CN101551120A - 带有驻涡结构的涡轮冷却叶栅 - Google Patents

Abstract

带有驻涡结构的涡轮冷却叶栅，它涉及一种涡轮冷却叶栅。本发明解决了现有的叶栅中马蹄涡结构的存在引起了流动损失和掺混损失，叶片前缘及叶片前缘端壁壁面极易烧坏的问题。本发明的叶片(2)靠近叶片前缘(2－1)的压力面(2－2)上、叶片(2)靠近叶片前缘(2－1)的吸力面(2－3)上及壁(1)的叶片前缘端壁(1－1)上均开有成列排布的多个长槽(3)，每个长槽(3)的一个侧壁上开有多个冷气喷射孔(4)，且冷气喷射孔(4)的开设位置靠近长槽(3)的底部。本发明降低了流道内部的流动损失，减少了不同流速气流较强的掺混损失，给叶片端壁及叶片表面提供较佳的热防护作用，有效保护叶片前缘附近端壁及叶片表面的高温区，提高了冷气利用率。

Description

带有驻涡结构的涡轮冷却叶栅

技术领域

本发明涉及一种涡轮冷却叶栅。

背景技术

在自然界中裸露山脊的避风面可见到自然的驻涡，在沙丘附近也能看到类似的驻涡。当流体流经一个凹腔时，由于粘性作用，凹腔内也会产生驻涡。对于不同的凹腔前后吹气位置，能够形成双涡和单涡两种不同的结构(如图1及图2所示)，双涡结构中底部的大涡又称为主涡，上面的小涡又称为二次涡。双涡结构的特点是，凹腔底部的大旋涡非常稳定，凹腔上部的二次涡能使驻涡内气体与主流空气更好更快地掺混。

在国际上驻涡结构已经很好地用于燃烧室设计中，形成了类似驻涡稳定火焰和驻涡火焰稳定技术等概念。国外对驻涡结构的研究较早，并且取得了较多的成果。从早期的单涡驻涡结构研究到现在较为常用的双涡驻涡结构研究，充分证明了驻涡特殊的几何结构下的流动特性对燃烧室性能的改善。主要体现为以下几方面：1、驻涡区使用凹腔建立稳定的回流区，尽管驻涡区与主流相连，但在主流进气速度比较高的情况下也能获得稳定的火焰；2、凹腔上部的二次涡能使主流空气和底部的热燃气更好更快地掺混，从而提高燃烧性能；3、双涡驻涡结构带来了更为均匀的燃烧室出口温度，这是高性能航空发动机所要求的重要性能指标；4、驻涡结构可以得到相对低的燃烧室压力损失。综上可以得出驻涡结构的流动特性：1、驻涡结构中主涡在凹腔底部流动较为稳定且停留时间较长；2、二次涡与主流气体掺混更加缓和、均匀；3、凹腔内气体与主流的均匀掺混，压力损失较小。

叶片前缘区域的马蹄涡结构是一个复杂的多涡系结构，各涡系之间相互干扰(如图3所示)。冷却空气在进口端壁附面层与圆柱形叶片前缘之间形成以马蹄涡和分离涡为主要特征的分离区，还会形成反向涡和壁角涡等复杂流动结构的分离区。马蹄涡的两分支围绕障碍物向下游伸展，具有明显的非周期性不稳定特征。在叶轮机械中叶栅绕流过程中，很多研究者发现马蹄涡的压力侧分支具有较高的气动损失。前缘马蹄涡系的存在相对于平板流动而言，当地端壁的热传导率增大了300％左右(参见文献：Graziani et al.，Blair，Hippensteele and Russell，Giel，et al.，Kang et al.)，高压透平中，前缘附近高的热流率导致材料的热疲劳，使热障涂层剥离壁面，导致叶片前缘或前缘端壁壁面烧坏。Praisner等对方形饶流体的瞬态热传导特性进行了研究，给出了饶流体前部斯坦顿数随时间的变化，通过PIV测试，他们提出了一种相互作用模型来解释高RMS波动及高热传导率机理，测出了边界层分离的位置，同时，相对于来流边界层，发现了特定位置的瞬时热传导率增加200％左右。2005年Praisner，Smith等采用PIV流动显示技术对马蹄涡随时间的瞬时演化过程进行了详细的研究，揭示了壁面附近热流率增加的流动机制。总的来说马蹄涡的存在，一方面对下游的通道涡形成影响，引起流动和掺混损失再分配，从而影响叶栅的性能，另一方面，马蹄涡的存在使叶片端壁附近及叶片表面的换热特性显著，导致叶片前缘及叶片前缘端壁壁面烧坏。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的叶栅中马蹄涡结构的存在引起了流动损失和掺混损失，影响了叶栅的性能，而且叶片端壁附近及叶片表面的换热特性显著，叶片前缘及叶片前缘端壁壁面极易烧坏的问题，进而提供一种带有驻涡结构的涡轮冷却叶栅。

