CN103806951A - 一种缝气膜冷却加扰流柱的组合式涡轮叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于航空燃气涡轮的缝气膜冷却加扰流柱的组合式涡轮叶片，包括叶片基体、气膜缝、扰流柱及冷气腔，其特征在于：采用气膜缝取代常规气膜冷却孔，以提高冷却气膜覆盖面积，获得更高的冷却效率，并在气膜缝内设置扰流柱，起到保证强度，增强换热效果的作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于航空燃气涡轮叶片的新型气膜冷却结构。该结构是一种将缝气膜冷却及扰流柱组合的冷却结构，比传统气膜孔冷却结构能起到更好的冷却效果，可满足更苛刻的涡轮叶片冷却要求。
背景技术
航空燃气涡轮的特点是功率大、燃气温度高、转速高、负荷大。现在大推力涡扇发动机的涡轮输出功率高达100MW以上，平均一片涡轮叶片发出的功率达200kW。为使航空燃气涡轮发动机在尺寸小、重量轻的情况下提高性能，主要的措施之一是采用更高的燃气温度。目前国外最新歼击机的发动机涡轮进口燃气温度以达1811～2144K，远远超过普通碳钢的熔点（1690K）。并且在发动机的工作过程中，燃气温度又经常发生变化，这样形成的热负荷已经成为涡轮部件结构设计的主要问题之一。因此，对涡轮叶片冷却方式的研究也是十分重要而迫切的，而气膜冷却又是涡轮叶片冷却的一个重要方式。
通过国内外学者在气膜冷却方面多年来的研究成果可以看出，影响气膜冷却性能的因素非常复杂，而近年来对气膜冷却优化设计主要集中在改变气膜孔的结构上，如异型孔的设计和布置扰流装置等。本发明即是提供一种适用于航空燃气涡轮的缝气膜冷却加扰流柱的组合式涡轮叶片，本发明结构简单，扰流柱与叶片基体可采用一体成型，制造容易，便于实际应用；采用多排缝气膜冷却结构能在横向形成均匀一致的冷却气膜，增强冷却气膜的延续性和平稳性，提高冷却气膜覆盖面积，获得更高的冷却效率；在提高冷却效率的同时气动损失很小；在气膜缝内设置扰流柱，可保证叶片强度的同时提高叶片冷却效果。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种易于加工，冷却效果好，使叶片表面温度分布均匀，适用于燃气涡轮发动机涡轮叶片的组合冷却结构。该冷却结构包括叶片基体（1）气膜缝（2）、扰流柱（3）及冷气腔（4），其特征在于：气膜缝（2）形成的冲击通道平面与主流方向的角度为（α），（α）的范围为30°～35°，其出气口位于叶片基体（1）的压力面上，出口通道下缝面为以平面相切于一圆弧面的组合结构；气膜缝（2）的进气口连通冷气腔（4），每个冷气腔（4）对应一个气膜缝（2）；气膜缝（2）宽（a）为叶片叶高，即气膜缝（2）从叶根延伸至叶顶位置，气膜缝（2）冲击通道高(h)的范围为0.8mm～1.2mm；在气膜缝（2）内设置有扰流柱（3），扰流柱（3）在气膜缝（2）内交错排列，形成扰流柱群，扰流柱（3）与叶片基体（1）是一体成形的，将气膜缝（2）上下缝面连接起来，扰流柱（3）直径（d）的范围为3mm～5mm，扰流柱的纵向和横向间距比(m/n)范围为2～5。
本发明的缝气膜冷却加扰流柱的组合式涡轮叶片的优点在于：（1）结构简单，扰流柱与叶片基体可采用一体成型，制造容易，便于实际应用；（2）缝气膜冷却结构能在横向形成均匀一致的冷却气膜，提高冷却气膜覆盖面积，获得更高的冷却效率；（3）采用多排缝气膜冷却结构，出流气膜具有更强的延续性和平稳性，使得出流的冷气不过早的与燃气掺混，冷气能更多的覆盖在需冷却表面；（4）采用缝气膜冷却，减弱了出流冷气的涡流作用，在特定的吹风比范围内能有效减少气动损失，提高效率；（5）气膜缝出口圆弧面的存在使从缝内流出的冷气更好地粘附于叶片壁面，提高了冷却气膜覆盖面积；（6）在气膜缝内设置扰流柱，起到连接作用，保证了叶片结构强度，同时加强了冷却气体与叶片基体内壁的扰动，增强了换热效果，扰流柱还与冷却气体直接对流换热，叶片壁面的热量通过扰流柱由冷却气体带走，提高了换热效果。
附图说明
图1叶片整体结构示意图
图2叶片前视图
图3叶片的剖面图
图中：1.叶片基体 2.气膜缝 3.扰流柱 4.冷气腔
5.冷却气体 6.高温气体
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
参照图1、2所示，本发明是一种适用于燃气涡轮发动机涡轮叶片的新型缝气膜加扰流柱的组合冷却结构。该新型冷却结构最大特征在于采用气膜缝（2）取代常规气膜冷却孔，并在气膜缝（2）内设置扰流柱（3），起到保证强度，增强换热效果的作用。
参照图3所示，冷却气体（5）从气膜缝（2）进口进入，从出口射出，形成切向射流，经过下缝面的弧面过渡，很好地覆盖住叶片壁面，沿横向形成连续均匀的冷却气膜，将来流高温气体（6）与叶片壁面隔离，壁面了高温气体对叶表的烧蚀，提高了叶片的冷却效果。多排气膜缝（2）形成的冷却气膜前后衔接，增强冷却气膜的平稳性和延续性，避免了冷气与高温气体过早地掺混，从而提高冷却气膜覆盖面积，获得更高的冷却效率；气膜缝结构大大减小了冷气出流时形成涡流的概率及强度，这大大提高了冷却效果，同时在特定吹风比下，能有效减少气动损失，提高效率；扰流柱的设置，保证了叶片的结构强度；冷却气体在气膜缝（2）内流动时，受到扰流柱（3）的阻碍，发生绕流，扰流柱（3）交错布置，使扰动加强，增强了内壁与冷却气体的换热效果；冷气流过扰流柱（3）时，与扰流柱发生直接对流换热，高温气体（6）传递给叶片表面的热量经过绕流柱被冷却气体（5）带走，从而提高了冷却效果。
经过数值模拟计算和实验验证，该组合冷却结构能大大提高涡轮叶片的冷却效率，在相同工况下，比常规气膜冷却效率高100%～200%。
Claims (1)
1.一种缝气膜冷却加扰流柱的组合式涡轮叶片，包括叶片基体（1）、气膜缝（2）、扰流柱（3）及冷气腔（4），其特征在于：气膜缝（2）形成的冲击通道平面与主流方向的角度为（α），（α）的范围为30°～35°，其出气口位于叶片基体（1）的压力面上，出口通道下缝面为以平面相切于一圆弧面的组合结构；气膜缝（2）的进气口连通冷气腔（4），每个冷气腔（4）对应一个气膜缝（2）；气膜缝（2）宽（a）为叶片叶高，即气膜缝（2）从叶根延伸至叶顶位置，气膜缝（2）冲击通道高（h）的范围为0.8mm～1.2mm；在气膜缝（2）内设置有扰流柱（3），扰流柱（3）在气膜缝（2）内交错排列，形成扰流柱群，扰流柱（3）与叶片基体（1）是一体成形的，将气膜缝（2）上下缝面连接起来，扰流柱（3）直径（d）的范围为3mm～5mm，扰流柱的纵向和横向间距比（m/n）范围为2～5。
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