CN103912316A - 一种涡轮导叶缝气膜冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于燃气涡轮发动机涡轮导叶的新型缝气膜冷却结构，该冷却结构包括叶片基体、气膜缝、连接肋及阶梯面，其特征在于：气膜缝是顺着主流方向向前倾的斜缝，并与尾部冷气腔连通，沿叶高方向等间距排列，出口位于距离叶片尾缘边，连接肋与气膜缝相间分布。该新型叶片结构能在横向形成均匀一致的冷却气膜，出流气膜具有更强的平稳性，并且减弱了出流冷气的涡流作用，冷却气膜覆盖面积大，冷却效率高，加工简单。

Description

一种涡轮导叶缝气膜冷却结构

技术领域

本发明涉及一种用于燃气涡轮发动机高温部件的新型气膜冷却结构，特别涉及适用于涡轮导向器叶片的缝气膜冷却结构。该结构比传统气膜孔冷却结构能起到更好的冷却效果，满足燃气涡轮发动机涡轮导向器叶片的冷却要求。

背景技术

涡轮叶片是燃气涡轮发动机的重要热端部件，尤其是导向器叶片直接承受燃烧室出口高温燃气的冲刷。目前先进发动的涡轮前进口温度已经达到2000K左右，比压气机涡轮叶片金属材料的熔点高400K，可见冷却设计的重要性和迫切性。先进的冷却可使高温部件承受更高的温度，使发动机的寿命更长、可靠性更高。

涡轮叶片的冷却技术主要有扰流器强化对流冷却、冲击冷却、涂层冷却和气膜冷却。扰流器强化换热是采用不同形式的扰流器来加强冷气流的扰动以提高换热系数，主要用于叶片的内部冷却，如叶片尾缘劈缝的内部冷却。冲击冷却是用一股或多股冷却气流冲击表面，在冲击驻点区壁面上形成强的对流换热，适用于重点冷却局部换热表面，主要用于叶片内部前缘冷却。发散冷却是当高温燃气流通过多孔材料构成的壁面一侧（热侧），而冷气由多孔壁面另一侧（冷侧）喷入热侧时，则在热侧的壁面上形成一层连续的冷气膜，把燃气与多孔壁隔开，以达到冷却壁面的作用，但多孔材料容易被冷空气中的灰尘堵塞而破坏冷却效果。陶瓷涂层也是一种隔热措施，同样可以起到隔热和防止腐蚀的作用，陶瓷涂层的主要问题是材料的稳定性和与金属的热膨胀系数有较大的差别而易于受热脱落。气膜冷却是由壁面上的喷口喷出一股冷却气流，在表面形成一层冷气膜，来阻隔主燃气对壁面的加热，这是一种十分有效的热防护方法，同时还可以阻隔热燃气对固体材料的腐蚀。气膜冷却技术是目前航空发动机高温部件常用的冷却方式，如何更有效的组织气膜冷却，减少冷气消耗，提高冷却效果，一直是设计者关注的重要问题。改变气膜孔的几何形状和排列方式也成为了提高冷气的覆盖特性，提高气膜冷气效率的主要研究方向，而目前很多如带有突片的气膜孔等新型气膜孔有较为共同的特点是在几何上都较为复杂，如带有突片的气膜孔等，这些内凹或者外凸的几何特征在加工制造上的难度是很大的，若用到真实航空发动机的高温部件上，会给加工工艺和制造成本控制带来难题，使得采用这些技术的部件成本大幅度上升。对这种几何特征若没有通过详细的研究，精心设计，还有可能对高温部件的气动性能造成影响，甚至是增大了气动损失，降低了发动机效率，要克服这个缺点又会给设计和加工提出更高的要求。本发明是一种新型的气膜冷却结构，该冷却结构的几何型式均是狭长的窄缝，因此在加工上比常规的气膜孔更加容易操作。该缝气膜冷却结构可以沿横向形成均匀一致的冷却气膜，能够在保证叶片结构强度的前提下，使叶片的冷却效率提高到比目前常规气膜的冷却效率高出很多。因此，该新型缝气膜冷却结构不但易于加工，且能获得非常高的冷却效果，是一种很有实用前景的气膜冷却结构。

