CN106761948B - 一种用于涡轮叶片内冷通道的凹陷肋结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于涡轮叶片内冷通道的凹陷肋结构，属于涡轮叶片的冷却技术领域；在倾斜的连续肋上沿长度方向的中间部位以及钝角端进行凹陷而成，凹陷高度小于肋高，凹陷形状从主流方向看为矩形。凹陷肋结构因为凹陷深度小于肋高，仍为连续肋,不存在填充区域。在叶片加工过程中，比间断带填充的肋加工简单。通过凹陷肋结构使得强换热区域由原来一部分变为现在三部分，最高值下降但覆盖区域上升，区域平均值并没有下降，换热强化部分更加均匀，对热应力的改善具有良好作用。凹陷肋结构强化换热区覆盖面积大，流动损失小，流阻下降25％以上。凹陷肋结构具有结构简单，成本较低的特点；重量减少明显，且单肋重量下降26％。

Description

一种用于涡轮叶片内冷通道的凹陷肋结构
技术领域
本发明涉及燃气轮机涡轮叶片的冷却技术，具体地说，涉及一种用于涡轮叶片内冷通道的凹陷肋结构。
技术背景
随着航空发动机的快速发展，涡轮进口温度不断提高，推重比10的一级发动机的涡轮进口温度已达到1900K～2000K，已远远超出了涡轮叶片材料的耐热极限。目前，航空发动机多采用外部冷却和内部冷却对叶片进行冷却。外部冷却主要是气膜冷却；内部冷却主要是冲击冷却和对流冷却。其中最具代表性的结构是带倾斜连续肋片的蛇形通道和涡流矩阵肋片通道。
对流冷却技术主要是在叶片上制作一些内部通道进行冷气与叶片的对流换热。增加换热能力的措施是在壁面上布置扰流肋片，以破坏壁面上的边界层并增加湍流度的方式来实现强化换热。各种内部冷却结构性能的好坏主要从两方面来评估:强化换热能力和流阻特性。拥有较高的强化换热能力是设计内部冷却结构最基本的目标，冷却通道中的流阻特性也日益得到关注。冷气在冷却通道中流动时总是伴随着冷气总压的降低，冷气的这部分压力能是由压气机对其做功而得到的，即冷却通道中的流动阻力越大，其消耗的压气机功越多。所以内部冷却结构的设计目标是同时具有较好的强化换热能力和较低的流动阻力系数。
二十世纪90年代，国外学者Han和Zhang研究了高性能的间断平行肋片和V形肋片结构，结果表明，对所有结构而言，努赛尔数比随雷诺数的增加而降低，摩擦因子比则随雷诺数增加而增大；间断情况下的45°、60°以及V形肋，与连续情况下的结构相比，在摩擦因子比变换不大的情况下，肋片侧的努赛尔数比显著提高，并且它们的传热强化和压降增加特性是相同的，其中综合性能最好的为60°下的V形间断肋；45°和60°平行连续肋片，V形肋片和90°间断肋片有相同的传热特性，其中60°的V形连续肋片效果最好。Anil Kumar Patil对V形间断肋的间断位置、间断大小、间断填充段位置等几何参数的影响进行了研究。结果表明V形间断肋结构在间断距离比为0.6、填充距离比为0.6时，得到了最大的斯坦顿数强化。并且V形间断肋结构能够提升冷却效率。国内学者的研究也在外文期刊上有所发表，Gongnan Xie等人的工作表明，因为其生成了与间断结构相关的配对涡，冲击和湍流混合强度降低，90°间断肋除了降低流阻的特性以外，在中间间断的方式使得换热效果较连续肋提升了12％左右。而中间及两边都开口的方式，极大的降低了流动阻力。