本发明的技术方案是：带有驻涡结构的涡轮冷却叶栅包括壁和叶片，所述叶片配置在壁上，所述叶片靠近叶片前缘的压力面上、叶片靠近叶片前缘的吸力面上及壁的叶片前缘端壁上均开有成列排布的多个长槽，叶片靠近叶片前缘的压力面上的每个长槽和叶片靠近叶片前缘的吸力面上的每个长槽均沿叶片的高度方向开设，壁的叶片前缘端壁上的每个长槽均沿壁的宽度方向开设，所述每个长槽的一个侧壁上沿长槽的长度方向开有多个冷气喷射孔，且冷气喷射孔的开设位置靠近长槽的底部。

本发明具有以下有益效果：一、降低了前缘马蹄涡的空间尺度，减小了马蹄涡对叶栅内部通道涡的影响，降低了流道内部的流动损失；二、区别于端壁气膜孔喷出的冷气，长槽内喷射出的冷却气体避免了与主流的直接冲击，减少了两个不同流速气流较强的掺混损失；三、对于长槽内部形成的双涡结构，长槽底部的大涡较为稳定，停留时间较长，因此由冷却气体组成的大涡能够给叶片端壁及叶片表面提供较佳的热防护作用，有效保护叶片前缘附近端壁及叶片表面的高温区；四、长槽结构延长了冷却气体在流道内和壁面附近的驻留时间，避免冷却气体过早地与主流掺混而升温，对提高冷却气流的冷气利用率、减少冷气利用量是有利的。

附图说明

图1是驻涡结构中的单涡示意图(→表示气体的流动)，图2是驻涡结构中的双涡示意图(→表示气体的流动)，图3是叶片前缘马蹄涡系拓扑结构示意图(→表示气体的流动)，图4是本发明的结构示意图，图5是图4的a处局部放大图，图6是图4的b处局部放大图，图7是图4的c处局部放大图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图4～图7说明本实施方式，本实施方式的带有驻涡结构的涡轮冷却叶栅包括壁1和叶片2，所述叶片2配置在壁1上，所述叶片2靠近叶片前缘2-1的压力面2-2上、叶片2靠近叶片前缘2-1的吸力面2-3上及壁1的叶片前缘端壁1-1上均开有成列排布的多个长槽3，叶片2靠近叶片前缘2-1的压力面2-2上的每个长槽3和叶片2靠近叶片前缘2-1的吸力面2-3上的每个长槽3均沿叶片2的高度方向开设，壁1的叶片前缘端壁1-1上的每个长槽3均沿壁1的宽度方向开设，所述每个长槽3的一个侧壁上沿长槽3的长度方向开有多个冷气喷射孔4，且冷气喷射孔4的开设位置靠近长槽3的底部。采用长槽内部喷射冷却气体，避免了冷却气流对主燃气气流的直接冲击，对减小冷气与主燃气气流的掺混损失是有利的，除了避免了冷却气流直接冲击主燃气气流外，还能提供较好的冷却效果，因为长槽底部的大涡主要由冷却空气组成，是一个温度相对较低的低温区域，能给下部的固体壁面提供较佳的热防护作用，采用驻涡结构进行冷却，冷却气体在长槽内旋涡的诱导下卷绕，延长了冷却气体在流道内和壁面附近的驻留时间，避免冷却气体过早地与主流掺混而升温，对提高冷却气流的冷气利用率、减少冷气利用量是有利的；冷却气体在长槽底部由冷气喷射孔喷射出来，一方面避免了冷却气流对主燃气气流的扰动，另一方面，冷却气体撞击到对面的壁面上，高速核心区域分散开来，在长槽道内形成驻涡流动结构进行卷绕的同时，沿该壁面随驻涡流动被带出长槽，能更好地在壁面上形成薄层状的冷却气膜，避免了单纯孔型喷气形成的高温燃气或低温冷气沿流动方向带状相间存在局部冷却不到的问题，对驻涡的强弱以及薄层状气膜的覆盖效果形成影响。

