的延伸方向，所述穿孔的截面形狀為橢圓形、圓形及多邊形中的至少一種。

22、在一種可選的實(shí)施方式中，所述穿孔設(shè)置有若干個(gè)，若干個(gè)所述穿孔間隔設(shè)置于所述限流板上，若干個(gè)所述穿孔均與所述冷氣通道連通；所述穿孔的截面形狀為圓形，相鄰的兩個(gè)所述穿孔之間的孔邊距為e，滿足e＞0.5mm。

23、有益效果：通過(guò)對(duì)相鄰的兩個(gè)所述穿孔之間的孔邊距距離進(jìn)行限定，防止兩個(gè)穿孔之間的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，發(fā)生斷裂。

24、在一種可選的實(shí)施方式中，所述葉身上開(kāi)設(shè)有尾劈縫，所述尾劈縫設(shè)置有若干個(gè)，若干個(gè)所述尾劈縫間隔設(shè)置，若干個(gè)所述尾劈縫與靠近葉身尾緣的一個(gè)所述冷氣通道連通。

25、有益效果：尾劈縫與冷氣通道連通，冷氣通過(guò)尾劈縫的排出，可以確保葉片內(nèi)部冷卻通道的暢通，從而維持冷卻系統(tǒng)的有效性。

技術(shù)特征：

1.一種渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述設(shè)計(jì)方法包括步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在所述步驟s4中，所述穿孔(31)的結(jié)構(gòu)參數(shù)值通過(guò)以下公式得到：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述渦輪葉片的內(nèi)腔流阻包括冷氣通道側(cè)面進(jìn)氣流阻、冷氣通道進(jìn)口流阻、冷氣通道出口流阻、冷氣通道腔內(nèi)流阻和尾劈縫流阻。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的第一設(shè)計(jì)參數(shù)值包括空氣系統(tǒng)實(shí)際供氣壓力和冷氣通道(112)的進(jìn)口預(yù)期流量比，所述渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的第二設(shè)計(jì)參數(shù)值包括渦輪葉片的供氣所需壓力和冷氣通道(112)的進(jìn)口所需流量分配比，所述設(shè)計(jì)參數(shù)偏差值符合規(guī)定數(shù)值為冷氣通道(112)的進(jìn)口所需流量分配比與冷氣通道(112)的進(jìn)口預(yù)期流量比之間的偏差值小于15％，且葉片供氣所需壓力和空氣系統(tǒng)實(shí)際供氣壓力之間的偏差小于5％。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)內(nèi)形成有兩個(gè)冷氣通道(112)，兩個(gè)所述冷氣通道(112)的進(jìn)口預(yù)期流量分別為m1y和m2y，所述冷氣通道(112)的進(jìn)口所需流量分配比為m1y/m2y，兩個(gè)所述冷氣通道(112)的進(jìn)口所需流量分別為m1x和m2x，所述冷氣通道(112)的進(jìn)口預(yù)期流量比為m1x/m2x，所述冷氣通道(112)的進(jìn)口所需流量分配比與冷氣通道(112)的進(jìn)口預(yù)期流量比之間的偏差值為g，滿足g＝|m1x/m2x-m1y/m2y|×100％/(m1y/m2y)。

6.一種渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)，使用權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的設(shè)計(jì)方法獲得，其特征在于，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于，沿所述穿孔(31)的延伸方向，所述限流板(30)的厚度為d，滿足0.3mm≤d≤0.6mm。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于，垂直于所述穿孔(31)的延伸方向，所述穿孔(31)的截面形狀為橢圓形、圓形及多邊形中的至少一種。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述穿孔(31)設(shè)置有若干個(gè)，若干個(gè)所述穿孔(31)間隔設(shè)置于所述限流板(30)上，若干個(gè)所述穿孔(31)均與所述冷氣通道(112)連通；所述穿孔(31)的截面形狀為圓形，相鄰的兩個(gè)所述穿孔(31)之間的孔邊距為e，滿足e＞0.5mm。

10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述葉身(10)上開(kāi)設(shè)有尾劈縫(12)，所述尾劈縫(12)設(shè)置有若干個(gè)，若干個(gè)所述尾劈縫(12)間隔設(shè)置，若干個(gè)所述尾劈縫(12)與靠近葉身(10)尾緣的一個(gè)所述冷氣通道(112)連通。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及航發(fā)渦輪葉片冷卻設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法包括步驟：根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)總體和空氣系統(tǒng)要求，獲得第一設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)渦輪葉片的減重需求和內(nèi)腔流阻，獲得第二設(shè)計(jì)參數(shù)；計(jì)算試驗(yàn)參數(shù)偏差，判斷是否符合要求；若不符合要求，則在進(jìn)口前設(shè)計(jì)限流板，直至計(jì)算試驗(yàn)參數(shù)偏差滿足要求；對(duì)渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維溫度場(chǎng)計(jì)算；根據(jù)三維溫度場(chǎng)結(jié)果局部調(diào)整限流板尺寸，得到最終限流板的結(jié)構(gòu)和尺寸。本發(fā)明通過(guò)本實(shí)施例的渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，無(wú)需對(duì)葉片重新進(jìn)行三維建模，僅需要對(duì)限流板進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，優(yōu)化了渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程。

技術(shù)研發(fā)人員：萬(wàn)里,陳文彬,李洋,蘇正剛,賀宜紅
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15