可以看出，以间断肋为代表的高性能肋片对降低流阻方面有着巨大的潜力，并且能提升一定的换热强度。因间断肋结构不连续，且存在填充区段等原因在实际制造过程中加工难度大，成本高，目前还不能适用于实际叶片。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，降低对流冷却通道中的流阻，及降低间断肋在生产过程中的高成本，本发明提出一种用于涡轮叶片内冷通道的凹陷肋结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括肋、凹陷区域Ⅰ、凹陷区域Ⅱ,其特征在于在倾斜的连续肋上的中间部位及钝角端进行凹陷而成，凹陷高度小于肋高，凹陷形状从主流方向看为矩形，肋倾角α为60°，肋横截面为正方形，边长为D；
凹陷区域Ⅰ位于连续肋长中间部位，凹陷高度d1/D为0.25～0.75，凹陷长度L1/L为0.05～0.25；
凹陷区域Ⅱ位于肋钝角端，凹陷高度d2/D为0.25～0.5，凹陷长度L2/L为0.05～0.15。
所述肋以等间距方式重复排列。
有益效果
本发明提出的一种用于涡轮叶片内冷通道的凹陷肋结构，在倾斜的肋长度的中间部位以及钝角端进行凹陷而成，凹陷高度小于肋高，凹陷形状从主流方向看为矩形。凹陷肋结构因为凹陷深度小于肋高，仍为连续肋,不存在填充区域。在叶片加工过程中，比间断带填充的肋制造简单。由于凹陷的存在，强换热区域由原来一块变为现在三块，最大值下降，平均性能上升，对热应力的改善起良好作用。
本发明用于涡轮叶片内冷通道的凹陷肋结构，凹陷肋结构强化换热区覆盖面积大，换热分部更加均匀，流动损失小，流阻下降25％以上。在叶片制造过程中，其较间断带填充的肋加工简单，成本较低，重量减少明显,且单肋重量下降26％。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种用于涡轮叶片内冷通道的凹陷肋结构作进一步的详细说明。
图1为本发明内冷通道的凹陷肋结构部位设置示意图。
图2为本发明内冷通道的凹陷肋结构的凹陷肋单元结构示意图。
图3为本发明内冷通道的凹陷肋结构的凹陷肋单元结构主视图。
图4为本发明内冷通道的凹陷肋结构的凹陷肋单元结构俯视图。
图5为实施例效果图。
图中
1.凹陷区域Ⅰ，高度d1，长度L1；2.凹陷区域Ⅱ,高度d2，长度L2；
通道长度为L；肋间距为p；肋倾角为α；
具体实施方式
本实施例是一种用于涡轮叶片内冷通道的凹陷肋结构。
参阅图1～图5，本实施例用于涡轮叶片内冷通道的凹陷肋结构，是在倾斜的连续肋上的中间部位及钝角端进行凹陷而成，凹陷的深度分别为d1、d2，凹陷的长度分别为L1、L2。凹陷深度小于肋高，凹陷形状从主流方向看为矩形，肋倾角α为60°，肋横截面为正方形，边长为D。肋以等间距方式重复排列。
本实施例中,相对于60°连续肋，在肋长度的中间位置进行凹陷，使得当地流阻大大下降，流量升高，肋后原有的三维喇叭涡的流量降低，相应的涡强度下降，形成高换热区1，因涡强度下降明显换热强化最大值明显下降，而且回流区域明显变小，使得流动损失显著降低；中间部位的凹陷又造成了近壁面处气流截面的收缩与扩张，并在相应的肋后横流的影响下形成高换热区2，因为中间开口长度够大，气流量增加，所以覆盖区域较大；在近钝角处的非凹陷部分的影响下，形成了一个强度较小的三维喇叭涡，并形成高换热区3，因为近钝角端，涡强度不够，所以换热强化及影响区域都不显著；钝角处的凹陷区域主要起到降低流阻的作用。采用的凹陷肋使得原来单一的强换热区变成了三块，最高值下降但覆盖区域上升，区域平局值并没有下降，换热强化分部更加均匀。
凹陷肋结构要求
肋倾斜角度α为60°；肋片形状为正方形，边长为D。通道长度为L，肋间距为p。
凹陷形状从主流看为矩形。凹陷区域Ⅰ位于连续肋长中间部位，凹陷高度d1/D为0.25～0.75，凹陷长度L1/L为0.05～0.25；凹陷区域Ⅱ位于肋钝角端，凹陷高度d2/D为0.25～0.5，凹陷长度L2/L为0.05～0.15。
