CN112177682B - 一种采用波浪式隔肋的涡轮叶片尾缘劈缝冷却结构 - Google Patents

一种采用波浪式隔肋的涡轮叶片尾缘劈缝冷却结构 Download PDF

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Abstract

本发明属于航空发动机涡轮冷却技术领域，涉及一种采用波浪式隔肋的涡轮叶片尾缘劈缝冷却结构。所述的尾缘劈缝冷却结构包括空心涡轮叶片、内腔冷气通道、尾缘排气劈缝通道和尾缘劈缝隔肋；所述空心涡轮叶片内部设有内腔冷气通道，空心涡轮叶片尾缘沿弦向开有波浪型的尾缘排气劈缝，其内均匀设有多个波浪式的尾缘劈缝隔肋，且并排排列，形成离散的尾缘排气劈缝通道，以供冷却气排出叶片。尾缘劈缝隔肋的结构不仅可以提高叶片尾缘的结构强度，还可以增大叶片内部换热面积，同时对叶片内腔冷却气进行导向，使其流动方向发生转折。本发明有利于延长冷气流动路径，使冷气利用更加充分，增加对流换热面积，抑制边界层，强化换热效果。

Description

一种采用波浪式隔肋的涡轮叶片尾缘劈缝冷却结构
技术领域
本发明属于航空发动机涡轮冷却技术领域，涉及一种采用波浪式隔肋的涡轮叶片尾缘劈缝冷却结构。
背景技术
对于航空发动机和燃气轮机，提高其涡轮前燃气温度可以大幅提高装置的效能，但由于燃气环境温度远远高于当前材料的承受能力，故由此引发了涡轮叶片的冷却问题。目前对于涡轮叶片普遍采用中空设计，并利用冷却气在其内部的强化对流换热带走热量以及排出叶片时形成气膜覆盖隔绝燃气加热，是涡轮叶片冷却问题的主要解决手段。
涡轮叶片的尾缘区域，同时受到叶片盆侧和背侧两方面燃气的加热，加之结构上较薄难以形成中空冷却结构，因此是叶片中较难冷却的区域，同时也是在工作中壁面温度较高和容易发生烧蚀的区域。在进行叶片尾缘的冷却结构设计时，如何在保证叶片强度足够和不破坏其良好的气动性能的前提下，更加充分地对叶片尾缘区域进行冷却，是要重点解决的难题。中劈缝是涡轮叶片尾缘常采用的一种冷却结构。该结构在叶片尾缘的中间位置开设冷气通道，从叶片内部通道供给的冷气进入尾缘中劈缝内，在通道内部与壁面和肋结构形成强化对流换热，然后从叶片尾缘排气边缝状窗口流出。已有的尾缘中劈缝结构通常会在相邻通道内设置多个并排排列的水平直肋，称为尾缘劈缝隔肋，引导冷却气沿弦向排出叶片，如图1所示。
尾缘中劈缝结构可以更加完整地保留叶片尾缘的结构形状，同时冷却气对燃气的掺混作用更小，拥有更低的掺混损失。随着涡轮前燃气温度的不断升高，传统的尾缘中劈缝结构难以满足涡轮叶片尾缘部位的冷却需求，需要设计更加有效的新型冷却结构以降低叶片尾缘区域的温度水平。
发明内容
针对现有的尾缘中劈缝冷却技术存在的不足，发明了一种采用波浪式隔肋的涡轮叶片尾缘劈缝冷却结构，可以在保证叶片尾缘强度和气动性能的前提下，延长冷气流动路径，增加对流换热面积，提高冷气和通道壁面的对流换热系数，从而强化尾缘对流换热效果，有效降低叶片的温度水平。
本发明的技术方案：
一种采用波浪式隔肋的涡轮叶片尾缘劈缝冷却结构，包括空心涡轮叶片、内腔冷气通道、尾缘排气劈缝通道和尾缘劈缝隔肋，如图2(a)所示；
