CN110566283A - 一种用于高压涡轮动力叶片顶部的气膜冷却结构 - Google Patents

一种用于高压涡轮动力叶片顶部的气膜冷却结构 Download PDF

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朱惠人
张博伦
姚春意
刘存良
王亚州
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Abstract

本发明公开了一种用于高压涡轮动力叶片顶部的气膜冷却结构，由涡轮叶片、叶顶、内冷通道和气膜孔组成，在涡轮叶片的叶顶表面极限流线上和叶顶表面中后部中弧线上设置有气膜孔，气膜孔的两端分别形成气流的出口和入口，且与叶片前缘内冷通道、中弦内冷通道和尾缘内冷通道相通。叶顶表面极限流线上设置气膜孔处于叶顶间隙泄漏流的附着和再分离位置，冷气从气膜孔出来后成扇形分布，然后再汇入间隙主流，可避免燃气直接冲刷，减小其叶顶区域的流动损失，有效提升叶顶靠近尾缘区域的冷却效果。合理的气膜孔布局可有效地避免叶顶区域受间隙泄漏流的腐蚀，延长涡轮叶片的使用寿命，同时还可减小冷气量，提高发动机工作效率。

Description

一种用于高压涡轮动力叶片顶部的气膜冷却结构
技术领域
本发明涉及燃气轮机涡轮叶片的冷却技术领域，具体地说，涉及一种用于高压涡轮动力叶片顶部的气膜冷却结构。
技术背景
间隙泄漏流会高速冲刷高压涡轮动力叶片顶部，致使涡轮叶顶区域成为航空发动机中换热系数最高的区域之一。叶顶间隙高度非常小，因此叶顶间隙内部的流场结构与通道内的高温燃气存在明显的差别，相对来说间隙泄漏流的流动状态要更加复杂。为了有效减小叶顶区域的热负荷，保护叶顶不受高温燃气的腐蚀，国内外学者针对不同的叶顶形状以及气膜孔分布做了大量的实验以及数值模拟计算，研究了叶顶流动和换热机理。
气膜孔布局会对叶顶的换热产生很大影响，2003年Kwak等人(Heat TransferCoefficients and Film Cooling Effectiveness on the Squealer Tip of a GasTurbine Blade.Journal of Turbomachinery,2003,125(4):648-657.)实验测量了典型涡轮动力叶片叶顶区域的气膜冷却效率和换热系数，气膜孔布置在叶顶的中弧线上，并且该文章中研究了出流比和间隙高度等气动参数和结构参数对叶顶换热特性的影响。2004年Ahn等人(Film Cooling Effectiveness on a Gas Turbine Blade Tip and ShroundUsing Pressure Sensitive Paint.ASME Paper GT-2003-53429.)利用压敏漆测试技术实验测量了凹槽和平顶叶顶的气膜冷却特性。2014年杜昆等人(凹槽状叶顶涡轮叶片传热特性的数值研究.推进技术,2014,35(5):618-623.)数值模拟了带气膜叶顶和光叶顶的换热特性。Zhang等人(Impact of Cooling Injection on the Transonic Over-Tip LeakageFlow and Squealer Aerothermal Design Optimization.Journal of Engineering forGasTurbinesandPower,2015,137(6):062603-062603-7.)实验研究了跨音速条件下气膜孔分布对叶片顶部换热的影响。
合理的气膜孔布局不仅可以有效避免叶顶区域受间隙泄漏流的腐蚀，提高叶片的使用寿命，同时还可以减小冷气量，提高发动机效率。
发明内容
为了有效提高叶顶冷气的覆盖面积，避免间隙泄漏流直接冲刷叶顶，减弱甚至消除由于叶顶间隙泄漏流的附着和再分离形成的分离涡，减小叶顶区域的流动损失，有效提升叶顶靠近尾缘区域的冷却效果，延长其涡轮叶片的使用寿命；本发明提出一种用于高压涡轮动力叶片顶部的气膜冷却结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括涡轮叶片、叶顶、第一气膜孔、第二气膜孔、前缘内冷通道、中弦内冷通道、尾缘内冷通道，在涡轮叶片叶顶上设有气膜孔，气膜孔的两端分别形成气流的出口和入口，且与叶片前缘内冷通道、中弦内冷通道和尾缘内冷通道相通；其特征在于在涡轮叶片叶顶表面极限流线部位设有第一气膜孔，并且在叶顶表面中后部中弧线部位布置第二气膜孔；
所述叶顶的叶片轴向弦长C,取值范围为25～55mm；
