CN103216273A - 一种内冷通道表面为流向微槽表面的高效冷却涡轮叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内冷通道表面为具有减阻和强化传热性能的流向微槽表面的高效冷却涡轮叶片，该涡轮叶片的特征在于，不改变内冷通道结构，而是将内冷通道表面设计为流向微槽表面，流向微槽的形状、高度和间距根据内冷通道的几何尺寸以及通道内流动特性等来选定，目的是确保流向微槽表面具有减阻和强化传热性能，涡轮叶片的内冷通道表面为具有减阻和强化传热性能的流向微槽表面，提高了内冷通道的冷却效果，从而实现一种高效冷却、有效降低工作温度、提高工作效率的涡轮叶片。

Description

一种内冷通道表面为流向微槽表面的高效冷却涡轮叶片

技术领域

本发明涉及一种内冷通道表面为流向微槽表面的高效冷却涡轮叶片，属于航空、航天、动力机械等高热流密度的局部换热领域。

背景技术

鉴于现代航空发动机推重比性能不断提高的要求，涡轮进口温度也在迅速增长，目前在研的发动机，其涡轮前燃气温度为1900K～2100K，而叶片加工使用的各种材料在无冷却的情况下，只能在1400K左右才能维持其较高的强度指标。这使得涡轮叶片承受着很强的热负荷，容易导致热疲劳损坏，同时也给发动机热端部件的冷却提出了苛刻的要求，可以说，冷却技术已经成为航空发动机发展的瓶颈。另外，涡轮叶片（工作叶片）在高转速下工作（转数可达15000rpm以上），处于非常高的离心力场当中。在如此恶劣的工作环境中，涡轮叶片承受着气动力、热应力以及巨大的离心力。要保证涡轮叶片能够正常、可靠、长期的工作，就必须对叶片进行有效的冷却，既要尽可能的降低叶片本身的温度，使它保持较高的强度水平；又要保证涡轮叶片具有合理的温度分布，使它具有均匀的内应力分布；同时又不能将内部冷却通道设计的过于复杂，为加工带来不便。因此，发展更先进的冷却技术、研究更高效的涡轮叶片冷却结构是非常有必要而且相当紧迫的。这样不但可以提高热端部件的承受温度，还能大大延长使用寿命。据称，涡轮叶片的工作温度降低15°C，寿命可延长一倍左右。

涡轮叶片的冷却由叶片结构及温度分布主要分为前缘、中部及尾缘三部分，叶片前缘常采用冲击加气膜出流冷却技术、尾缘采用绕流柱加劈缝出流等冷却技术，使得前缘和尾缘叶片温度满足材料许用温度，而涡轮叶片中部为减小叶片型面损失，提高涡轮效率，其中部尤其叶背很少采用气膜出流等有效冷却方式，则成为温度相对最高区域。世界上现役发动机涡轮叶片内冷通道应用的比较典型的分别是以西方国家和俄罗斯为代表的冷却方案。西方国家涡轮叶片内冷通道主要为中部蛇形通道冷却结构，由于气流分布不均，容易存在换热死角；而俄罗斯涡轮叶片内冷通道主要采用中部交错肋通道冷却结构，由于流动阻力较大，对于冷却气体压力要求比较高。

研究表明，叶片中部虽然采用了不同形式内冷通道冷却方案，但冷气流动流阻大，沿程温升高，造成涡轮叶片中部的温度仍然相对较高，是目前进一步降低叶片工作温度的主要研究方向之一。同时，要强调的是，现有技术中，无论采用何种冷却方案，目前所有叶片中部内冷通道表面都是光滑的。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种内冷通道表面为流向微槽表面的高效冷却涡轮叶片，在不改变内冷通道结构前提下利用流向微槽表面的减阻和强化传热性能提高内冷通道的冷却效果，进一步降低叶片工作温度，提高叶片冷却效率。

