一种涡轮导向叶片发汗冷却结构及冷却方法

本发明属于涡轮导向叶片冷却领域，具体是涉及到一种涡轮导向叶片发汗冷却结构及冷却方法。

背景技术：

1、燃气涡轮发动机是航空飞行器的主要动力装置，提高涡轮前温度可以大幅提高发动机的推力并减少油耗。目前先进燃气涡轮发动机涡轮前燃气温度高达1800k～2000k，而现代三代单晶高温合金的最高耐温不超过1400k。为保证涡轮叶片在极端恶劣的环境中正常、可靠、长期的工作，就必须对其采取有效的热防护措施，包括喷涂隔热涂层、开发新型耐高温材料、采用先进的叶片冷却技术。喷涂隔热涂层使叶片基体的降温幅度一般不超过30k，且当前的喷涂技术难以使涂层厚度保持均匀，小尺寸叶片喷涂热障涂层对燃气涡轮发动机性能的影响较大。新型材料的耐温性以每年约8k的速度增加，远低于涡轮前燃气温度平均每年约20k的增长速度，且材料的成本随其耐温性的提高呈指数级增长。叶片冷却技术的应用对提高涡轮前燃气温度的效果最明显。

2、燃机涡轮叶片通常采用的冷却措施是从压气机引出一部分温度较低的高压空气，高压空气通过空气系统引入各级涡轮叶片冷气腔，从而冷却涡轮叶片。现役涡轮叶片常采用以强化对流冷却、冲击冷却、气膜冷却及与热障涂层相的冷却方式。

3、对于传统的燃机涡轮导向叶片冷却技术设计而言，主要存在以下弊端：

4、1)对涡轮导向叶片的冷却效率较低，需要大量的冷却气进行冷却才能够到达期望的冷却效果，同时冷却气体用量不断加大导致参与循环做功的气体减少，冷气与燃气的掺混损失增大，使得叶栅流道内流动与流场结构更加复杂，对燃气涡轮发动机性能不利；

5、2)涡轮导向叶片叶盆、叶背存在较大的温差，侧壁沿弦向具有较大的温度梯度，冷却气通过一个冷却气入口进入冷却气腔，自各个气膜孔流出，难以对各个气膜孔流出的冷却气量进行控制，不能有效降低叶盆、叶背侧的温差，不能有效降低导向叶片侧壁沿弦向的温度梯度，不能够有效克服导向叶片热应力引发非均匀性变形的问题；

6、3)气膜孔、喷射孔的存在使得叶片很难保持完整性，易于导致机械问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种具有高效降温效果且可有效保证叶身结构强度的涡轮导向叶片发汗冷却结构及冷却方法。

2、本发明提供一种涡轮导向叶片发汗冷却结构，包括叶片和发汗射流机构；

3、所述叶片包括上缘板、下缘板和叶身，所述叶身设置在所述上缘板和下缘板之间，且所述叶身内部中空；

4、所述发汗射流机构包括设置在所述中空内的射流腔，所述射流腔的外壁与所述叶身的内壁具有间隔，所述上缘板和/或下缘板上设置有连通射流腔的进气通道，所述发汗射流机构还包括连接所述射流腔外壁和所述叶身内壁的导热支撑件；

5、所述射流腔的腔壁至少部分由发汗材料制备，且所述射流腔上发汗材料内壁的气体通道入口面积大于发汗材料外壁的气体通道出口面积。

6、更进一步地，所述发汗材料外壁的孔隙率在10％-20％之间，内壁的孔隙率在20％-50％。

7、更进一步地，通过所述进气通道进入所述射流腔内的高压气态冷却介质的气压为5mpa。

8、更进一步地，所述射流腔的外壁与所述叶身内壁各处的间隔一致。

9、更进一步地，所述射流腔各处的壁厚一致。

10、更进一步地，所述导热支撑件包括连接所述叶身中叶盆和叶背的支撑肋，且所述支撑肋作为所述射流腔的一侧壁使用。

11、更进一步地，所述导热支撑件还包括布置在所述间隔内的多个导热支撑杆，所述导热支撑杆一端与叶身内壁连接，另一端与射流腔外壁连接。

12、更进一步地，所述叶身采用发汗材料制备，或者所述叶身位于间隔范围设置有气孔。

13、本发明还提供一种涡轮导向叶片发汗冷却方法，使用上述涡轮导向叶片发汗冷却结构，包括如下冷却步骤：

14、通过所述进气通道向所述射流腔内注入气态高压冷却介质，气态高压冷却介质对所述射流腔内壁进行换热，同时射流腔通过导热支撑件与所述叶身换热；

15、随后气态高压冷却介质进入所述射流腔的发汗材料，并在射流腔的发汗材料的外壁形成射流，射流冲击叶身内壁，对所述叶身内壁进行冲击换热。

16、更进一步地，所述涡轮导向叶片发汗冷却结构中所述叶身采用发汗材料制备，或者所述叶身位于间隔范围设置有气孔，所述冷却步骤还包括：

17、进入所述间隔之间的高压气态冷却介质进入叶身的发汗材料或者气孔，在所述叶身外表面形成气膜。

18、本发明所提供的涡轮导向叶片发汗冷却结构，能够实现：

19、一，通过所述进气通道向所述射流腔内注入气态高压冷却介质，气态高压冷却介质对所述射流腔内壁进行换热，同时射流腔通过导热支撑件与所述叶身换热，进而实现对叶身的一次降温；