所述第一气膜孔为圆柱形孔结构，第一气膜孔的孔径d为0.5～1.0mm，第一气膜孔与叶顶间夹角α为90°，第一气膜孔的数量n为6～9个，第一气膜孔沿极限流线上等间距分布，第一气膜孔的孔间距p为5d～8d；
所述第二气膜孔为圆柱形孔结构，孔径D的取值范围为0.6～1.2mm，第二气膜孔与叶顶间夹角θ为90°，第二气膜孔的数量N为3～5个；第二气膜孔沿中弧线上等间距分布，第二气膜孔的孔间距P为5D～9D。
所述第一气膜孔中沿流向第一个孔的圆心位置位于极限流线的起点；第一气膜孔中沿流向最后一个孔的圆心与第二气膜孔中沿流向第一个孔圆心的距离S为2～4d。
有益效果
本发明提出的一种用于高压涡轮动力叶片顶部的气膜冷却结构，由涡轮叶片、叶顶、内冷通道和气膜孔组成，在涡轮叶片的叶顶表面极限流线上和叶顶中后部中弧线上设有气膜孔，气膜孔的两端分别形成气流的出口和入口，且与叶片前缘内冷通道、中弦内冷通道和尾缘内冷通道相通。叶顶表面极限流线上设置气膜孔处在叶顶间隙泄漏流的附着和再分离位置，冷气从气膜孔出来后成扇形分布，然后再汇入间隙主流，可避免燃气直接冲刷，减小了叶顶区域的流动损失，有效提升了叶顶靠近尾缘区域的冷却效果；合理的气膜孔布局不仅可以有效避免叶顶区域受间隙泄漏流的腐蚀，提高叶片的使用寿命，同时还可以减小冷气量，延长涡轮叶片的使用寿命，提高发动机效率。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种用于高压涡轮动力叶片顶部的气膜冷却结构作进一步详细说明。
图1为本发明高压涡轮动力叶片顶部的气膜冷却结构示意图
图2为本发明高压涡轮动力叶片顶部的气膜冷却结构俯视图
图3为本发明高压涡轮动力叶片顶部的气膜冷却结构三维流线分布
图4为本发明叶片顶部的气膜孔供气通道示意图
图中
1.叶顶 2.第一气膜孔 3.第二气膜孔 4.涡轮叶片 5.前缘内冷通道 6.中弦内冷通道 7.尾缘内冷通道 8.冷气入口
A.极限流线 B.中弧线 C.叶片轴向弦长 d.极限流线上的气膜孔孔径
α.极限流线上的气膜孔与叶顶的夹角 D.中弧线上的气膜孔孔径
θ.中弧线上的气膜孔与叶顶夹角 n.极限流线上的气膜孔个数
p.极限流线上气膜孔间距 N.中弧线上气膜孔个数 P.中弧线上气膜孔间距
S.极限流线上的气膜孔中沿流向最后一个孔的圆心和中弧线上的气膜孔中沿流向第一个孔的圆心的距离
E.冷气 F.极限流线上的气膜孔出流冷气 G.中弧线上的气膜孔出流冷气
具体实施方式
本实施例是一种用于高压涡轮动力叶片顶部的气膜冷却结构；通过在叶顶表面极限流线上设置第一气膜孔2，并在叶顶中后部中弧线上布置第二气膜孔3。在叶顶靠近压力面侧存在一个流动附着分离区域，此处换热强度较高，但该区域并没有冷气覆盖。叶顶表面极限流线上设置气膜孔正好处在叶顶间隙泄漏流的附着和再分离位置，冷气从气膜孔出来后成扇形分布，一部分卷向压力面侧，然后再汇入间隙主流，流出叶顶间隙，另一部分则沿泄漏流方向从吸力面侧流出，可保证冷气覆盖到叶顶的大部分区域，避免燃气直接冲刷，有效提升叶顶区域的冷却效果。由于极限流线上的气膜孔破坏了叶顶的附着流动，分离涡的结构被完全破坏，仅在气膜孔下游区域存在一个较小的分离涡，减小了流动损失。布置在叶顶中后部中弧线上的气膜孔出来的冷气受主流的作用，可以有效保护叶顶尾缘附近区域不受高温直接冲刷，有效提升了叶顶靠近尾缘区域的冷却效果，延长了涡轮叶片的使用寿命。
参阅图1、图2、图3、图4本实施例用于高压涡轮动力叶片顶部的气膜冷却结构，由涡轮叶片4、叶顶1、第一气膜孔2、第二气膜孔3、前缘内冷通道5、中弦内冷通道6、尾缘内冷通道7组成；在涡轮叶片叶顶上设有气膜孔，气膜孔的两端分别形成气流的出口和入口，且与叶片前缘内冷通道、中弦内冷通道和尾缘内冷通道相通。其中，涡轮叶片4叶顶表面极限流线部位设有第一气膜孔2，并且在叶顶表面中后部中弧线部位布置第二气膜孔3，其中第一气膜孔2和第二气膜孔3分别沿极限流线上和中弧线上等间距设置。叶顶1的叶片轴向弦长C,取值范围为25～55mm。
本实施例中，第一气膜孔2为圆柱孔，第一气膜孔的孔径d的取值范围为0.5～1.0mm；第一气膜孔2与叶顶1间夹角α为90°；第一气膜孔2在极限流线上等间距分布，第一气膜孔2的个数n为6～9个；第一气膜孔2的孔间距p,取值范围为5d～8d。第二气膜孔3为圆柱孔，孔径D的取值范围为0.6～1.2mm，第二气膜孔3与叶顶1的夹角θ为90°，第二气膜孔3的个数N为3～5个；第二气膜孔3的孔间距为P,取值为5D～9D。第一气膜孔2中沿流向第一个孔的圆心位置位于极限流线A的起点；第一气膜孔2中沿流向最后一个孔的圆心和第二气膜孔3中沿流向第一个孔的圆心的距离S，取值范围为2～4d。