所述空心涡轮叶片内部设有内腔冷气通道，供低温冷却气体在叶片内部流动，对叶片进行冷却。空心涡轮叶片尾缘沿弦向开有波浪型的尾缘排气劈缝，其内均匀设有多个波浪式的尾缘劈缝隔肋，且并排排列，形成离散的尾缘排气劈缝通道，以供冷却气排出叶片。尾缘劈缝隔肋的结构不仅可以提高叶片尾缘的结构强度，还可以增大叶片内部换热面积，同时对叶片内腔冷却气进行导向，使其流动方向发生转折。本发明的尾缘排气劈缝通道在俯视和主视两个维度均呈现波浪状的结构，根据其振幅、周期和轴线倾斜度的不同以及振荡是否衰减形成不同的劈缝结构。
如图2(b)所示，在叶型俯视截面图中，尾缘排气劈缝通道沿弦向呈振幅和宽度逐渐衰减的波浪状，其形状可由劈缝俯视中心线控制。该中心线沿叶型尾缘中心线的法线方向在其两侧交替出现波峰和波谷，每个波峰和波谷在叶型尾缘中心线上的投影长度为劈缝俯视中心线半波长Lx，其顶点到叶型尾缘中心线的距离为劈缝俯视中心线振幅Ax。沿冷气流动方向，半波长Lx和振幅Ax逐渐减小，使劈缝俯视中心线形成逐渐衰减的波浪状曲线。在接近叶片尾缘端部时，振幅Ax衰减为0，与叶型尾缘中心线重合，使得冷却气的排气方向与叶栅出口气流相同，减小冷气排出时对燃气流动的影响。劈缝俯视宽度d关于劈缝俯视中心线对称分布，且沿冷气流动方向逐渐减小。
进一步的，根据叶片尾缘区域弦向长度的不同，所述的劈缝俯视中心线在俯视维度下可以设计2～8个波峰和波谷，其振幅Ax可以为当地叶型厚度的0.1～0.3倍，振幅/半波长(Ax/Lx)可以为0.2～0.4。劈缝俯视宽度d可以是当地叶型厚度的0.3～0.5倍。
如图2(c)所示，在叶片主视图中，所述尾缘内均匀地设有多个并排排列的波浪式尾缘劈缝隔肋，之间形成离散的尾缘排气劈缝通道。尾缘劈缝隔肋的结构形状由隔肋中心线控制，其径向高度h在该线两侧均匀分布，形成波浪式的隔肋结构。所述的隔肋中心线以一条直线为轴线，沿轴线法向在其两侧交替出现波峰和波谷，形成波浪式曲线。隔肋中心线的轴线可以是水平直线或者倾斜直线，其与水平面夹角为隔肋倾斜角∠A。隔肋中心线至少具有一个完整的周期，即一个完整的波峰和一个完整的波谷。波峰和波谷在轴线上的投影长度为隔肋中心线半波长Ly，其顶点到轴线的距离为隔肋中心线振幅Ay，各波形的半波长Ly和振幅Ay可以相同或不同。特别地，当轴线为倾斜直线时，隔肋中心线可以是正弦型波浪曲线，在劈缝通道入口端首先出现波峰，也可以是反正弦型波浪曲线，在劈缝通道入口端首先出现波谷；当轴线为水平直线时，隔肋中心线一般为正弦型波浪曲线，在劈缝通道入口端首先出现波峰。
进一步的，所述的隔肋中心线在主视维度下可以设计1～2个周期，其半波长Ly可以根据叶片尾缘区域的弦向长度和隔肋中心线的波峰个数进行具体设计，振幅/半波长(Ay/Ly)可以为0.2～0.4，隔肋倾斜角∠A可以为0～45°。
如上所述，本发明的叶片尾缘冷却结构使得尾缘排气劈缝通道在叶片厚度方向和叶片高度方向两个维度上都形成曲折的波浪式通道结构，在有限的设计空间内延长了冷气的流动路径，同时强化了冷气和通道壁面的换热能力，可以在不增加冷气用量的前提下获得更好的冷却效果。
本发明的有益效果：
1延长冷气流动路径，使冷气利用更加充分：
已有的尾缘中劈缝结构采用直线式的排气劈缝通道，使得通道长度在空间本就狭小的叶片尾缘区域更加受限，导致冷却气的流动路径很短，不能与通道壁面进行充分的换热。本发明的尾缘排气劈缝通道在叶厚和叶高两个维度上同时呈现曲折的波浪型结构，在有限的设计空间内延长了冷气的流动路径。与已有的尾缘中劈缝结构相比，本发明可以使冷气流动路径延长约23％，从而使冷气得到更加充分的利用。