20、随后气态高压冷却介质进入所述射流腔的发汗材料，并在射流腔的发汗材料的外壁形成射流，射流冲击叶身内壁，对所述叶身内壁进行冲击换热，进而可以对叶身的二次降温；而且从射流腔的发汗材料外壁形成的射流具有低温、高压和高流速的特性，因此冲击换热的效果高，换热效率高；

21、在对叶身进行降温的过程中，叶身外壁的热量会经过叶身的壁面、射流、发汗材料及发汗材料内的冷却介质、射流腔内的冷却介质进行多次热交换，其换热路径长，换热效果显著，换热效率高。

22、二，在进行二次降温的同时，射流会对叶身的内壁进行冲击，与此同时，叶身的外壁也会受到高温燃气的冲击，两者相互作用，可以保证叶身壁面的结构强度和使用寿命。具体地，如果仅受到高温燃气对叶身外壁的单面高压气流冲击的话，高压高温燃气冲击叶身外壁使外壁产生应力，而单面冲击会导致应力不均匀，久而久之，会导致叶身的变形以及引起裂纹，降低叶身的机械性能及使用寿命，而本发明通过射流对叶身内壁进行冲击，进而使叶身的内壁和外壁均受到相对的气流冲击，可以平衡叶身壁面所受到的应力分布，减轻单面冲击引起的不均匀应力的问题，进而减少高温燃气冲击对叶身的不利影响，保证叶身的机械性能及使用寿命。

技术特征：

1.一种涡轮导向叶片发汗冷却结构，其特征是，包括叶片(1)和发汗射流机构(2)；

2.如权利要求1所述的涡轮导向叶片发汗冷却结构，其特征是，所述发汗材料外壁的孔隙率在10％-20％之间，内壁的孔隙率在20％-50％。

3.如权利要求1所述的涡轮导向叶片发汗冷却结构，其特征是，通过所述进气通道(22)进入所述射流腔(21)内的高压气态冷却介质的气压不低于5mpa。

4.如权利要求1所述的涡轮导向叶片发汗冷却结构，其特征是，所述射流腔(21)的外壁与所述叶身(13)内壁各处的间隔(24)一致。

5.如权利要求4所述的涡轮导向叶片发汗冷却结构，其特征是，所述射流腔(21)各处的壁厚一致。

6.如权利要求1-5任一项所述的涡轮导向叶片发汗冷却结构，其特征是，所述导热支撑件(23)包括连接所述叶身(13)中叶盆(131)和叶背(132)的支撑肋(231)，且所述支撑肋(231)作为所述射流腔(21)的一侧壁使用。

7.如权利要求6所述的涡轮导向叶片发汗冷却结构，其特征是，所述导热支撑件(23)还包括布置在所述间隔(24)内的多个导热支撑杆(232)，所述导热支撑杆(232)一端与叶身(13)内壁连接，另一端与射流腔(21)外壁连接。

8.如权利要求1-5任一项所述的涡轮导向叶片发汗冷却结构，其特征是，所述叶身(13)采用发汗材料制备，或者所述叶身(13)位于间隔(24)范围设置有气孔(135)。

9.一种涡轮导向叶片发汗冷却方法，其特征是，使用如权利要求1-8任一项所述的涡轮导向叶片发汗冷却结构，包括如下冷却步骤：

10.如权利要求9所述的涡轮导向叶片发汗冷却方法，其特征是，所述涡轮导向叶片发汗冷却结构中所述叶身(13)采用发汗材料制备，或者所述叶身(13)位于间隔(24)范围设置有气孔(135)，所述冷却步骤还包括：

技术总结本发明属于涡轮导向叶片冷却领域，具体是涉及到一种涡轮导向叶片发汗冷却结构及冷却方法。包括叶片和发汗射流机构；所述叶片包括上缘板、下缘板和叶身，所述叶身设置在所述上缘板和下缘板之间，且所述叶身内部中空；所述发汗射流机构包括设置在所述中空内的射流腔，所述射流腔的外壁与所述叶身的内壁具有间隔，所述上缘板和/或下缘板上设置有连通射流腔的进气通道，所述发汗射流机构还包括连接所述射流腔外壁和所述叶身内壁的导热支撑件；所述射流腔的腔壁至少部分由发汗材料制备，且所述射流腔上发汗材料内壁的气体通道入口面积大于发汗材料外壁的气体通道出口面积。本发明冷却效率高，且能够保证叶片的结构强度，提高使用寿命。技术研发人员：王松,陈振奎,李伟,余艺平,王威受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1