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导向器叶片的气膜冷却结构。该冷却结构包括叶片基体（1）、气膜缝（2）、连接肋（3）及阶梯面（4），其特征在于：气膜缝（2）是顺着主流方向向前倾斜角度（α）的斜缝，（α）的范围为30°～40°，气膜缝（2）与尾部冷气腔（4）连通，沿叶高方向等间距排列，其出口位于距离叶片尾缘边（5）为叶片弦长的1/3处的阶梯面（6），阶梯面（6）高（p）范围为1.5mm～2mm，气膜缝（2）的出口宽度（m）范围为15mm～30mm，高度（h）范围为0.8mm～1.2mm，连接肋（3）宽为（s），缝宽与肋宽比（m/s）为3～5，连接肋（3）与气膜缝（2）相间分布，且保证有两条连接肋分别分布于顶端和根部。

本发明的缝气膜冷却结构的优点在于：（1）该结构的几何型式均是狭长的窄缝，在加工上比常规气膜孔更易于操作，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）采用缝气膜冷却结构，出流气膜具有更强的平稳性，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，从而提高冷却气膜覆盖面积，获得更高的冷却效率；（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。

附图说明

图1叶片整体结构示意图

图2缝结构局部放大图

图3叶片剖视图及局部放大图

图中：1.叶片基体   2.气膜缝  3.连接肋   4.尾缘冷气腔

      5.叶片尾缘边 6.阶梯面  7.冷却气体 8.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导向器叶片的新型气膜冷却结构。该新型气膜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。叶片基体（1）具有两排气膜缝（2），分别开在叶片吸力面和压力面上，气膜缝（2）是顺着主流方向向前倾斜角度（α）的斜缝，（α）的范围为30°～40°，气膜缝（2）与尾部冷气腔（4）连通，沿叶高方向等间距排列，其出口位于距离叶片尾缘边（5）为叶片弦长的1/3处的阶梯面（6），阶梯面（6）高（p）范围为1.5mm～2mm，气膜缝（2）的出口宽度（m）范围为15mm～30mm，高度（h）范围为0.8mm～1.2mm，连接肋（3）宽为（s），缝宽与肋宽比（m/s）为3～5，连接肋（3）与气膜缝（2）相间分布，且保证有两条连接肋分别分布于顶端和根部。

参照图3所示，冷却气体（7）从气膜缝（2）进口进入，从出口射出，形成切向射流，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（8）与叶片壁面隔离，避免了高温气体对叶表的烧蚀，提高了叶片的冷却效果。同时，通过气膜缝（2）形成缝气膜比常规气膜孔形成的气膜更加稳定，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。气膜缝(2)间采用连接肋（3），保证了叶片的结构强度。

Claims (1)

1.一种用于燃气涡轮发动机涡轮导叶的新型缝气膜冷却结构，该冷却结构包括叶片基体（1）、气膜缝（2）、连接肋（3）及阶梯面（4），其特征在于：气膜缝（2）是顺着主流方向向前倾斜角度（α）的斜缝，（α）的范围为30°～40°，气膜缝（2）与尾部冷气腔（4）连通，沿叶高方向等间距排列，其出口位于距离叶片尾缘边（5）为叶片弦长的1/3处的阶梯面（6），阶梯面（6）高（p）范围为1.5mm～2mm，气膜缝（2）的出口宽度（m）范围为15mm～30mm，高度（h）范围为0.8mm～1.2mm，连接肋（3）宽为（s），缝宽与肋宽比（m/s）为3～5，连接肋（3）与气膜缝（2）相间分布，且保证有两条连接肋分别分布于顶端和根部。