CN110894795A

CN110894795A - 一种用于涡轮叶片前缘内冷通道的弯曲肋结构

Info

Publication number: CN110894795A
Application number: CN201911076348.8A
Authority: CN
Inventors: 杨卫华; 魏景涛; 项磊; 邓创新
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2019-11-06
Filing date: 2019-11-06
Publication date: 2020-03-20

Abstract

本发明公开了一种用于涡轮叶片前缘内冷通道的弯曲肋结构，包括沿垂直于主流方向设置的弯曲肋，所述弯曲肋包括弯曲段和径直段；所述径直段靠近叶片前缘处沿一定弧度等截面伸长，形成弯曲段；所述弯曲肋沿主流方向呈“J”型；本发明提供的弯曲肋结构，可以有效增强前缘壁面处气流的扰动，强化换热区域覆盖面积大，进一步强化通道的换热能力，同时在保证前缘结构强度的情况下能够使前缘壁厚适当减薄，降低加工过程中高温合金的使用量，降低成本。

Description

一种用于涡轮叶片前缘内冷通道的弯曲肋结构

技术领域

本发明涉及燃气轮机涡轮叶片冷却技术领域，主要涉及一种用于涡轮叶片前缘内冷通道的弯曲肋结构。

背景技术

涡轮进口温度的提高可以有效的改善航空发动机的热力学效率以及输出功率，随着对发动机稳定性和高效性的追求，现代高性能航空发动机涡轮前燃气温度已经高达2000K，根据先进航空发动机未来的发展趋势，涡轮进口燃气温度仍需继续提升。

涡轮叶片常由于燃气温度过高而产生高温氧化现象，叶片前缘是产生烧蚀现象的主要部位之一。目前航空发动机的涡轮叶片主要由镍基高温复合材料制成，其最高工作温度约为1400K，仅仅依靠材料的发展不能满足技术要求，先进、高效、可靠稳定的冷却系统才是解决问题的关键所在，因此，寻找可靠的方法对叶片进行有效的冷却对航空发动机性能的提高有重要的意义。

目前，高效冷却技术的发展已经取得了许多进展，其中设置肋片是涡轮叶片冷却的有效措施。在叶片的内部冷却通道中，通常在壁面添加与冷却气流流向成一定夹角的粗糙肋，以此来产生扰流作用，从而达到强化换热的目的。

由于涡轮叶片前缘受到高温燃气的直接冲击，热负荷最大，故此部位的冷却结构设计较为困难，但在叶片前缘得到有效冷却后，涡轮进口温度就可以得到提升，能进一步提升燃气轮机的性能。对于燃气轮机涡轮叶片而言，在叶片前缘肋的设置不仅能够增强换热能力，而且能够增加该部位的强度。

发明内容

发明目的：为了克服燃气轮机涡轮叶片现有内部冷却技术的不足，在降低前缘壁厚的情况下，能兼顾叶片前缘的强度，本发明提出了一种适用于涡轮前缘部位的弯曲肋结构。

技术方案：

本发明提供一种用于涡轮叶片前缘内冷通道的弯曲肋结构，包括沿垂直于主流方向设置的弯曲肋，所述弯曲肋包括弯曲段和径直段；所述径直段靠近叶片前缘处沿一定弧度等截面伸长，形成弯曲段；所述弯曲肋沿主流方向呈“J”型。

进一步地，所述弯曲段设置于肋片靠近前缘端部，紧贴叶片前缘。

进一步地，所述弯曲段曲率为60°～120°。

进一步地，所述弯曲肋以等间距方式均匀重复设置于涡轮叶片前缘内冷通道中。

进一步地，所述弯曲肋截面为矩形，肋高为e，肋宽度w，且满足：

e/d∈[0.03,0.21]，w/L∈[0.03,0.21]

其中d为通道水力直径，L为通道长度。

进一步地，弯曲肋远离叶片的两条棱处设有第一倒角，倒角半径为R₁，弯曲肋与叶片相交的两条棱处设有第二倒角R₂，且R₁＝R₂∈[0.1e～0.5e]。

进一步地，所述弯曲肋沿主流方向设有若干通孔，通孔孔径R₃∈[0.3e～0.6e]。

有益效果：上述弯曲肋结构具有以下优点：

(1)在靠近前缘处的弯曲段以一定弧度与靠近前缘的内腔贴合，径直段则与远离前缘的腔壁贴合，沿主流方向肋看弯曲肋为J形。靠近前缘由于弯曲段的存在，使得弯曲肋不同于一般的长方体肋片，弯曲肋结构能够增强前缘壁面处气流的扰动，强化换热区域覆盖面积大，进一步强化通道的换热能力。