2增加对流换热面积：
本发明通过将尾缘排气劈缝设计为沿叶厚方向往复振荡的波浪式结构，同时在其内部设置多个沿叶高方向振荡的波浪式隔肋，形成了在两个维度上同时呈现曲折波浪式的劈缝通道，增加了通道内部的对流换热面积。与已有的尾缘中劈缝结构相比，本发明可以使劈缝通道内的对流换热面积增加约11％，从而在冷气用量不变的情况下增加换热量，提高冷却效果。
3抑制边界层，强化换热效果：
对于传统的尾缘中劈缝结构，冷却气在光滑通道内缺少扰动，会在壁面附近形成稳定且较厚的边界层，阻碍冷却气和通道壁面的换热。对于本发明提出的尾缘劈缝冷却结构，通道在三维空间中呈现波浪状，对冷气的流动产生扰动和振荡，可以吹除边界层并抑制其增厚。同时，冷却气在波浪式通道内流动时，在较短的路径内会经历多次转弯，对通道壁面具有一定的冲击作用，也可以达到强化换热的目的。如图4所示，通过数值仿真计算得出，与已有的尾缘中劈缝结构相比，本发明可以使该区域的换热效果提高约10％，从而更有效地降低叶片尾缘的温度水平。
附图说明
图1(a)已有的涡轮叶片尾缘中劈缝结构图。
图1(b)已有的涡轮叶片尾缘中劈缝结构C-C截面图。
图1(c)已有的涡轮叶片尾缘中劈缝结构局部放大图。
图2(a)采用波浪式隔肋的涡轮叶片尾缘劈缝结构图。
图2(b)波浪型的涡轮叶片尾缘劈缝结构D-D截面图。
图2(c)单周期的水平波浪式隔肋结构局部放大图。
图3(a)单周期的正弦型倾斜波浪式隔肋结构局部放大图。
图3(b)单周期的反正弦型倾斜波浪式隔肋结构局部放大图。
图3(c)双周期的水平波浪式隔肋结构局部放大图。
图4(a)已有的涡轮叶片尾缘中劈缝结构内部冷气流动的三维数值仿真结果。
图4(b)采用波浪式隔肋的涡轮叶片尾缘劈缝结构内部冷气流动的三维数值仿真结果。
图中：1.空心涡轮叶片；2.内腔冷气通道；3.尾缘排气劈缝通道；4.尾缘劈缝隔肋；5.尾缘排气劈缝；6.劈缝俯视中心线；7.叶型尾缘中心线；8.劈缝俯视中心线波峰；9.劈缝俯视中心线波谷；10.劈缝俯视中心线半波长Lx；11.劈缝俯视中心线振幅Ax；12.劈缝俯视宽度d；13.劈缝隔肋径向高度h；14.隔肋中心线；15.隔肋中心线的轴线；16.隔肋倾斜角∠A；17.隔肋中心线波峰；18.隔肋中心线波谷；19.隔肋中心线半波长Ly；20.隔肋中心线振幅Ay；21.冷气通道隔墙。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
请参见图2所示。一种采用波浪式隔肋的涡轮叶片尾缘劈缝结构，包括空心涡轮叶片1、内腔冷气通道2、尾缘排气劈缝通道3和尾缘劈缝隔肋4；
所述空心涡轮叶片1内部设有内腔冷气通道2，在尾缘处沿弦向开有波浪型的尾缘排气劈缝5，其内均匀设有多个波浪式的的尾缘劈缝隔肋4，且并排排列，形成离散的尾缘排气劈缝通道3。该通道沿弦向呈振幅和宽度逐渐衰减的波浪状，其形状可由劈缝俯视中心线6控制。典型地，该中心线在俯视维度下设计有2个波峰和波谷，其振幅Ax为当地叶型厚度的0.3倍，振幅/半波长(Ax/Lx)为0.2。劈缝俯视宽度d是当地叶型厚度的0.5倍。尾缘劈缝隔肋4的结构形状由隔肋中心线14控制，其径向高度h在该线两侧均匀分布，形成波浪式的隔肋结构。典型地，如图2(c)所示，隔肋中心线14在主视维度下以一条水平直线为轴线，形成正弦型波浪曲线，具有一个完整的周期，隔肋倾斜角∠A＝0°。各波形之间的半波长Ly和振幅Ay相同，振幅/半波长(Ay/Ly)为0.2。
