CN112177683B - 一种念珠式涡轮叶片尾缘劈缝冷却结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空发动机涡轮冷却技术领域，涉及一种念珠式涡轮叶片尾缘劈缝冷却结构。所述的冷却结构包括空心涡轮叶片、内腔冷气通道和尾缘排气劈缝通道，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多个离散的念珠式尾缘排气劈缝通道，以供冷却气排出叶片。本发明的念珠式尾缘排气劈缝具有反复收扩的通道结构，有效增加了冷气与涡轮叶片尾缘内部通道的对流换热面积，与已有的尾缘中劈缝结构相比。本发明的念珠式尾缘排气劈缝具有反复收扩的通道结构，可以吹除边界层并抑制其增厚，从而强化换热。

Description

一种念珠式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，涉及一种念珠式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，发明了一种念珠式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，增加对流换热面积，提高冷气和通道壁面的对流换热系数，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：
一种念珠式涡轮叶片尾缘劈缝冷却结构，包括空心涡轮叶片、内腔冷气通道和尾缘排气劈缝通道，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多个离散的念珠式尾缘排气劈缝通道，以供冷却气排出叶片。
所述的念珠式尾缘排气劈缝通道的截面形状为圆形或椭圆形，截面积沿劈缝通道中心线在最大值和最小值之间连续交替地变化，反复出现收缩和扩张的通道结构，形似串连而成的念珠。劈缝通道中心线在叶型俯视截面图中与尾缘中心线重合，在叶片主视图中为水平直线或倾斜直线，与水平面的夹角为通道倾斜角∠E，∠E可以为0～30°。相邻两个尾缘排气劈缝通道之间错排排列，即在某个劈缝通道的最大截面处，与之相邻的劈缝通道为最小截面，错排排列不仅可以提高叶片尾缘的空间利用率，还可以使相邻两通道之间的壁厚更加均匀，提高换热效果和强度。
如图3所示，每个通道的截面椭圆的短轴定义为x轴，垂直于劈缝通道中心线，且指向叶背为正方向；长轴定义为y轴，垂直于劈缝通道中心线，且朝上为正方向。通道的截面形状由短轴半径Rx和长轴半径Ry共同决定，特别的，当Rx和Ry相等时，通道截面形状为圆形。Rx和Ry的变化规律分别由A型波浪曲线和B型波浪曲线控制，此两条波浪曲线分别位于劈缝通道中心线在x轴方向和y轴方向的正上方，与劈缝通道中心线的距离即为Rx和Ry。A型和B型波浪曲线沿劈缝通道中心线周期性交替出现波峰和波谷，波峰的顶点到劈缝通道中心线距离为极大值Rxmax和Rymax，波谷的顶点到劈缝通道中心线的距离为极小值Rxmin和Rymin，相邻两个波峰(或波谷)的顶点在劈缝通道中心线上的投影长度为波长L。Rx和Ry在极大值和极小值之间连续地增加和减小，当距尾缘端部还有0.5～1个波长时，逐渐收敛并稳定于极小值。由于叶片尾缘沿弦长方向不断变薄，当A型波浪曲线的极大值Rxmax受到叶型厚度的限制时，随之同步减小，极小值Rxmin不变。B型波浪曲线的极大值Rymax和极小值Rymin不变，形成周期性的波浪曲线。相邻两个尾缘排气劈缝通道的B型波浪曲线相差半个周期，以使尾缘排气劈缝通道形成错排排列。同一个尾缘排气劈缝通道的A型和B型波浪曲线具有相同的波长L以及波峰和波谷数。进一步的，A型和B型波浪曲线可以有2～8个周期，其波长L由周期个数和叶片尾缘区域的弦向长度具体确定。A型波浪曲线的极大值Rxmax可以为当地叶型厚度的0.25～0.35，极小值/波长(Rxmin/L)可以为0.2～0.5。B型波浪曲线的极大值/波长(Rymax/L)可以为0.6～1，极小值/波长(Rymin/L)可以为0.2～0.5。
本发明的有益效果：
1念珠式的通道结构增加对流换热面积：
本发明的念珠式尾缘排气劈缝具有反复收扩的通道结构，有效增加了冷气与涡轮叶片尾缘内部通道的对流换热面积，与已有的尾缘中劈缝结构相比，可以使对流换热面积增加约10％，从而在冷气用量不变的情况下增加换热量，提高冷却效果。
2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。本发明的念珠式尾缘排气劈缝具有反复收扩的通道结构，可以吹除边界层并抑制其增厚，从而强化换热。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20％，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)念珠式涡轮叶片尾缘劈缝结构图。
图2(b)念珠式涡轮叶片尾缘劈缝结构D-D截面图。
图2(c)水平排气的念珠式涡轮叶片尾缘劈缝结构局部放大图。
图3(a)念珠式尾缘排气劈缝通道的截面型线示意图。
图3(b)Rx随劈缝通道中心线的变化规律图。
图3(c)Ry随劈缝通道中心线的变化规律图。
图4倾斜排气的念珠式涡轮叶片尾缘劈缝结构局部放大图。
图5(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5(b)念珠式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.劈缝通道中心线；5.通道倾斜角∠E；6.通道截面的短轴半径Rx；7.通道截面的长轴半径Ry；8.A型波浪曲线；9.B型波浪曲线；10.A型波浪曲线的波峰；11.A型波浪曲线的波谷；12.B型波浪曲线的波峰；13.B型波浪曲线的波谷；14.Rx的极大值Rxmax；15.Rx的极小值Rxmin；16.Ry的极大值Rymax；17.Ry的极小值Rymin；18.A型和B型波浪曲线的波长L；19.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，一种念珠式的涡轮叶片尾缘劈缝冷却结构，包括空心涡轮叶片1、内腔冷气通道2和尾缘排气劈缝通道3；
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多个离散的念珠式尾缘排气劈缝通道3，其截面形状为圆形或椭圆形，截面积沿劈缝通道中心线4在最大值和最小值之间连续交替地变化，形成念珠式的通道结构。通道截面的短轴半径Rx和长轴半径Ry分别由A型波浪曲线8和B型波浪曲线9控制。典型地，如图2(c)所示，劈缝通道中心线4在叶片主视图中为水平直线，通道倾斜角∠E＝0°，相邻两个尾缘排气劈缝通道的A型(或B型)波浪曲线分别有8个和7.5个周期，Rxmax为当地尾缘厚度的0.2～0.25，Rxmin/L＝0.5，Rymax/L＝1，Rymin/L＝0.5。
实施例2：
请参见图2所示，一种念珠式的涡轮叶片尾缘劈缝冷却结构，包括空心涡轮叶片1、内腔冷气通道2和尾缘排气劈缝通道；
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多个离散的念珠式尾缘排气劈缝通道3，其截面形状为圆形或椭圆形，截面积沿劈缝通道中心线4在最大值和最小值之间连续交替地变化，形成念珠式的通道结构。通道截面的短轴半径Rx和长轴半径Ry分别由A型波浪曲线8和B型波浪曲线9控制。典型地，如图4所示，劈缝通道中心线4在叶片主视图中为倾斜直线，通道倾斜角∠E＝30°，相邻两个尾缘排气劈缝通道的A型(或B型)波浪曲线分别有2.5个和2个周期，Rxmax为当地尾缘厚度的0.3～0.35，Rxmin/L＝0.2，Rymax/L＝0.6，Rymin/L＝0.2。

