CN107013255A - 一种带有连续直肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构 - Google Patents

一种带有连续直肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带有连续直肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，将直肋结构应用于尾缘半劈缝壁面，在不增加气膜出流量的前提下，通过扰流结构提高气膜对流换热系数以及换热面积、增强半劈缝气膜冷却的对流换热强度，从而提高叶片尾缘的综合冷却效果。扰流半劈缝冷却结构是在叶片尾缘压力面切除部分壁面，保留叶片尾缘吸力面一侧的壁面与间隔的分隔肋形成多个半劈缝结构，设计合理，结构简单；其特点在于冷却气流从冷流出口中喷射出覆盖在半劈缝壁面上形成冷却气膜，有效地降低吸力面的最高温度和平均温度，避免涡轮叶片的吸力面高温烧蚀。在半劈缝壁面布置简单的直肋结构，具有良好的传热特性和较好的加工可实施性。

Description

一种带有连续直肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构
技术领域
本发明属于燃气轮机涡轮叶片冷却技术领域，具体地说，涉及一种带有连续直肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构。
背景技术
提高涡轮进口温度是提高燃气轮机推力和效率的有效途径，但涡轮进口温度的提高会使得涡轮叶片承受更大的热负荷，过高的温度和热应力可能导致涡轮叶片无法正常工作。现代燃气轮机设计的进口温度已远远超过了所用材料的耐温极限，必须采用复杂的冷却技术来保证涡轮在高温的条件下正常运转。而涡轮叶片的尾缘处往往是高温部位，也最容易受热腐蚀而损坏，其冷却结构的设计难度更为突出，主要原因是叶片后部燃气侧流动往往已发展为湍流，使该部位外表面的换热强度很大，同时叶片吸力面的气膜冷却往往在前部，对后部产生的影响已经很小，在叶片内部，冷却气体经途中吸热到达尾部时温度也相对较高，冷却作用也相对较小。因此设计高效的尾缘气膜冷却结构是保证涡轮叶片稳定工作的重要措施。
南京航空航天大学的李廷斌在文献“不同结构扰流柱对叶片尾缘气膜冷却的影响”中研究了不同结构的扰流柱对叶片尾缘气膜冷却传热的影响规律，设计了圆型、椭圆型、水滴I型、水滴II和水滴III型5种不同几何结构的扰流柱，研究结果表明：对于同种类型和排型的扰流柱，在相同的吹风比下，叶片尾缘气膜冷却效率随射缝高度的减小而增大；对于不同扰流柱，在相同的射缝高度和吹风比下，水滴型扰流柱叶片尾缘的气膜冷却效率均高于圆型和椭圆型扰流柱叶片尾缘的冷却效率。但是其对气膜冷却的研究仅限于针对涡轮叶片的压力面，而目前压力面的气膜冷却效率已高达近0.98，即接近极限，其并没有对吸力面侧的高温情况提出解决方案。因此发展和创新涡轮叶片尾缘高效冷却结构，在不增加冷气用量的基础上进一步提升冷却效果，对于先进高性能航空发动机的研制是非常必要和有意义的。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种带有连续直肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构；将直肋结构应用于半劈缝壁面，在不增加气膜出流量的前提下，通过扰流结构提高气膜对流换热系数以及换热面积、增强半劈缝气膜冷却的对流换热强度，从而提高叶片尾缘的综合冷却效果。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括叶片尾缘吸力面、叶片尾缘压力面、尾缘半劈缝壁面、分隔肋、连续直肋、冷流出口、冷流入口，其特征是在叶片尾缘压力面切除部分壁面，保留叶片尾缘吸力面一侧的壁面与间隔的分隔肋形成多个半劈缝结构，半劈缝结构的唇板厚度t与冷气出流缝高度s的比值为0.2～1.5，半劈缝倾斜角为0～15°,冷却气流从冷流出口中喷射出覆盖在尾缘半劈缝壁面上形成冷却气膜；所述连续直肋等间距均布设置在冷流出口部位的尾缘半劈缝壁面，且与相邻的两个分隔肋相连接，所述连续直肋的肋高h与冷气出流缝高度s比值为0.1～0.5，肋宽l与肋高h的比值为0.6～1.5，连续直肋的流向间距x与肋宽l的比值为6～10。
