CN106593544A - 一种涡轮转子叶片的尾缘冷却结构及具有其的发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涡轮转子叶片的尾缘冷却结构及具有其的发动机，涉及发动机技术领域。所述涡轮转子叶片的尾缘冷却结构的叶片的尾缘在叶片高度方向设置有多个相互独立的扩张型冷却劈缝，所述扩张型冷却劈缝是指劈缝在叶片高度方向的开口宽度从叶片的内腔向叶片外表面方向逐渐扩大。所述发动机上的转子叶片包含如上所述的涡轮转子叶片的尾缘冷却结构。本发明的优点在于：叶片尾缘在叶片高度方向设置有多个相互独立的扩张型冷却劈缝，一方面扩张型的劈缝增加了冷气的覆盖面积，另一方面，使用渐扩代替了突扩，降低了冷气出口漩涡的强度，减弱了由于漩涡的挤压使得冷气脱体的程度，可以增强冷气的覆盖，提高其冷却效果，降低了叶片尾缘的壁面温度。

Description

一种涡轮转子叶片的尾缘冷却结构及具有其的发动机
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，具体涉及一种涡轮转子叶片的尾缘冷却结构及具有其的发动机。
背景技术
当前，燃气涡轮发动机的燃气温度已经达到1800K以上，远超涡轮转子叶片基体金属的熔化温度，通常需要从压气机抽取高压空气作为冷气，在通入叶片内腔后，利用其较低的温度对叶片进行冷却，降低壁面温度。叶片一般都会设计成空心结构，在内腔布置多个冷却通道，并根据叶片与燃气接触的外壁面不同区域换热强度的差异，采取不同的强化冷却措施，针对性地使用不同的冷却结构对叶片进行冷却，保证叶片壁面温度在安全范围内，并且尽量均匀。目前，涡轮转子叶片已经使用了复杂的内部冷却结构，目的是使用尽可能少的冷气，达到尽可能高的冷却效果，从而提高发动机的整机效率。涡轮转子叶片叶身按区域可分为前缘、排气边、叶盆和叶背。对于叶片而言，尾缘区域承受很高的热负荷，但是由于涡轮气动设计的限制，尾缘区域非常狭窄，不能布置太复杂的冷却结构，因此需要采用合适的方式加强尾缘区的冷却。
现有技术中通常有两种方法对涡轮转子叶片的尾缘区域进行冷却。
第一种方法是在尾缘区域的内腔设置冷却通道，通入冷气对其进行简单的对流冷却，但是这种方法冷却效果较低，尾缘能够达到的温降有限，只能应用于燃气温度相对较低的情况。
第二种方法采用劈缝冷却结构对尾缘进行强化冷却。在这种结构中，在尾缘区域沿径向设置多个离散的水平劈缝，水平劈缝和内腔的冷气通道在轴向连通。工作时，在冷气和燃气的压差作用下，冷气流经内腔的冷气通道，并且从水平劈缝流出，在叶片尾缘区域形成气膜状的冷气覆盖。这种冷却结构可以使用较大流量的冷气对进行强化冷却，相对之前采用的简单对流冷却，能够获得较高的冷却效果。但是其缺点也比较明显，冷气由劈缝流出时，在水平劈缝引起的漩涡作用下，不能很好地对叶片尾缘形成冷气覆盖；冷气流出时，由于较大的冷气和燃气压差，冷气的速度明显高于燃气流速，因此在性能上会带来较大的掺混损失。
发明内容
本发明的目的是提供一种涡轮转子叶片的尾缘冷却结构及具有其的发动机，以解决或至少减轻背景技术中所存在的至少一处的问题。
为了达到较高的气动性能，叶片的尾缘一般都很薄，因此不适合在尾缘设置比较复杂的冷却结构；燃气在尾缘区域由层流转捩为湍流，导致尾缘区域叶片外壁面的对流换热系数很高，因此需要对该区域进行精细的冷却结构设计，强化其冷却能力。
本发明采用的技术方案是：提供一种涡轮转子叶片的尾缘冷却结构，叶片的尾缘在叶片高度方向设置有多个相互独立的扩张型冷却劈缝，所述扩张型冷却劈缝是指劈缝在叶片高度方向的开口宽度从叶片的内腔向叶片外表面方向逐渐扩大。