Claims (3)

1.一种念珠式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)和尾缘排气劈缝通道(3)；
所述空心涡轮叶片(1)内部设有内腔冷气通道(2)，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(1)尾缘沿弦向开有多个离散的念珠式尾缘排气劈缝通道(3)，以供冷却气排出叶片；
所述的念珠式尾缘排气劈缝通道(3)的截面形状为圆形或椭圆形，截面积沿劈缝通道中心线(4)在最大值和最小值之间连续交替地变化，反复出现收缩和扩张的通道结构，形似串连而成的念珠；所述的劈缝通道中心线(4)在叶型俯视截面图中与尾缘中心线重合，在叶片主视图中为水平直线或倾斜直线，与水平面的夹角为通道倾斜角∠E(5)，通道倾斜角∠E(5)为0～30°；相邻两个尾缘排气劈缝通道(3)之间错排排列；
每个通道的截面椭圆的短轴定义为x轴，垂直于劈缝通道中心线(4)，且指向叶背为正方向；长轴定义为y轴，垂直于劈缝通道中心线(4)，且朝上为正方向；通道的截面形状由短轴半径Rx和长轴半径Ry共同决定，特别的，当Rx和Ry相等时，通道截面形状为圆形。
2.如权利要求1所述的一种念珠式涡轮叶片尾缘劈缝冷却结构，其特征在于，所述的短轴半径Rx和长轴半径Ry的变化规律分别由A型波浪曲线和B型波浪曲线控制，此两条波浪曲线分别位于劈缝通道中心线(4)在x轴方向和y轴方向的正上方，与劈缝通道中心线(4)的距离即为Rx和Ry；A型和B型波浪曲线沿劈缝通道中心线(4)周期性交替出现波峰和波谷，波峰的顶点到劈缝通道中心线(4)距离为极大值Rxmax和Rymax，波谷的顶点到劈缝通道中心线(4)的距离为极小值Rxmin和Rymin，相邻两个波峰或相邻两个波谷的顶点在劈缝通道中心线(4)上的投影长度为波长L；Rx和Ry在极大值和极小值之间连续地增加和减小，当距尾缘端部还有0.5～1个波长时，逐渐收敛并稳定于极小值；B型波浪曲线的极大值Rymax和极小值Rymin不变，形成周期性的波浪曲线；相邻两个尾缘排气劈缝通道(3)的B型波浪曲线相差半个周期，以使尾缘排气劈缝通道(3)形成错排排列；同一个尾缘排气劈缝通道(3)的A型和B型波浪曲线具有相同的波长L以及波峰和波谷数。
3.如权利要求2所述的一种念珠式涡轮叶片尾缘劈缝冷却结构，其特征在于，所述的A型和B型波浪曲线有2～8个周期，其波长L由周期个数和叶片尾缘区域的弦向长度具体确定；A型波浪曲线的极大值Rxmax为当地叶型厚度的0.25～0.35，极小值Rxmin/波长L为0.2～0.5；B型波浪曲线的极大值Rymax/波长L为0.6～1，极小值Rymin/波长L为0.2～0.5。
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