具体实施方式二：结合图4～图7说明本实施方式，本实施方式的叶片2靠近叶片尾缘2-4的压力面2-2上和叶片2靠近叶片尾缘2-4吸力面2-3上均开有成列排布的多个长槽3，叶片2靠近叶片尾缘2-4的压力面2-2上的每个长槽3和叶片2靠近叶片尾缘2-4的吸力面2-3上的每个长槽3均沿叶片2的高度方向开设。如此设置，有效地避免了压力面、吸力面及尾缘高温区域的烧坏，有效的提高了叶片的整体性能。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图4～图7说明本实施方式，本实施方式的长槽3的横截面为方形、梯形或半圆形。如此设置，叶片整体具有多样性，对驻涡的强弱以及薄层状气膜的覆盖效果更好。其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图4～图7说明本实施方式，本实施方式的冷气喷射孔4为圆型孔、长条型孔或键型孔。如此设置，叶片整体具有多样性，对驻涡的强弱以及薄层状气膜的覆盖效果更好。其它组成和连接关系与具体实施方式二或三相同。

Claims (4)

1、一种带有驻涡结构的涡轮冷却叶栅，它包括壁(1)和叶片(2)，所述叶片(2)配置在壁(1)上，其特征在于：所述叶片(2)靠近叶片前缘(2-1)的压力面(2-2)上、叶片(2)靠近叶片前缘(2-1)的吸力面(2-3)上及壁(1)的叶片前缘端壁(1-1)上均开有成列排布的多个长槽(3)，叶片(2)靠近叶片前缘(2-1)的压力面(2-2)上的每个长槽(3)和叶片(2)靠近叶片前缘(2-1)的吸力面(2-3)的每个长槽(3)均沿叶片(2)的高度方向开设，壁(1)的叶片前缘端壁(1-1)上的每个长槽(3)均沿壁(1)的宽度方向开设，所述每个长槽(3)的一个侧壁上沿长槽(3)的长度方向开有多个冷气喷射孔(4)，且冷气喷射孔(4)的开设位置靠近长槽(3)的底部。

2、根据权利要求1所述带有驻涡结构的涡轮冷却叶栅，其特征在于：所述叶片(2)靠近叶片尾缘(2-4)的压力面(2-2)和叶片(2)靠近叶片尾缘(2-4)吸力面(2-3)上均开有成列排布的多个长槽(3)，叶片(2)靠近叶片尾缘(2-4)的压力面(2-2)上的每个长槽(3)和叶片(2)靠近叶片尾缘(2-4)的吸力面(2-3)上的每个长槽(3)均沿叶片(2)的高度方向开设。

3、根据权利要求2所述带有驻涡结构的涡轮冷却叶栅，其特征在于：所述长槽(3)的横截面为方形、梯形或半圆形。

4、根据权利要求2或3所述带有驻涡结构的涡轮冷却叶栅，其特征在于：所述冷气喷射孔(4)为圆型孔、长条型孔或键型孔。

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