所述连续直肋的数量根据尾缘半劈缝壁面的流向长度L、连续直肋的流向间距x、肋宽l、肋高h确定。
有益效果
本发明提出的一种带有连续直肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，通过在半劈缝壁面设置直肋结构产生强化传热效果，在不增加气膜出流量的前提下，通过扰流结构提高气膜对流换热系数以及换热面积、增强半劈缝气膜冷却的对流换热强度，从而提高叶片尾缘的综合冷却效果。带有连续直肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，是在叶片尾缘压力面切除部分壁面，保留叶片尾缘吸力面一侧的壁面与间隔的分隔肋形成多个半劈缝结构，设计合理、结构简单；其特点在于冷却气流从冷流出口中喷射出覆盖在半劈缝壁面上形成冷却气膜，有效地降低叶片尾缘吸力面的最高温度和平均温度，避免涡轮叶片的吸力面高温烧蚀。
本发明带有连续直肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，在半劈缝壁面布置简单的直肋结构，具有良好的传热特性和较好的加工可实施性；可应用于各种涡轮叶片中。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种带有连续直肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构作进一步详细说明。
图1为本发明带有连续直肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构轴测图。
图2为本发明带有连续直肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构俯视图。
图3为本发明图2的A-A剖视图。
图4为本发明带有连续直肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构右视图。
图5为应用于航空发动机涡轮叶片示意图。
图6为二维尾缘半劈缝传热模型示意图。
图7为扰流半劈缝冷却结构与常规尾缘半劈缝结构的半劈缝壁面的展向平均气膜冷却效率对比曲线。
图8为扰流半劈缝冷却结构与常规尾缘半劈缝结构的半劈缝壁面的展向平均换热系数对比曲线。
图中:
1.叶片尾缘压力面 2.分隔肋 3.尾缘半劈缝壁面 4.连续直肋 5.冷流出口 6.叶片尾缘吸力面 7.冷流入口 8.尾缘区域
具体实施方式
本实施例是一种带有连续直肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构。
参阅图1～图6，本实施例带有连续直肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构应用于航空发动机涡轮叶片中的尾缘区域8，由叶片尾缘吸力面6、叶片尾缘压力面1、尾缘半劈缝壁面3、分隔肋2、连续直肋4、冷流出口5、冷流入口7组成，其中，在叶片尾缘压力面1切除部分壁面，保留叶片尾缘吸力面一侧的壁面与间隔的分隔肋2形成多个半劈缝结构；半劈缝结构的唇板厚度t与冷气出流缝高度s的比值为0.2～1.5，半劈缝倾斜角为0～15°,冷却气流从冷流出口5中喷射出覆盖在尾缘半劈缝壁面3上形成冷却气膜。连续直肋4等间距均布设置在冷流出口5部位的尾缘半劈缝壁面3，且与相邻的两个分隔肋2相连接，连续直肋的肋高h与冷气出流缝高度s比值为0.1～0.5，肋宽l与肋高h的比值为0.6～1.5，连续直肋的流向间距x与肋宽l的比值为6～10。
连续直肋4的数量根据尾缘半劈缝壁面3的流向长度L、连续直肋4的流向间距x、肋宽l、肋高h确定。
本实施例中，来自叶片内部冷却腔的冷却气流从冷流入口7进入尾缘区域8，从冷流出口5中沿尾缘半劈缝壁面3吹出，并与叶片尾缘压力面1的高温主流混合，在对应的尾缘半劈缝壁面3形成冷却气膜，通过在尾缘半劈缝壁面3上布置连续直肋4，使得该区域的冷却气膜发生流动、分离、再附，壁面扰流结构的加入势必会对半劈缝气膜射流的近壁流动结构产生影响，也将改变尾缘表面的对流换热强度。半劈缝冷却结构对于叶片尾缘压力面1是气膜冷却，对于叶片尾缘吸力面6则是内部冷却，冷气膜一方面要隔绝叶片尾缘压力面1的燃气对尾缘区域8的加热，另一方面还要吸收叶片尾缘吸力面6的燃气通过尾缘壁导入的热量。通过扰流结构提高气膜对流换热系数以及换热面积、增强半劈缝气膜冷却的对流换热强度，从而提高尾缘的综合冷却效果。