(2)弯曲肋结构能够加强前缘结构强度，在保证前缘结构强度的情况下能够使前缘壁厚适当减薄，降低加工过程中高温合金的使用量，降低成本。

(3)采用肋片倒角与设置通孔的形式，既可以降低通道阻力系数，也可以增强换热能力，减轻肋重量并保证原有结构强度。

附图说明

图1是涡轮叶片前缘内冷通道的弯曲肋结构的设计简图；

图2是涡轮叶片前缘内冷通道横截面图，即图1中的A-A剖面图；

图3是前缘内冷通道中弯曲肋结构单元主视图及其横截面示意图；

图4是前缘内冷通道中带倒角的弯曲肋结构单元主视图及其横截面示意图；

图5是前缘内冷通道中弯曲肋结构正等侧视图；

图6是前缘内冷通道中弯曲肋结构肋片单元示意图；

图7是前缘内冷通道中带通孔的弯曲肋结构正等侧视图；

图8是前缘内冷通道中带通孔的弯曲肋结构肋片单元示意图；

图9是前缘内冷通道中带倒角、通孔的弯曲肋结构正等侧视图；

图10是前缘内冷通道中带倒角、通孔的弯曲肋结构单元示意图；

图11是前缘内冷通道结构示意图；

附图标注说明：

1-叶片前缘；2-弯曲肋；3-冷却空气；4-直肋。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1-2所示的一种用于涡轮叶片前缘内冷通道的弯曲肋结构，包括沿垂直于主流方向设置的弯曲肋。弯曲肋包括弯曲段和径直段。径直段在靠近叶片前缘处沿一定弧度等截面伸长，形成弯曲段。弯曲段设置于肋片靠近前缘端部，紧贴叶片前缘。弯曲肋沿主流方向呈“J”型。弯曲肋在前缘近压力面等间距排布有若干个。

如图3所示，将垂直于通道内主流方向的长方体肋等截面沿伸一定弧度与前缘壁面贴合，形成弯曲肋，肋高度为e，肋宽度为w，肋与主流方向的夹角为90°，弯曲段Ⅰ沿伸弧度为α。弯曲肋的弯曲段Ⅰ弧度α∈[60°～120°]且满足：

e/d∈[0.03,0.21]，w/L∈[0.03,0.21]

其中d为通道水力直径，L为通道长度。

为了进一步减小弯曲肋的通道阻力，在弯曲肋远离叶片的两条棱处设有第一倒角，倒角半径为R₁，弯曲肋与叶片相交的两条棱处设有第二倒角R₂，且R₁＝R₂∈[0.1e～0.5e]。实验表明，该设计造成的通道阻力相较于没有倒角的图3弯曲肋结构最大可下降48％，换热能力基本保持不变。

为了进一步降低通道阻力系数，减轻肋片重量，如图7、图8所示，弯曲肋与流向平行的中截面上设有若干通孔，通孔方向与来流方向相同。通孔孔径在0.3e～0.6e之间，通孔可将弯曲肋等分为若干等分段，结果表明：相较于图5结构该设计既可以降低通道阻力系数，也可以增强换热能力，减轻肋重量并保证原有结构强度。

进一步地，如图9-10所示，在弯曲肋上既加工有倒角，又开有通孔，将设置倒角与通孔的优势结合在一起，能最大限度的降低通道阻力系数，强化换热能力。

本发明还包括但不限于如下实施方式：

(1)在若干个弯曲肋上一部分弯曲肋设有若干与来流方向一致的通孔，另一部分不设置通孔。

(2)在若干个弯曲肋上一部分弯曲肋设有倒角，另一部分不设置倒角。

(3)倒角与通孔随机地设置在弯曲肋上。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于涡轮叶片前缘内冷通道的弯曲肋结构，其特征在于：包括沿垂直于主流方向设置的弯曲肋，所述弯曲肋包括弯曲段和径直段；所述径直段靠近叶片前缘处沿一定弧度等截面伸长，形成弯曲段；所述弯曲肋沿主流方向呈“J”型。

2.根据权利要求1所述的一种用于涡轮叶片前缘内冷通道的弯曲肋结构，其特征在于：所述弯曲段设置于肋片靠近前缘端部，紧贴叶片前缘。

3.根据权利要求2所述的一种用于涡轮叶片前缘内冷通道的弯曲肋结构，其特征在于：所述弯曲段曲率为60°～120°。

4.根据权利要求1所述的一种用于涡轮叶片前缘内冷通道的弯曲肋结构，其特征在于：所述弯曲肋以等间距方式重复设置于涡轮叶片前缘内冷通道上。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种用于涡轮叶片前缘内冷通道的弯曲肋结构，其特征在于：所述弯曲肋截面为矩形，肋高为e，肋宽度w，且满足：

e/d∈[0.03,0.21]，w/L∈[0.03,0.21]

其中d为通道水力直径，L为通道长度。

6.根据权利要求5所述的一种用于涡轮叶片前缘内冷通道的弯曲肋结构，其特征在于：弯曲肋远离叶片的两条棱处设有第一倒角，倒角半径为R₁，弯曲肋与叶片相交的两条棱处设有第二倒角R₂，且R₁＝R₂∈[0.1e～0.5e]。

7.根据权利要求1、2、3、4、6中任一项所述的一种用于涡轮叶片前缘内冷通道的弯曲肋结构，其特征在于：所述弯曲肋沿主流方向设有若干通孔，通孔孔径R₃∈[0.3e～0.6e]。