本发明的一种内冷通道表面为流向微槽表面的高效冷却涡轮叶片，在涡轮叶片的内冷通道表面设有若干个流向微槽，若干个流向微槽形成流向微槽表面。

流向微槽的截面形状为等边三角形、扇形或者圆弧形，流向微槽的高度以及两个流向微槽之间的间距为0.05～2.0mm。

本发明的优点在于：

本发明在不改变涡轮叶片内冷通道结构前提下，将涡轮叶片内冷通道表面设计为具有减阻和强化传热性能的流向微槽表面，利用流向微槽表面的减阻和强化传热特性，有效降低涡轮叶片的工作温度，提高叶片效率。

附图说明

图1是本发明的叶片结构示意图。

图2是图1中A处的放大示意图；

图3是本发明的叶片的剖面示意图；

图4是图3中B处的放大示意图；

图中：

1——内冷通道；2——流向微槽。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的一种内冷通道表面为流向微槽表面的高效冷却涡轮叶片，如图1至图4所示，在涡轮叶片的内冷通道表面设有若干个流向微槽2，形成流向微槽表面，流向微槽2的截面形状为等边三角形、扇形或者圆弧形，流向微槽2的高度以及两个流向微槽2之间的间距为0.05～2.0mm，流向微槽2的高度和间距根据内冷通道1的几何尺寸以及通道内流动特性确定，目的是确保流向微槽表面具有减阻和强化传热性能。

本发明涡轮叶片的内冷通道1表面不再是光滑的，而是具有减阻和强化传热性能的流向微槽2表面，一方面减小了内冷通道1内冷却气体的流动阻力，增大了冷却气体流动速度，相同流量的冷却气体带走更多的热量，提高了内冷通道的冷却效果；另一方面选定的流向微槽2改变了内冷通道1表面的湍流近壁结构，增大了内冷通道1的换热面积，达到强化传热的目的，进一步提高内冷通道1的冷却效果，从而实现一种高效冷却、有效降低工作温度、提高工作效率的涡轮叶片。

将本发明的涡轮叶片与内冷通道1为光滑表面的涡轮叶片进行比较，通过实验证明，与光滑表面相比，本发明的流向微槽2表面约有7％的净减阻效果，且具有强化传热作用，这是由于流向微槽表面在微槽内集聚了大量的低动量流体，改变了表面的湍流近壁结构，抑制了流向涡的横向运动，减弱了流向涡的纵向发展，减少了近壁处能量交换，从而减小了表面摩擦阻力，此外，由于流向微槽2改变了近壁湍流结构，具有净减阻效果，使得流动速度加快，相同流量的冷却气体带走了更多的热量，此外，流向微槽2增大了冷却气体与涡轮叶片内冷通道1的接触面积，增强对流换热效果，因此，流向微槽2表面具有强化传热作用。利用流向微槽2表面的减阻和强化传热特性，本发明提出的“内冷通道表面为流向微槽表面的高效冷却涡轮叶片”，能够有效降低叶片的工作温度、提高涡轮叶片的效率。

本发明中，内冷通道1表面为根据内冷通道1几何尺寸和通道内流动特性选定几何尺寸和形状的流向微槽2表面，流向微槽2的高度和间距约在0.05～2.0mm范围内，其截面形状为等边三角形、或者类似形状的扇形、圆弧形等。流向微槽2的实际形状、高度和间距根据具体叶片内冷通道的几何尺寸以及通道内冷却气体的流动特性确定，目的是确保流向微槽表面具有减阻和强化传热性能，在不改变内冷通道结构的前提下提高内冷通道冷却效果，保证本发明的“内冷通道表面为流向微槽表面的高效冷却涡轮叶片”能够真正有效地降低叶片工作温度、提高叶片效率。

Claims (2)

1.一种内冷通道表面为流向微槽表面的高效冷却涡轮叶片，其特征在于，在涡轮叶片的内冷通道表面设有若干个流向微槽（2），若干个流向微槽（2）形成流向微槽表面。

2.根据权利要求1所述的一种内冷通道表面为流向微槽表面的高效冷却涡轮叶片，其特征在于，流向微槽（2）的截面形状为等边三角形、扇形或者圆弧形，流向微槽（2）的高度以及两个流向微槽（2）之间的间距为0.05～2.0mm。

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