如图7和图8分别对扰流半劈缝冷却结构与常规尾缘半劈缝结构的半劈缝壁面的展向平均气膜冷却效率和换热系数进行了对比。在本实施例中，带有连续直肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构中在尾缘劈缝壁面3布置了三排连续直肋4，连续直肋4的肋高h为0.08mm、肋宽l为0.1mm、流向间距x为1.0mm。为保证可比性，两者在相同条件下进行模拟，半劈缝结构的唇板厚度t为0.4mm，尾缘壁厚度δ为1.0mm，冷流出口5高度s为0.5mm，半劈缝倾斜角为0°，吹风比M为1.0，差异仅为尾缘半劈缝壁面3是否布置连续直肋4。
通过展向平均气膜冷却效率对比可见，常规尾缘半劈缝结构的冷却效率比扰流半劈缝冷却结构较高，但是差别不大，这是由于连续直肋的扰流效果造成的；通过展向平均换热系数对比可见，扰流半劈缝冷却结构的换热系数要明显高于常规尾缘半劈缝结构，主要得益于在尾缘劈缝壁面3布置的连续直肋4带来的强化换热效果。
面积平均冷却效率和对流换热系数的结果如下表所示:
扰流半劈缝冷却结构 常规尾缘半劈缝结构
半劈缝壁面的气膜冷却效率 0.98473 0.99667
半劈缝壁面的对流换热系数 2975.765W/m2·k 1998.6494W/m2·k
尾缘吸力面的对流换热系数 1493.206W/m2·k 1258.793W/m2·k
由图6可知，半劈缝冷却结构对于叶片尾缘压力面1是气膜冷却，对于叶片尾缘吸力面6则是内部冷却，冷气膜一方面要隔绝叶片尾缘压力面1的燃气对尾缘区域8的加热，另一方面还要吸收叶片尾缘吸力面6的燃气通过尾缘壁导入的热量。因此叶片尾缘吸力面6侧壁温Tw2高于尾缘劈缝壁面温度Tw1，而尾缘的综合冷却效果也主要取决于叶片尾缘吸力面6壁温的降低程度。
在如图6所示的边界条件和一维传热过程的假设下，通过如下热量传递平衡方程:
式中，Tg为燃气温度，Tc为冷气温度，t为半劈缝唇板厚度，s为冷流出口高度，δ为尾缘壁厚度，k为尾缘壁导热系数，hg为叶片尾缘半劈缝壁面的对流换热系数，Tw2为叶片尾缘吸力面壁温，Tw1为尾缘半劈缝壁面温度，hf为尾缘半劈缝壁面上的对流换热系数,η为尾缘半劈缝壁面上的气膜冷却效率。
通过式(1)可以得到叶片尾缘吸力面6侧壁温Tw2与燃气温度、冷气温度、气膜冷却效率以及两侧壁面对流换热系数的关系式:
将相应数值带入式(2)-(3)可得常规尾缘半劈缝结构和扰流半劈缝冷却结构的叶片尾缘吸力面6壁温分别为1070.958K和1029.705K，可见带有连续直肋4的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构可有效地降低叶片尾缘吸力面6壁温。

Claims (2)

1.一种带有连续直肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，包括叶片尾缘吸力面、叶片尾缘压力面、尾缘半劈缝壁面、分隔肋、连续直肋、冷流出口、冷流入口，其特征在于:在叶片尾缘压力面切除部分壁面，保留叶片尾缘吸力面一侧的壁面与间隔的分隔肋形成多个半劈缝结构，半劈缝结构的唇板厚度t与冷气出流缝高度s的比值为0.2～1.5，半劈缝倾斜角为0～15°,冷却气流从冷流出口中喷射出覆盖在尾缘半劈缝壁面上形成冷却气膜；所述连续直肋等间距均布设置在冷流出口部位的尾缘半劈缝壁面，且与相邻的两个分隔肋相连接，所述连续直肋的肋高h与冷气出流缝高度s比值为0.1～0.5，肋宽l与肋高h的比值为0.6～1.5，连续直肋的流向间距x与肋宽l的比值为6～10。
2.根据权利要求1所述的带有连续直肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，其特征在于:所述连续直肋的数量根据尾缘半劈缝壁面的流向长度L、连续直肋的流向间距x、肋宽l、肋高h确定。
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