CN111502770A - 一种适用于高温涡轮叶片的仿仙人掌半劈缝冷却结构 - Google Patents

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张书玮
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Abstract

本发明提供一种适用于高温涡轮叶片的仿仙人掌半劈缝冷却结构，在叶片尾缘部分设置有半劈缝，且半劈缝使叶片尾缘压力面和叶片尾缘吸力面内部形成的空腔与外部相连，在半劈缝壁面上等间距布置多个分隔肋与仿仙人掌沟槽。利用仿仙人掌沟槽，可以使近壁面冷气在限定的范围紧贴半劈缝壁面输送到下游区域，同时还降低了湍流强度，缓和了冷气与主流的混合，这样可以显著提高半劈缝结构的气膜冷却效率，改善半劈缝结构下游区域气膜冷却效率下降过快的难题。这种仿仙人掌沟槽尺寸较小，对气动性能影响也不大，因此可以适用于各种尾缘半劈缝结构。

Description

一种适用于高温涡轮叶片的仿仙人掌半劈缝冷却结构
技术领域
本发明涉及航空发动机涡轮叶片冷却技术，尤其涉及一种适用于高温涡轮叶片的仿仙人掌半劈缝冷却结构。
背景技术
提高涡轮进口温度是提高航空发动机热效率的有效途径之一，研究表明，涡轮进口温度每提高100K，航空发动机的推力可提高10％。为了满足对功率和效率日益增长的需求，涡轮的进口温度逐年提高。目前，先进航空发动机的工作温度已经高达2200K，远超过了金属材料的耐温极限，这将导致涡轮叶片的工作环境十分恶劣。为了保证涡轮的性能和寿命，必须采用高效、精准的冷却技术。
人们发现，对于高温涡轮叶片，大多数灾难性故障通常发生在叶片的叶尖、叶根以及尾缘区域。这是因为在前缘和中部区域叶片相对较厚，能够广泛采用内部对流冷却和外部气膜冷却等组合冷却方案，从而有效降低壁面温度。然而从空气动力学的角度来看，为了减小气动损失，叶片尾缘区域需要尽可能薄，这就导致了在尾缘区域难以采用内部对流以及传统的气膜冷却。常用的一种解决方案是采用半劈缝结构，使叶片尾缘压力面和叶片尾缘吸力面内部形成的空腔与外部相连，冷却空气从缝隙中流出，保护叶片表面不被主流高温燃气损坏。相关的研究表明，虽然在劈缝出口附近气膜冷却效率能够达到0.9左右，但是在下游区域，气膜冷却效率急剧下降，这是因为在下游冷却空气出现周期性地脱落。因此，为了解决半劈缝冷却下游气膜冷却效率较低的不足，必须对其几何结构进行改进。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有高温涡轮叶片半劈缝冷却结构下游区域气膜冷却效率下降较快的问题而提供一种适用于高温涡轮叶片的仿仙人掌半劈缝冷却结构。
本发明的目的是这样实现的：在叶片尾缘部分设置有半劈缝，半劈缝使叶片尾缘压力面、叶片尾缘吸力面以及叶片尾缘部分的两侧面之间形成空腔且空腔与外部相连通，在半劈缝的壁面上等间距设置有分隔肋，在叶片尾缘部分的两侧面与相邻的分隔肋之间、两个相邻的分隔肋之间设置有仿仙人掌沟槽，半劈缝的壁面、分隔肋、仿仙人掌沟槽构成仿仙人掌半劈缝冷却结构。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述半劈缝结构的唇板厚度为t，出流缝的高度为s，宽度为L，倾斜角β为0°～20°。
2.所述仿仙人掌沟槽槽深h与出流缝的高度s比为0.01～0.1，槽宽w与槽深h的比为0.5～2，槽间距r与槽深h的比为0.5～2，槽长与半劈缝流向长度相等。
3.所述仿仙人掌沟槽数量根据半劈缝结构的宽度L、仿仙人掌沟槽的宽度w和槽间距r共同确定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的一种适用于高温涡轮叶片的仿仙人掌半劈缝冷却结构，其灵感来自于热带或沙漠植物仙人掌，相关研究表明，仙人掌表面的可以从雨水或凝结物中吸收水分，然后利用沟槽将水分输送到根部。半劈缝结构在压力侧相当于气膜冷却，其与仙人掌表面的相似之处在于，它们都需要将特定的流体限制在规定的范围内并向下游输送。因此在半劈缝表面设置仿仙人掌沟槽，能够将近壁面的冷气限制在沟槽中并稳定输送到下游区域，避免了冷气的周期性脱落，同时降低了湍流强度，由于湍流强度的降低，使得主流与冷气的混合减弱，因而可以显著提高气膜冷却效率，解决半劈缝下游区域气膜冷却效率下降较快的问题。此外沟槽的尺寸远小于半劈缝结构，因此对叶片气动性能的影响使十分微弱的。
附图说明
图1为本发明仿仙人掌半劈缝冷却结构的轴测图；
图2为本发明仿仙人掌半劈缝冷却结构的侧视图；
图3为本发明仿仙人掌半劈缝冷却结构的俯视图；
图4为本发明图3的A-A剖视图。
图中：1.冷气进口，2.冷气出口，3.叶片尾缘压力面，4.叶片尾缘吸力面，5.分隔肋，6.仿仙人掌沟槽，7.半劈缝壁面，w.仿仙人掌沟槽的宽度，r.仿仙人掌沟槽的间距，L.半劈缝的宽度，s.出流缝高度，t.唇片厚度，h.仿仙人掌沟槽的高度，β.半劈缝的倾斜角度。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1-4，本实施例提供了一种适用于高温涡轮叶片的仿仙人掌半劈缝冷却结构，该结构包括叶片尾缘吸力面(叶片尾缘部分的底面)4、叶片尾缘压力面3、冷气进口1、冷气出口2、仿仙人掌沟槽6、分隔肋5、半劈缝壁面7，在叶片尾缘部分设置有半劈缝，且半劈缝使叶片尾缘压力面3和叶片尾缘吸力面4等内部形成的空腔与外部相连，在半劈缝壁面7上等间距布置多个分隔肋5与仿仙人掌沟槽6，从而形成仿仙人掌半劈缝冷却结构。
半劈缝结构的唇板厚度为t，出流缝的高度为s，宽度为L，倾斜角β为0°～20°，仿仙人掌沟槽6槽深为h与出流缝的高度s比为0.01～0.1，槽宽w与槽深h的比为0.5～2，槽间距r与槽深h的比为0.5～2，槽长与半劈缝流向长度相等。
仿仙人掌沟槽6数量根据半劈缝结构的宽度L、仿仙人掌沟槽6的宽度w和槽间距r共同确定。
本发明的冷却空气从冷气入口1进入，从冷气出口2流出，在半劈缝壁面7表面形成气膜冷却，隔绝来自主流高温燃气的烧蚀，能够有效保护半劈缝壁面7。同时相关研究表明，沙漠植物仙人掌表面的沟槽结构可以将水分输送到根部。因此可以在半劈缝壁面7布置仿仙人掌沟槽6，将半劈缝冷气出口2的近壁面冷气限制在规定的沟槽中，稳定地输送到半劈缝下游区域，避免了冷气的周期性脱落，同时降低了湍流强度，使得主流与冷气的混合减弱，从而显著提高气膜冷却效率，解决下游区域气膜冷却效率下降较快的问题。
综上，本发明的目的在于提供一种适用于高温涡轮叶片的仿仙人掌半劈缝冷却结构，包括叶片尾缘吸力面、叶片尾缘压力面、冷气进口、冷气出口、仿仙人掌沟槽、分隔肋以及半劈缝壁面。在叶片尾缘部分设置有半劈缝，且半劈缝使叶片尾缘压力面和叶片尾缘吸力面内部形成的空腔与外部相连，在半劈缝壁面上等间距布置多个分隔肋与仿仙人掌沟槽。利用仿仙人掌沟槽，可以使近壁面冷气在限定的范围紧贴半劈缝壁面输送到下游区域，同时还降低了湍流强度，缓和了冷气与主流的混合，这样可以显著提高半劈缝结构的气膜冷却效率，改善半劈缝结构下游区域气膜冷却效率下降过快的难题。这种仿仙人掌沟槽尺寸较小，对气动性能影响也不大，因此可以适用于各种尾缘半劈缝结构。

