本发明涉及燃气涡轮发动机技术领域，特别地，涉及一种涡轮导向叶片及燃气涡轮发动机。
背景技术：
航空燃气涡轮发动机通常有压气机、燃烧室和涡轮等部件构成。其工作原理为空气经过压气机压缩之后，压力提升、温度升高，流入燃烧室。高压空气在燃烧室中与喷入的燃料混合燃烧形成高温高压燃气，温度大幅提高，增加了燃气中包含的热能。高温高压燃气流入涡轮，在涡轮中实现功率提取用于驱动压气机，剩余能量用于输出轴功率或产生推力。燃气最后排入大气。
航空发动机功重比(功率/重量比)和耗油率(单位功率消耗的燃料量)是衡量发动机性能的重要指标。其中，提高燃料燃烧添加的能量是提升功重比的主要途径，但常规航空发动机方案中，燃料燃烧全部在燃烧室中进行，造成燃烧室出口温度即涡轮进口温度大幅提高。目前的涡轮进口温度的主流水平已远超材料极限，因此无法通过在燃烧室中添加燃料燃烧来提高能量，以提升功重比。
技术实现要素：
本发明提供了一种涡轮导向叶片及燃气涡轮发动机，以解决现有的燃气涡轮发动机仍需要提高燃料燃烧添加的能量，以提升功重比的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种涡轮导向叶片，涡轮导向叶片内设有冷却空腔，涡轮导向叶片包括前缘、尾缘、压力面以及吸力面，涡轮导向叶片上设有与冷却空腔相连通的预混气喷射孔，通过将燃料从冷却空腔喷射至冷却空腔的内壁面，使燃料在冷却空腔内壁面吸热气化，进而与冷却空腔内的冷气混合形成预混气，并从预混气喷射孔喷射至涡轮导向叶片周围的高温高压燃气中燃烧。
进一步地，冷却空腔沿前缘到尾缘的方向分隔为冷却前腔和冷却后腔，预混气喷射孔设于冷却前腔的壁体上。
进一步地，冷却后腔的壁体上设有冷却气膜孔，并位于涡轮导向叶片的压力面上，以使冷却后腔中的冷气从冷却气膜孔孔喷出并在压力面上形成冷却气膜。
进一步地，预混气喷射孔位于前缘处，并靠近压力面。
进一步地，多个预混气喷射孔沿涡轮导向叶片的叶根至叶顶的方向排列，多列预混气喷射孔由前缘向压力面延伸的方向排布。
进一步地，涡轮导向叶片还包括伸入冷却空腔中并与燃料供给管路连接的用于将燃料喷射至冷却空腔内壁面的燃料喷射件。
进一步地，燃料喷射件为空心杆结构的燃料喷射杆，伸入至冷却空腔的燃料喷射杆的内伸段上设有用于将空心腔中的燃料喷出的燃料喷射孔。
进一步地，燃料喷射孔与预混气喷射孔相对布设；和/或燃料喷射孔位于预混气喷射孔的周围区域，以将燃料喷射至预混气喷射孔周围的内壁面上。
进一步地，多个燃料喷射孔沿燃料喷射杆的轴向排列，多列燃料喷射孔沿燃料喷射杆的周向排布。
根据本发明的另一方面，还提供了一种燃气涡轮发动机，包括上述涡轮导向叶片。
本发明具有以下有益效果：
本发明的涡轮导向叶片，根据多级涡轮(涡轮导向叶片和涡轮转子叶片构成一个涡轮等级)中，由于从第一级到最后一级温度逐步下降，第一级涡轮承受的温度最高，而后续涡轮级温度相对较低，第一级涡轮成为限制燃烧室出口温度提升的主要因素，而后续涡轮级都还有较大的温度裕度的特点，通过在涡轮导向叶片上设置与冷却空腔连通的预混气喷射孔，通过通过将燃料从冷却空腔喷射至冷却空腔内壁面，使燃料在冷却空腔内表面吸热气化，进而与冷却空腔内的冷气混合形成预混气，并从预混气喷射孔喷射至涡轮导向叶片周围的高温高压燃气中燃烧，从而通过在涡轮导向叶片内补充燃烧，提高燃料燃烧添加的能量，从而充分利用后续涡轮及的温度裕度，使整机输出功率大幅增加，燃气涡轮发动机的功重比得到了提升，此外，喷射至冷却空腔内壁面上的燃料吸收了涡轮导向叶片的热量，降低了涡轮导向叶片自身的金属温度，从而保护涡轮导向叶片不被烧灼。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的涡轮导向叶片的横截面结构示意图；
图2是本发明优选实施例的涡轮导向叶片的结构示意图；
图3是本发明优选实施例的燃料喷射杆的结构示意图。
图例说明：