优选地，多个所述扩张型冷却劈缝通过隔肋隔开，所述隔肋包含进气圆弧面和与排气圆弧面，所述进气圆弧面设置在叶片内腔，所述排气圆弧面靠近叶片外表面与所述进气圆弧面相对设置，所述进气圆弧面的半径大于所述排气圆弧面的半径。
优选地，所述进气圆弧面的两边与所述排气圆弧面的两边通过两个连接面分别连接，所述连接面为平面或圆弧面或曲面，所述连接面的两端分别与所述进气圆弧面及排气圆弧面相切。
优选地，所述扩张型冷却劈缝包含一个喉道，所述喉道从叶片的内腔向叶片表面沿燃气流向设置，使扩张型冷却冷气出口角度与燃气气流角度一致。
优选地，多个所述扩张型冷却劈缝设置在尾缘的叶盆面上均布设置，相邻两个所述隔肋在叶片高度方向的间距相等。
优选地，叶片设置有多个内腔，靠近尾缘的内腔设置有独立的进气通道。
本发明还提供了一种发动机，所述发动机上的转子叶片包含如上所述的涡轮转子叶片的尾缘冷却结构。
本发明的有益效果在于：本发明叶片尾缘在叶片高度方向设置有多个相互独立的扩张型冷却劈缝，一方面扩张型的劈缝增加了冷气的覆盖面积，另一方面，使用渐扩代替了突扩，降低了冷气出口漩涡的强度，减弱了由于漩涡的挤压使得冷气脱体的程度，可以增强冷气的覆盖，提高其冷却效果，进一步降低了叶片尾缘的壁面温度。
扩张型冷却劈缝包含一个喉道，所述喉道从叶片的内腔向叶片表面沿燃气流向设置，使扩张型冷却劈缝冷气出口角度与燃气气流角度一致，可以减小冷气和燃气掺混时的性能损失。
多个扩张型冷却劈缝之间的隔肋采用流线外表面，流线形的隔肋可以降低冷气在劈缝中流动时的压力损失。
附图说明
图1是包含本发明涡轮转子叶片的尾缘冷却结构的叶片示意图。
图2是图1所示叶片的截面示意图。
图3是图2所示A-A处的放大剖视图。
其中，1-叶片，11-扩张型冷却劈缝，2-内腔，3-隔肋，31-进气圆弧面，32-排气圆弧面，33-连接面，4-喉道，5-进气通道，6-叶盆。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1至图3所示，一种涡轮转子叶片的尾缘冷却结构，叶片1的尾缘在叶片高度方向设置有多个相互独立的扩张型冷却劈缝，所述扩张型冷却劈缝是指劈缝在叶片高度方向的开口宽度从叶片的内腔2向叶片外表面方向逐渐扩大。
工作中，冷却空气进入叶片内腔2后，经过其中的冷气通道进入尾缘扩张型冷却劈缝并流出，在尾缘区域形成气膜状的冷气覆盖，将尾缘和高温燃气隔绝开来，降低尾缘的温度。
本实施例中采用扩张型冷却劈缝增加了冷气的覆盖面积，相比现有技术，本发明使用渐扩代替了突扩，降低了冷气出口漩涡的强度，减弱了由于漩涡的挤压使得冷气脱体的程度，可以增强冷气的覆盖，提高其冷却效果，进一步降低了叶片尾缘的壁面温度。
在本实施例中，多个扩张型冷却劈缝通过隔肋3隔开，隔肋3包含进气圆弧面31和与排气圆弧面32，进气圆弧面31设置在叶片内腔，排气圆弧面32 靠近叶片外表面与进气圆弧面31相对设置，进气圆弧面31的半径大于排气圆弧面32的半径。进气圆弧面31的两边与排气圆弧面32的两边通过两个连接面33分别连接，连接面33为圆弧面，连接面的两端分别与进气圆弧面31及排气圆弧面32相切。其优点在于，流线形的隔肋3可以降低冷气在劈缝中流动时的压力损失。
可以理解的是，所述连接面还可以设置为平面或曲面，并保证连接面的两端分别与进气圆弧面31及排气圆弧面32相切。
在本实施例中，所述扩张型冷却劈缝包含一个喉道4，喉道4从叶片的内腔向叶片表面沿燃气流向设置，使扩张型冷却劈缝冷气出口角度与燃气气流角度一致，可以减小冷气和燃气掺混时的性能损失。可以理解的是，通过控制喉道4的面积，可以控制用于劈缝冷却的冷气流量。