Claims (5)

1.一种适用于高温涡轮叶片的仿仙人掌半劈缝冷却结构，其特征在于：在叶片尾缘部分设置有半劈缝，半劈缝使叶片尾缘压力面、叶片尾缘吸力面以及叶片尾缘部分的两侧面之间形成空腔且空腔与外部相连通，在半劈缝的壁面上等间距设置有分隔肋，在叶片尾缘部分的两侧面与相邻的分隔肋之间、两个相邻的分隔肋之间设置有仿仙人掌沟槽，半劈缝的壁面、分隔肋、仿仙人掌沟槽构成仿仙人掌半劈缝冷却结构。
2.根据权利要求1所述的一种适用于高温涡轮叶片的仿仙人掌半劈缝冷却结构，其特征在于：所述半劈缝结构的唇板厚度为t，出流缝的高度为s，宽度为L，倾斜角β为0°～20°。
3.根据权利要求1或2所述的一种适用于高温涡轮叶片的仿仙人掌半劈缝冷却结构，其特征在于：所述仿仙人掌沟槽槽深h与出流缝的高度s比为0.01～0.1，槽宽w与槽深h的比为0.5～2，槽间距r与槽深h的比为0.5～2，槽长与半劈缝流向长度相等。
4.根据权利要求1或2所述的一种适用于高温涡轮叶片的仿仙人掌半劈缝冷却结构，其特征在于：所述仿仙人掌沟槽数量根据半劈缝结构的宽度L、仿仙人掌沟槽的宽度w和槽间距r共同确定。
5.根据权利要求3所述的一种适用于高温涡轮叶片的仿仙人掌半劈缝冷却结构，其特征在于：所述仿仙人掌沟槽数量根据半劈缝结构的宽度L、仿仙人掌沟槽的宽度w和槽间距r共同确定。
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