实施例2：
请参见图2所示。一种采用波浪式隔肋的涡轮叶片尾缘劈缝结构，包括空心涡轮叶片1、内腔冷气通道2、尾缘排气劈缝通道3和尾缘劈缝隔肋4；
所述空心涡轮叶片1内部设有内腔冷气通道2，在尾缘处沿弦向开有波浪型的尾缘排气劈缝5，其内均匀设有多个波浪式的的尾缘劈缝隔肋4，且并排排列，形成离散的尾缘排气劈缝通道3。该通道沿弦向呈振幅和宽度逐渐衰减的波浪状，其形状可由劈缝俯视中心线6控制。典型地，该中心线在俯视维度下设计有2个波峰和波谷，其振幅Ax为当地叶型厚度的0.3倍，振幅/半波长(Ax/Lx)为0.2。劈缝俯视宽度d是当地叶型厚度的0.3倍。尾缘劈缝隔肋4的结构形状由隔肋中心线14控制，其径向高度h在该线两侧均匀分布，形成波浪式的隔肋结构。典型地，如图3(a)所示，隔肋中心线14在主视维度下以一条倾斜直线为轴线，形成正弦型波浪曲线，具有一个完整的周期，隔肋倾斜角∠A＝45°。各波形之间的半波长Ly和振幅Ay相同，振幅/半波长(Ay/Ly)为0.4。
实施例3：
请参见图2所示。一种采用波浪式隔肋的涡轮叶片尾缘劈缝结构，包括空心涡轮叶片1、内腔冷气通道2、尾缘排气劈缝通道3和尾缘劈缝隔肋4；
所述空心涡轮叶片1内部设有内腔冷气通道2，在尾缘处沿弦向开有波浪型的尾缘排气劈缝5，其内均匀设有多个波浪式的的尾缘劈缝隔肋4，且并排排列，形成离散的尾缘排气劈缝通道3。该通道沿弦向呈振幅和宽度逐渐衰减的波浪状，其形状可由劈缝俯视中心线6控制。典型地，该中心线在俯视维度下设计有8个波峰和波谷，其振幅Ax为当地叶型厚度的0.1倍，振幅/半波长(Ax/Lx)为0.4。劈缝俯视宽度d是当地叶型厚度的0.5倍。尾缘劈缝隔肋4的结构形状由隔肋中心线14控制，其径向高度h在该线14两侧均匀分布，形成波浪式的隔肋结构。典型地，如图3(b)所示，隔肋中心线14在主视维度下以一条倾斜直线为轴线，具有一个完整的周期，形成反正弦型波浪曲线，隔肋倾斜角∠A＝45°。各波形之间的半波长Ly和振幅Ay相同，振幅/半波长(Ay/Ly)为0.2。
实施例4：
请参见图2所示。一种采用波浪式隔肋的涡轮叶片尾缘劈缝结构，包括空心涡轮叶片1、内腔冷气通道2、尾缘排气劈缝通道3和尾缘劈缝隔肋4；
所述空心涡轮叶片1内部设有内腔冷气通道2，在尾缘处沿弦向开有波浪型的尾缘排气劈缝5，其内均匀设有多个波浪式的的尾缘劈缝隔肋4，且并排排列，形成离散的尾缘排气劈缝通道3。该通道沿弦向呈振幅和宽度逐渐衰减的波浪状，其形状可由劈缝俯视中心线6控制。典型地，该中心线在俯视维度下设计有8个波峰和波谷，振幅Ax为当地叶型厚度的0.1倍，振幅/半波长(Ax/Lx)为0.4。劈缝俯视宽度d是当地叶型厚度的0.3倍。尾缘劈缝隔肋4的结构形状由隔肋中心线14控制，其径向高度h在该线两侧相等，形成波浪式的隔肋结构。典型地，如图3(c)所示，隔肋中心线14在主视维度下以一条水平直线为轴线，形成正弦型波浪曲线，具有两个完整的周期，隔肋倾斜角∠A＝0°。各波形之间的半波长Ly和振幅Ay相同，振幅/半波长(Ay/Ly)为0.4。

Claims (5)