1、涡轮导向叶片；2、冷却空腔；21、冷却前腔；22、冷却后腔；3、预混气喷射孔；4、冷却气膜孔；5、燃料喷射杆；51、燃料喷射孔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
图1是本发明优选实施例的涡轮导向叶片的横截面结构示意图；图2是本发明优选实施例的涡轮导向叶片的结构示意图；图3是本发明优选实施例的燃料喷射杆的结构示意图。
如图1和图2所示，本实施例的涡轮导向叶片1，涡轮导向叶片1内设有冷却空腔2，涡轮导向叶片1包括前缘、尾缘、压力面以及吸力面，涡轮导向叶片1上设有与冷却空腔2相连通的预混气喷射孔3，通过将燃料从冷却空腔2喷射至冷却空腔2的内壁面，使燃料在冷却空腔2内壁面吸热气化，进而与冷却空腔2内的冷气混合形成预混气，并从预混气喷射孔3喷射至涡轮导向叶片1周围的高温高压燃气中燃烧。由上述结构可知，本实施例的涡轮导向叶片1实现补充燃烧的同时，并未增加涡轮导向叶片1，也未改变涡轮导向叶片1的叶身型面，从而避免叶身型面改变而增加了启动损失及影响涡轮效率，而是对现有的冷却空腔2进行改造，并且燃料是先喷射到冷却空腔2的内壁面进行吸热气化，从而避免燃料直接喷射到温度较高的涡轮导向叶片1的外表面上燃烧而造成涡轮导向叶片1烧蚀。可选地，燃料为燃油。可选地，燃料为液氢。
本发明的涡轮导向叶片1，根据多级涡轮(涡轮导向叶片1和涡轮转子叶片构成一个涡轮等级)中，由于从第一级到最后一级温度逐步下降，第一级涡轮承受的温度最高，而后续涡轮级温度相对较低，第一级涡轮成为限制燃烧室出口温度提升的主要因素，而后续涡轮级都还有较大的温度裕度的特点，通过在涡轮导向叶片1上设置与冷却空腔2连通的预混气喷射孔3，通过将燃料从冷却空腔2喷射至冷却空腔2内壁面，使燃料在冷却空腔2内表面吸热气化形成燃料蒸汽，进而使燃料蒸汽与冷却空腔2内的冷气混合形成预混气，并从预混气喷射孔3喷射至涡轮导向叶片1周围的高温高压燃气中燃烧，从而通过在涡轮导向叶片1内补充燃烧，提高燃料燃烧添加的能量，从而充分利用后续涡轮及的温度裕度，使整机输出功率大幅增加，燃气涡轮发动机的功重比得到了提升。此外，喷射至冷却空腔2内壁面上的燃料吸收了涡轮导向叶片1的热量，降低了涡轮导向叶片1自身的金属温度，从而保护涡轮导向叶片1不被烧灼。
冷却空腔2沿前缘到尾缘的方向分隔为冷却前腔21和冷却后腔22，预混气喷射孔3设于冷却前腔21的壁体上。冷却前腔21更靠近高温高压燃气的来流方向，且冷却前腔21的壁体的温度更高，通过将预混气喷射孔3设于冷却前腔21的壁体上，使燃料喷射至冷却前腔21的内壁面上快速吸热气化形成燃料蒸汽，同时也使冷却前腔21的壁体得到冷却，进而与冷却前腔21中的冷气混合形成预混气，然后从预混气喷射孔3喷射至涡轮导向叶片1周围流入的高温高压燃气中燃烧。可选地，冷却空腔2沿前缘至尾缘的方向分隔为多个冷却隔腔，预混气喷射孔3位于最靠近前缘的冷却隔腔的壁体上。
冷却后腔22的壁体上设有冷却气膜孔4，并位于涡轮导向叶片1的压力面上，以使冷却后腔22中的冷气从冷却气膜孔4孔喷出并在压力面上形成冷却气膜。从冷却气膜孔4流出的冷气气流方向与高温高压燃气气流方向之间的夹角小于90度，使得冷却气膜孔4喷出的冷气气流在高温高压燃气气流的作用下形成覆盖于压力面上的冷却气膜。通过冷却气膜将涡轮导向叶片1外表面与预混气在燃气中燃烧时的火焰。
在本实施例中，预混气喷射孔3位于前缘处，并靠近压力面。涡轮导向叶片1的前缘与燃烧室排出的高温高压燃气最先接触，温度最高，从冷却空腔2喷射的燃料吸收前缘处的热量快速气化成燃料蒸汽，并使得涡轮导向叶片1的前缘处的温度降低。高温高压燃气流入压力面的一侧，预混气喷射孔3靠近压力面，因此喷出的预混气快速地流入高温高压燃气中燃烧。
多个预混气喷射孔3沿涡轮导向叶片1的叶根至叶顶的方向排列。冷却空腔2中的预混燃料气从多个预混气喷射孔3喷射出，分布得更均匀，燃烧更充分，燃烧效率更高。多列预混气喷射孔3由前缘向压力面延伸的方向排布。喷出的预混气均匀地分布于向压力面流入的高温高压燃气中，燃烧更充分，燃烧效率更高。在本实施例中，涡轮导向压片的前缘布设有两列预混气喷射孔3。一列预混气喷射孔3位于前缘的中间位置，一列预混气喷射孔3位于前缘上与压力面连接的一侧。