实施例一
本实施例是应用于某型涡轮叶片内冷通道的凹陷肋结构。在涡轮叶片的内冷通道近压力面与近吸力面设置凹陷肋；在倾斜的连续肋上的中间部位及钝角端进行凹陷而成，凹陷深度小于肋高，凹陷形状从主流方向看为矩形，肋的倾角α为60°，肋横截面为正方形，边长D为2mm。
凹陷位置为两处，肋长度中间部位一处，开始位置距肋锐角端壁面15mm，结束位置距肋钝角端壁面15mm。在通道宽度方向上凹陷长度L1为10mm，凹陷高度d1为1.5mm。肋钝角端凹陷一处，凹陷于钝角端壁面开始，在距钝角端6mm处结束，凹陷长度L2为6mm，凹陷高度d2为1mm。肋以间隔p为40mm的方式重复排列。因其起止边界均为壁面，在肋长度方向上不间断，最深处为肋高的25％，所以在叶片的铸造建模过程中，难度比间断肋有所下降。凹陷区域Ⅰ的凹陷长度和深度，形成的涡结构降低了原有流场的回流区大小，提供主要的压降损失降低。在凹陷区域Ⅱ靠近钝角端壁面，凹陷长度和深度都较凹陷区域Ⅰ小，所以流量较低，起辅助降低流阻的作用。两个凹陷区域增加了若干直棱直角的面，所以在降低流阻的时候，流体的换热并没有降低。只是使原有的强换热区域分成两块。
实施例二
本实施例是应用于某型涡轮叶片内冷通道的凹陷肋结构。在涡轮叶片的内冷通道近压力面与近吸力面设置凹陷肋；在倾斜的连续肋上的中间部位及钝角端进行凹陷而成，凹陷深度小于肋高，凹陷形状从主流方向看为矩形，肋的倾角α为60°，肋横截面为正方形，边长D为2mm。
凹陷位置为两处，从流向看凹陷区域形状为矩形。肋长度中间部位一处，开始位置距肋锐角端壁面16mm，结束位置距肋钝角端壁面16mm。在通道宽度方向上凹陷长度L1为8mm，凹陷高度d1为1.5mm。肋钝角端凹陷一处，凹陷于钝角端壁面开始，在距钝角端6mm处结束，凹陷长度L2为6mm，凹陷高度d2为0.5mm。肋以间隔p为40mm的方式重复排列。因其起止边界均为壁面，在肋长度方向上不间断，最深处为肋高的25％，所以在叶片的铸造建模过程中，难度比间断肋有所下降。凹陷区域Ⅰ的凹陷长度和深度，形成的涡结构降低了原有流场的回流区大小，提供主要的压降损失降低。在凹陷区域Ⅱ靠近钝角端壁面，凹陷长度和深度都较凹陷区域Ⅰ小，所以流量较低，起辅助降低流阻的作用。与实例1相比通过调小凹陷区域Ⅰ的长度、凹陷区域Ⅱ的高度，增大了换热强度和压力损失。但流阻仍大大低于原机构，换热高于原结构。
若要大幅度降低流动损失，可通过增加凹陷1的高度和长度得到，但是越低的流阻意味着越低的换热强度，相对低的凹陷高度和长度能在降低流阻的前提下提高换热系数。对凹陷2高度和长度的调整对于流场特性起到一个辅助作用。可通过在范围内选择合理的凹陷区域参数，来达到对不同使用状态的要求。

Claims (1)

1.一种用于涡轮叶片内冷通道的凹陷肋结构，包括肋、凹陷区域Ⅰ、凹陷区域Ⅱ,其特征在于:在倾斜的连续肋上的中间部位及钝角端进行凹陷而成，凹陷高度小于肋高，凹陷形状从主流方向看为矩形，肋倾角α为60°，肋横截面为正方形，边长为D，肋以等间距方式重复排列；
凹陷区域Ⅰ位于连续肋长中间部位，该区域凹陷高度d1比肋边长D比值为0.25～0.75，凹陷长度L1比通道长度L比值为0.05～0.25；
凹陷区域Ⅱ位于肋钝角端，该区域凹陷高度d2比肋边长D比值为0.25～0.5，凹陷长度L2比通道长度L比值为0.05～0.15。
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