实施例一
本实施例是高压涡轮动力叶片顶部的气膜冷却结构，通过在涡轮叶片顶部布置第一气膜孔2个第二气膜孔3，由前缘内冷通道5，中弦内冷通道6以及尾缘内冷通道7进行供气。第一气膜孔2设置在叶顶1表面极限流线上，第二气膜孔3设置在叶顶1中后部中弧线上布置，其中第一气膜孔2和第二气膜孔3分别在极限流线和中弧线上等间距设置。第一气膜孔2和第二气膜孔3均为圆柱孔。第一气膜孔2中沿流向第一个孔的圆心位置位于极限流线A的起点。第一气膜孔2和第二气膜孔3与叶顶垂直。第一气膜孔2由前缘内冷通道5和中弦内冷通道6提供冷气，气膜孔3由尾缘内冷通道7提供冷气。
叶顶1的叶片轴向弦长C的取值为25mm。第一气膜孔2孔径d的取值为0.5mm。第二气膜孔3孔径D的取值为0.6mm。第一气膜孔2个数n的取值为9个。第一气膜孔2孔间距p的取值为5d。第二气膜孔3个数N的取值为3个。第二气膜孔3孔间距为P的取值为9D。第一气膜孔2中沿流向最后一个孔的圆心和第二气膜孔3中沿流向第一个孔的圆心的距离S，取值范围为2d。第一气膜孔2与叶顶1夹角α为90°。第二气膜孔3与叶顶1夹角θ为90°。本实施例中，极限流线上的第一气膜孔2的个数较多且孔间距的取值范围属于较小的值，此时，通过减小第二气膜孔3个数，增加第二气膜孔3的间距，可在保证冷气流量不增加的前提下，有效提升叶顶靠近前缘区域的冷气覆盖，分离涡的结构被完全破坏，有效减小叶顶间隙泄漏流造成的流动损失。增加第二气膜孔3的间距，可使得叶顶下游靠近尾缘区域形成气膜保护，避免燃气腐蚀叶顶尾缘区域。
实施例二
本实施例是高压涡轮动力叶片顶部的气膜冷却结构，是通过在涡轮叶片顶部布置第一气膜孔2个第二气膜孔3，由前缘内冷通道5，中弦内冷通道6以及尾缘内冷通道7进行供气。第一气膜孔2设置在叶顶1表面极限流线上，第二气膜孔3设置在叶顶1中后部中弧线上布置，其中第一气膜孔2和气膜孔3分别在极限流线和中弧线上等间距设置。第一气膜孔2和气膜孔3均为圆柱孔。第一气膜孔2中沿流向第一个孔的圆心位置位于极限流线A的起点。第一气膜孔2和第二气膜孔3与叶顶垂直。第一气膜孔2由前缘内冷通道5和中弦内冷通道6提供冷气，气膜孔3由尾缘内冷通道7提供冷气。
叶顶1的叶片轴向弦长C的取值为45mm。第一气膜孔2孔径d的取值为1mm。第二气膜孔3孔径D的取值为0.8mm。第一气膜孔2个数n的取值为6个。第一气膜孔2孔间距p的取值为5d。第二气膜孔3个数N的取值为5个，第二气膜孔3孔间距P的取值为6D。第一气膜孔2中沿流向最后一个孔的圆心和第二气膜孔3中沿流向第一个孔的圆心的距离S，取值范围为4d。第一气膜孔2与叶顶1夹角α为90°。第二气膜孔3与叶顶1夹角θ为90°。本实施例中，极限流线上的第一气膜孔2的个数较少，且孔间距的取值范围属于较小的值，但是，第一气膜孔2的孔径较大，气膜孔覆盖的区域也较广，同时增大第一气膜孔2的孔径可以增加冷气从气膜孔出来后的高冷效扇形区域。此时，增加第二气膜孔3的个数，可以为尾缘区域提供充足的冷气，有效降低其叶顶尾缘的壁面温度。
实施例三
本实施例是高压涡轮动力叶片顶部的气膜冷却结构，通过在涡轮叶片顶部布置第一气膜孔2、第二气膜孔3，由前缘内冷通道5，中弦内冷通道6以及尾缘内冷通道7进行供气；其中，第一气膜孔2设置在叶顶1表面极限流线上，第二气膜孔3设置在叶顶1中后部中弧线上，其中第一气膜孔2和第二气膜孔3分别在极限流线和中弧线上等间距设置。第一气膜孔2和第二气膜孔3均为圆柱孔。第一气膜孔2中沿流向第一个孔的圆心位置位于极限流线A的起点。第一气膜孔2和第二气膜孔3与叶顶垂直。第一气膜孔2由前缘内冷通道5和中弦内冷通道6提供冷气，气膜孔3由尾缘内冷通道7提供冷气。
叶顶1的叶片轴向弦长C的取值为32mm。第一气膜孔2孔径d为0.8mm。第二气膜孔3孔径D的取值为0.8mm。第一气膜孔2个数n的取值为8个。第一气膜孔2孔间距p的取值为6d。第二气膜孔3个数N的取值为4个。第二气膜孔3孔间距为P的取值为6D。第一气膜孔2中沿流向最后一个孔的圆心和第二气膜孔3中沿流向第一个孔的圆心的距离S，取值范围为3d。第一气膜孔2与叶顶1夹角α的取值为90°。第二气膜孔3与叶顶1夹角θ的取值为90°。本实施例中，极限流线上的第一气膜孔2的个数较多，孔间距的取值范围适中，第一气膜孔2孔径取值适中，此时，在保证冷气量不增加的情况下大幅度提高叶顶前缘及中弦区域的气膜冷却效率和冷气的覆盖范围，破坏了分离涡的结构，仅在气膜孔下游区域存在一个较小的分离涡，减小了流动损失。本实施例中适当的第二气膜孔3个数和孔间距，可有效保护尾缘不受燃气腐蚀，又不至于浪费冷气。