涡轮导向叶片1还包括伸入冷却空腔2中并与燃料供给管路连接的用于将燃料喷射至冷却空腔2内壁面的燃料喷射件。如图3所示，在本实施例中，燃料喷射件为空心杆结构的燃料喷射杆5，伸入冷却空腔2的燃料喷射杆5的内伸段上设有用于将空心腔中的燃料喷出的燃料喷射孔51。燃料喷射杆5结构简单，便于加工燃料喷射孔51，且易于安装。可选地，燃料喷射件采用燃料喷嘴。
燃料喷射孔51与预混气喷射孔3相对布设；和/或燃料喷射孔51位于预混气喷射孔3的周围区域，以将燃料喷射至预混气喷射孔3周围的内壁面上。多个燃料喷射孔51沿燃料喷射杆5的轴向排列，多列燃料喷射孔51沿燃料喷射杆5的周向排布。在本实施例中，燃料喷射杆5的内伸段上设有三列燃料喷射孔51，三列燃料喷射孔51分别朝向前缘的中间位置以及分别与压力面和吸力面连接的两侧。
本实施例的燃气涡轮发动机，包括压气机、燃烧室以及涡轮部件，涡轮部件包括沿气流方向安装的多级涡轮，一个涡轮等级包括沿气流方向安装的导向涡轮和转子涡轮，导向涡轮上设有上述涡轮导向叶片1。空气经过压气机压缩之后，压力提升、温度升高，流入燃烧室。高压空气在燃烧室中与喷入的燃料混合燃烧形成高温高压燃气，温度大幅提高，增加了燃气中包含的热能。燃烧室排出的高温高压燃气依次流入多级涡轮中。通过在多级涡轮中涡轮导向叶片1内添加燃料补充燃烧，多级涡轮均接近温度裕度，使得燃气涡轮发动机的输出功率提高，功重比得到提升。可选地，分别根据多级涡轮的温度和温度裕度之间的差值控制喷射至各级涡轮中涡轮导向叶片1中冷却空腔2中的燃料量。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种涡轮导向叶片，涡轮导向叶片(1)内设有冷却空腔(2)，涡轮导向叶片(1)包括前缘、尾缘、压力面以及吸力面，
其特征在于，
涡轮导向叶片(1)上设有与冷却空腔(2)相连通的预混气喷射孔(3)，
通过将燃料从冷却空腔(2)喷射至冷却空腔(2)的内壁面，使燃料在冷却空腔(2)内壁面吸热气化，进而与冷却空腔(2)内的冷气混合形成预混气，并从预混气喷射孔(3)喷射至涡轮导向叶片(1)周围的高温高压燃气中燃烧。
2.根据权利要求1所述的涡轮导向叶片，其特征在于，
冷却空腔(2)沿前缘到尾缘的方向分隔为冷却前腔(21)和冷却后腔(22)，预混气喷射孔(3)设于冷却前腔(21)的壁体上。
3.根据权利要求2所述的涡轮导向叶片，其特征在于，
冷却后腔(22)的壁体上设有冷却气膜孔，并位于涡轮导向叶片(1)的压力面上，以使冷却后腔(22)中的冷气从冷却气膜孔(4)孔喷出并在压力面上形成冷却气膜。
4.根据权利要求1所述的涡轮导向叶片，其特征在于，
预混气喷射孔(3)位于前缘处，并靠近压力面。
5.根据权利要求4所述的涡轮导向叶片，其特征在于，
多个预混气喷射孔(3)沿涡轮导向叶片(1)的叶根至叶顶的方向排列，多列预混气喷射孔(3)由前缘向压力面延伸的方向排布。
6.根据权利要求1所述的涡轮导向叶片，其特征在于，
涡轮导向叶片(1)还包括伸入冷却空腔(2)中并与燃料供给管路连接的用于将燃料喷射至冷却空腔(2)内壁面的燃料喷射件。
7.根据权利要求6所述的涡轮导向叶片，其特征在于，
燃料喷射件为空心杆结构的燃料喷射杆(5)，伸入至冷却空腔(2)的燃料喷射杆(5)的内伸段上设有用于将空心腔中的燃料喷出的燃料喷射孔(51)。
8.根据权利要求7所述的涡轮导向叶片，其特征在于，
燃料喷射孔(51)与预混气喷射孔(3)相对布设；和/或燃料喷射孔(51)位于预混气喷射孔(3)的周围区域，以将燃料喷射至预混气喷射孔(3)周围的内壁面上。
9.根据权利要求8所述的涡轮导向叶片，其特征在于，
多个燃料喷射孔(51)沿燃料喷射杆(5)的轴向排列，多列燃料喷射孔(51)沿燃料喷射杆(5)的周向排布。
10.一种燃气涡轮发动机，其特征在于，包括权利要求1-9任一所述的涡轮导向叶片(1)。
技术总结