在本实施例中，多个扩张型冷却劈缝设置在尾缘的叶盆6的表面上均布设置，相邻两个隔肋3在叶片高度方向的间距相等。可以理解的是，相邻两个隔肋3之间的距离可以根据实际情况的设定，两个隔肋3之间的距离也可以不相等，例如，在一个备选实施例中，根据叶片的尾缘在叶片高度方向不同区域的温度不同，可以有针对性的设置，在温度较高的区域设置较大的距离，以增大冷气流量，实现较好的降温效果，在温度相对较低的地方，可以设置较小的距离，以节省冷气流量，提高效率。
在本实施例中，叶片1设置有多个内腔2，靠近尾缘的内腔2设置有独立的进气通道5，可以保证扩张型冷却劈缝有足够的冷气流量。
冷气由扩张型冷却劈缝流出时，在两个隔肋3之间形成一个完整的扩张通道，每个通道有一个喉道4，通过控制喉道4的面积可以控制用于尾缘冷却的冷气流量。冷气在扩张通道内减速，可以降低冷气的动量，相对之前的水平劈缝，可以减弱冷气由于出口突扩而产生的漩涡，可以减弱冷气从壁面提升并脱体的程度，提高冷气的覆盖效果，增加尾缘的冷却效果，降低叶片壁面温度；另外一方面，可以通过设置合理的扩张角，使得冷气和燃气的速度达到较好的匹配，从而降低掺混带来的效率损失。
可以理解的是，扩张型冷却劈缝的扩张角度可以根据实际情况设定，通过定义扩张角，可以控制冷气流出劈缝时的扩张程度，以此匹配冷气出流和燃气的速度，降低由冷气掺混带来的性能损失。
本发明还提供了一种发动机，所述发动机上的转子叶片包含如上所述的涡轮转子叶片的尾缘冷却结构。通过在叶片1上设置多个相互独立的扩张型冷却劈缝，一方面扩张型的劈缝增加了冷气的覆盖面积，另一方面，使用渐扩代替了突扩，降低了冷气出口漩涡的强度，减弱了由于漩涡的挤压使得冷气脱体的程度，可以增强冷气的覆盖，提高其冷却效果，进一步降低了叶片尾缘的壁面温度，有利于提高叶片的稳定性，进而提高发动机的性能。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种涡轮转子叶片的尾缘冷却结构，其特征在于：
叶片(1)的尾缘在叶片高度方向设置有多个相互独立的扩张型冷却劈缝(11)，所述扩张型冷却劈缝(11)是指劈缝在叶片高度方向的开口宽度从叶片的内腔(2)向叶片外表面方向逐渐扩大。
2.如权利要求1所述的涡轮转子叶片的尾缘冷却结构，其特征在于：多个所述扩张型冷却劈缝(11)通过隔肋(3)隔开，所述隔肋(3)包含进气圆弧面(31)和与排气圆弧面(32)，所述进气圆弧面(31)设置在叶片内腔，所述排气圆弧面(32)靠近叶片外表面与所述进气圆弧面(31)相对设置，所述进气圆弧面(31)的半径大于所述排气圆弧面(32)的半径。
3.如权利要求2所述的涡轮转子叶片的尾缘冷却结构，其特征在于：所述进气圆弧面(31)的两边与所述排气圆弧面(32)的两边通过两个连接面(33)分别连接，所述连接面(33)为平面或圆弧面或曲面，所述连接面(33)的两端分别与所述进气圆弧面及排气圆弧面相切。
4.如权利要求3所述的涡轮转子叶片的尾缘冷却结构，其特征在于：所述扩张型冷却劈缝包含一个喉道(4)，所述喉道(4)从叶片的内腔向叶片表面沿燃气流向设置，使扩张型冷却劈缝冷气出口角度与燃气气流角度一致。
5.如权利要求4所述的涡轮转子叶片的尾缘冷却结构，其特征在于：多个所述扩张型冷却劈缝(11)设置在尾缘的叶盆面上均布设置，相邻两个所述隔肋在叶片高度方向的间距相等。
6.如权利要求5所述的涡轮转子叶片的尾缘冷却结构，其特征在于：叶片设置有多个内腔(2)，靠近尾缘的内腔(2)设置有独立的进气通道(5)。
7.一种发动机，其特征在于：所述发动机上的转子叶片包含如权利要求1至7任一项所述的涡轮转子叶片的尾缘冷却结构。
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