CN111502771A - 一种带有狭缝直肋的尾缘半劈缝冷却结构 - Google Patents

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房一博
杜磊
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Abstract

本发明提供一种带有狭缝直肋的尾缘半劈缝冷却结构，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狭缝直肋，这样可以在不增加冷气流量的条件下，通过狭缝直肋的扰流作用提高对流换热系数以及换热面积，带走更多来自叶片尾缘吸力面的热量，同时狭缝直肋上的狭缝结构又能起到很好的导流作用，这样可以尽可能减小扰流对半劈缝壁面气膜冷却的影响，避免高温燃气对半劈缝壁面的烧蚀。该狭缝直肋加工制造方便，具有良好的换热特性，可以适用于各种尾缘半劈缝结构。

Description

一种带有狭缝直肋的尾缘半劈缝冷却结构
技术领域
本发明涉及航空发动机涡轮叶片冷却技术，尤其涉及一种带有狭缝直肋的尾缘半劈缝冷却结构。
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，一方面可以隔离压力侧的高温燃气对壁面的烧蚀，另一方面则可以带走吸力侧的热量。但是相关研究表明，半劈缝结构的气膜冷却效率较高，可以对压力侧起到良好的保护作用，但是换热系数却较低，并不能及时带走来自吸力侧的大量热量。因此，为了解决吸力侧的高温燃气带来的影响，必须对半劈缝的几何结构进行改进，以提升其换热系数。
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换热系数较低的问题而提供一种带有狭缝直肋的尾缘半劈缝冷却结构。
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并与外部相连，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狭缝直肋，半劈缝的壁面、分隔肋、狭缝直肋构成半劈缝冷却结构。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.狭缝直肋具体是指在在直肋上设置有狭缝，且狭缝中心与直肋中心重合。
2.所述半劈缝冷却结构的唇板厚度为t，出流缝的高度为s，流向长度为L，倾斜角β为0°～20°。
3.狭缝直肋的肋高h与出流缝的高度s比为0.1～0.4，狭缝的缝高e与肋高h的比为0.25～0.75，肋宽w与肋高h的比为0.5～2，肋间距r与肋高的比为4～10。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的一种带有狭缝直肋的尾缘半劈缝冷却结构，将狭缝直肋应用于半劈缝壁面，这样可以在不增加冷气流量的条件下，通过狭缝直肋的扰流作用，使冷气发生分离和再附，提高对流换热系数，并增大换热面积，带走更多来自叶片尾缘吸力面的热量，并且相关研究表明，在肋片上开设狭缝能够显著降低流动损失，对比传统实心肋，肋片上的狭缝结构又能起到很好的导流作用，这样可以尽可能减小扰流对半劈缝气膜冷却效率的影响，避免压力侧的高温燃气对壁面的烧蚀。该狭缝直肋加工制造方便，具有良好的换热特性，可以适用于各种尾缘半劈缝结构。
附图说明
图1为本发明带有狭缝直肋的尾缘半劈缝冷却结构的轴测图；
图2为本发明带有狭缝直肋的尾缘半劈缝冷却结构的侧视图；
图3为本发明带有狭缝直肋的尾缘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.狭缝直肋，7.半劈缝壁面，h.狭缝直肋的肋高，e.狭缝的缝高，w.狭缝直肋的肋宽，r.狭缝直肋的流向间距，L.半劈缝的流向长度，t.唇板的厚度，s.出流缝的高度，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，本发明提供了一种带有狭缝直肋的尾缘半劈缝冷却结构，该结构包括叶片尾缘吸力面4、叶片尾缘压力面3、冷气进口1、冷气出口2、狭缝直肋6、分隔肋5、半劈缝壁面7，在叶片尾缘部分设置有半劈缝，主要是指将叶片尾缘压力面壁面切除一部分构成半劈缝，且半劈缝使叶片尾缘压力面3和叶片尾缘吸力面(叶片尾缘部分的底面)4以及叶片尾缘部分的两侧面之间形成的空腔与并外部相连通，在半劈缝壁面7上等间距布置多个分隔肋5与狭缝直肋6，其中狭缝中心与直肋中心重合。
所述半劈缝结构的唇板厚度为t，出流缝的高度为s，流向长度为L，倾斜角β为0°～20°，所述狭缝直肋6与相邻的分隔肋5相连接，狭缝直肋6肋高h与出流缝的高度s比为0.1～0.4，狭缝缝高e与肋高h的比为0.25～0.75，肋宽w与肋高h的比为0.5～2，肋间距r与肋高的比为4～10。
所述狭缝直肋6的数量根据半劈缝结构的流向长度L、狭缝直肋6的肋间距r和肋宽w共同确定。分隔肋的数量根据叶片尾缘部分的宽度决定。
结合图1，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。通过狭缝直肋6的扰流作用可以提高对流换热系数以及换热面积，带走更多来自叶片尾缘吸力面4的热量，再肋片上开设狭缝能够显著降低流动损失。同时又能起到很好的导流作用，这样可以尽可能减小扰流对半劈缝气膜冷却效率的影响，避免高温燃气对壁面的烧蚀。
综上，本发明提出了一种带有狭缝直肋的尾缘半劈缝冷却结构，包括叶片尾缘吸力面、叶片尾缘压力面、冷气进口、冷气出口、狭缝直肋、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狭缝直肋，这样可以在不增加冷气流量的条件下，通过狭缝直肋的扰流作用提高对流换热系数以及换热面积，带走更多来自叶片尾缘吸力面的热量，同时狭缝直肋上的狭缝结构又能起到很好的导流作用，这样可以尽可能减小扰流对半劈缝壁面气膜冷却的影响，避免高温燃气对半劈缝壁面的烧蚀。该狭缝直肋加工制造方便，具有良好的换热特性，可以适用于各种尾缘半劈缝结构。

Claims (5)

1.一种带有狭缝直肋的尾缘半劈缝冷却结构，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并与外部相连，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狭缝直肋，半劈缝的壁面、分隔肋、狭缝直肋构成半劈缝冷却结构。
2.根据权利要求1所述的一种带有狭缝直肋的尾缘半劈缝冷却结构，其特征在于：狭缝直肋具体是指在在直肋上设置有狭缝，且狭缝中心与直肋中心重合。
3.根据权利要求1或2所述的一种带有狭缝直肋的尾缘半劈缝冷却结构，其特征在于：所述半劈缝冷却结构的唇板厚度为t，出流缝的高度为s，流向长度为L，倾斜角β为0°～20°。
4.根据权利要求1或2所述的一种带有狭缝直肋的尾缘半劈缝冷却结构，其特征在于：狭缝直肋的肋高h与出流缝的高度s比为0.1～0.4，狭缝的缝高e与肋高h的比为0.25～0.75，肋宽w与肋高h的比为0.5～2，肋间距r与肋高的比为4～10。
5.根据权利要求3所述的一种带有狭缝直肋的尾缘半劈缝冷却结构，其特征在于：狭缝直肋的肋高h与出流缝的高度s比为0.1～0.4，狭缝的缝高e与肋高h的比为0.25～0.75，肋宽w与肋高h的比为0.5～2，肋间距r与肋高的比为4～10。
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