Claims (2)

1.一种用于高压涡轮动力叶片顶部的气膜冷却结构，包括涡轮叶片、叶顶、第一气膜孔、第二气膜孔、前缘内冷通道、中弦内冷通道、尾缘内冷通道，在涡轮叶片叶顶上设有气膜孔，气膜孔的两端分别形成气流的出口和入口，且与叶片前缘内冷通道、中弦内冷通道和尾缘内冷通道相通；其特征在于:在涡轮叶片叶顶表面极限流线部位设有第一气膜孔，并且在叶顶表面中后部中弧线部位布置第二气膜孔；
所述叶顶的叶片轴向弦长C,取值范围为25～55mm；
所述第一气膜孔为圆柱形孔结构，第一气膜孔的孔径d为0.5～1.0mm，第一气膜孔与叶顶间夹角α为90°，第一气膜孔的数量n为6～9个，第一气膜孔沿极限流线上等间距分布，第一气膜孔的孔间距p为5d～8d；
所述第二气膜孔为圆柱形孔结构，孔径D的取值范围为0.6～1.2mm，第二气膜孔与叶顶间夹角θ为90°，第二气膜孔的数量N为3～5个，第二气膜孔沿中弧线上等间距分布，第二气膜孔的孔间距P为5D～9D。
2.根据权利要求1所述的用于高压涡轮动力叶片顶部的气膜冷却结构，其特征在于:所述第一气膜孔中沿流向第一个孔的圆心位置位于极限流线的起点；第一气膜孔中沿流向最后一个孔的圆心与第二气膜孔中沿流向第一个孔圆心的距离S为2～4d。
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