1.一种采用波浪式隔肋的涡轮叶片尾缘劈缝冷却结构，其特征在于，包括空心涡轮叶片(1)、内腔冷气通道(2)、尾缘排气劈缝通道(3)和尾缘劈缝隔肋(4)；
所述空心涡轮叶片(1)内部设有内腔冷气通道(2)，空心涡轮叶片(1)尾缘沿弦向开有波浪型的尾缘排气劈缝(5)，其内均匀设有多个波浪式的尾缘劈缝隔肋(4)，且并排排列，形成离散的尾缘排气劈缝通道(3)，以供冷却气排出叶片；
所述的尾缘排气劈缝通道(3)沿弦向呈振幅和宽度逐渐衰减的波浪状，其形状可由劈缝俯视中心线(6)控制；劈缝俯视中心线(6)沿叶型尾缘中心线(7)的法线方向在其两侧交替出现波峰和波谷，每个波峰和波谷在叶型尾缘中心线(7)上的投影长度为劈缝俯视中心线半波长Lx(10)，其顶点到叶型尾缘中心线(7)的距离为劈缝俯视中心线振幅Ax(11)；沿冷气流动方向，半波长Lx和振幅Ax逐渐减小，使劈缝俯视中心线(6)形成逐渐衰减的波浪状曲线；在接近叶片尾缘端部时，振幅Ax衰减为0，与叶型尾缘中心线(7)重合；劈缝俯视宽度d(12)关于劈缝俯视中心线(6)对称分布，且沿冷气流动方向逐渐减小；
所述的尾缘劈缝隔肋(4)的结构形状由隔肋中心线(14)控制，其径向高度h在该线两侧均匀分布，形成波浪式的隔肋结构；所述的隔肋中心线(14)以一条直线为轴线，沿轴线法向在其两侧交替出现波峰和波谷，形成波浪式曲线；隔肋中心线的轴线(15)是水平直线或者倾斜直线，其与水平面夹角为隔肋倾斜角∠A；隔肋中心线(14)至少具有一个完整的周期，即一个完整的波峰和一个完整的波谷；隔肋中心线波峰(17)和隔肋中心线波谷(18)在轴线上的投影长度为隔肋中心线半波长Ly(19)，其顶点到轴线的距离为隔肋中心线振幅Ay(20)，各波形的半波长Ly和振幅Ay相同或不同。
2.如权利要求1所述的一种采用波浪式隔肋的涡轮叶片尾缘劈缝冷却结构，其特征在于，根据叶片尾缘区域弦向长度的不同，所述的劈缝俯视中心线(6)在俯视维度下设计2～8个波峰和波谷，其劈缝俯视中心线振幅Ax(11)为当地叶型厚度的0.1～0.3倍，振幅/半波长(Ax/Lx)为0.2～0.4；劈缝俯视宽度d(12)是当地叶型厚度的0.3～0.5倍。
3.如权利要求1或2所述的一种采用波浪式隔肋的涡轮叶片尾缘劈缝冷却结构，其特征在于，当轴线为倾斜直线时，隔肋中心线(14)是正弦型波浪曲线，在劈缝通道入口端首先出现波峰，或是反正弦型波浪曲线，在劈缝通道入口端首先出现波谷；当轴线为水平直线时，隔肋中心线(14)为正弦型波浪曲线，在劈缝通道入口端首先出现波峰。
4.如权利要求1或2所述的一种采用波浪式隔肋的涡轮叶片尾缘劈缝冷却结构，其特征在于，所述的隔肋中心线(14)在主视维度下设计1～2个周期，其半波长Ly根据叶片尾缘区域的弦向长度和隔肋中心线(14)的波峰个数进行具体设计，振幅/半波长(Ay/Ly)为0.2～0.4；隔肋倾斜角∠A为0～45°。
5.如权利要求3所述的一种采用波浪式隔肋的涡轮叶片尾缘劈缝冷却结构，其特征在于，所述的隔肋中心线(14)在主视维度下设计1～2个周期，其半波长Ly根据叶片尾缘区域的弦向长度和隔肋中心线(14)的波峰个数进行具体设计，振幅/半波长(Ay/Ly)为0.2～0.4；隔肋倾斜角∠A为0～45°。
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