CN112240229A - 一种用于涡轮动力叶片顶部的高效冷却结构 - Google Patents

一种用于涡轮动力叶片顶部的高效冷却结构 Download PDF

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姚春意
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许都纯
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Abstract

本发明公开了一种用于涡轮动力叶片顶部的高效冷却结构，通过在凹槽叶顶上设置两个带缝肋，其中一个带缝肋位于叶顶前缘附近区域，另一个带肋缝位于叶顶中下游区域；该结构的特点是冷气离开两个带缝肋后能有效贴附在叶顶壁面附近区域，提高其当地的气膜冷却效率。两个带缝肋能够有效改善气膜覆盖均匀性和覆盖面积，避免燃气直接冲刷壁面造成的热腐蚀，同时减小叶顶区域的热应力，延长叶片的使用寿命。两个带缝肋能够打断由于间隙泄漏流在叶顶凹槽内形成的涡流，有效减小了凹槽叶顶内的换热系数，这种现象在叶顶前缘区域最为明显。凹槽叶顶内加入两个带缝肋减小了间隙泄漏流引起的压力损失，提高了涡轮叶片的工作效率。

Description

一种用于涡轮动力叶片顶部的高效冷却结构
技术领域
本发明涉及航空发动机动力叶片冷却技术，具体地说，涉及一种用于涡轮动力叶片顶部的高效冷却结构。
背景技术
受间隙泄漏流的影响涡轮动力叶片顶部区域的换热系数极高，会导致叶顶容易受到高温燃气的热腐蚀，从而减少叶片的使用寿命。间隙内的泄漏流流动结构复杂、换热不均匀，因此动叶叶顶容易烧蚀，进而破裂和失效。为了防止涡轮动力叶片叶顶区域受到高温燃气侵腐，降低当地热应力，提高叶片的使用寿命，必须使用有效的冷却措施对涡轮叶片进行保护。国内外学者针对不同动力叶片顶部结构进行了大量的研究。
叶顶结构的结构型会对叶顶的换热产生很大影响，1989年Metzger等人(CavityHeat Transfer on a Transverse Grooved Wall in a Narrow Flow Channel.Journalof Heat Transfer,1989,111(1):73-79.)实验测量了带矩形凹槽的狭窄通道的换热系数，实验中发现泄漏量随着凹槽的纵横比的增加而减少。1999年Bunker等人(Heat Transferand Flow on the First-Stage Blade Tip of a Power Generation Gas Turbine:Part1-Experimental Results.Journal of Turbomachinery,1999,122(2):263-271.)给定具有代表性的涡轮工作条件，获得了一种大型燃气发生器涡轮叶栅叶顶的详细的换热系数分布。2004年Ahn等人(Film Cooling Effectiveness on a Gas Turbine Blade Tip andShround Using Pressure Sensitive Paint.ASME Paper GT-2003-53429.)利用压敏漆测试技术实验测量了凹槽和平顶叶顶的气膜冷却特性。2014年杜昆等人(凹槽状叶顶涡轮叶片传热特性的数值研究.推进技术,2014,35(5):618-623.)数值模拟了带气膜叶顶和光叶顶的换热特性。2015年Zhang等人(Impact of Cooling Injection on the TransonicOver-Tip Leakage Flow and Squealer Aerothermal Design Optimization.Journal ofEngineering for Gas Turbines and Power,2015,137(6):062603-062603-7.)实验研究了跨音速条件下气膜孔分布对叶片顶部换热的影响。
合理的叶顶结构不仅可以有效增加叶顶的气膜冷却效率，减小叶顶区域的热应力和间隙泄漏流造成的流动损失，而且可以有效保护叶顶不被高温燃气腐蚀，延长叶片的使用寿命，提高涡轮叶片的工作效率。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种用于涡轮动力叶片顶部的高效冷却结构；该结构可使气膜有效贴附在叶顶壁面附近区域，提高当地的气膜冷却效率，改善叶顶气膜覆盖均匀性和覆盖面积，避免燃气直接冲刷壁面造成的热腐蚀，同时减小叶顶区域的热应力，延长叶片的使用寿命，降低凹槽叶顶内的换热系数，减小间隙泄漏流引起的压力损失，提高涡轮叶片的工作效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括涡轮叶片、凹槽叶顶、前缘带缝肋、下游带缝肋、前缘内冷通道、下游内冷通道，其特征在于在凹槽叶顶上分别设置前缘带缝肋和下游带缝肋，其中，前缘带缝肋位于叶顶前缘附近区域，下游带缝肋位于叶顶中下游区域；前缘带缝肋和下游带缝肋的两端分别形成气流的出口和入口，且与叶片前缘内冷通道、下游内冷通道相通；
所述前缘带缝肋和所述下游带缝肋均与叶顶中弧线P垂直，前缘带缝肋位于中弧线P上15％～35％范围内，下游带缝肋位于中弧线P上50％～70％范围内，前缘带缝肋和下游带缝肋的肋高H与凹槽叶顶的槽深B相同，前缘带缝肋的缝长E和下游带缝肋的缝长e相同，前缘带缝肋和下游带缝肋的缝高小于0.5倍的凹槽叶顶槽深B；
所述凹槽叶顶的槽深为B，取值范围为0.8～1.5mm；所述前缘带缝肋的肋宽为C,取值范围为1.6～2.4mm；所述下游带缝肋的肋宽为L,取值范围为1.6～2.2mm；所述前缘带缝肋的缝高为D,取值范围为0.4～0.8mm；所述下游带缝肋的缝高为d,取值范围为0.4～0.8mm；所述前缘带缝肋的缝扩张角为Ω，取值范围为15～35°；所述下游带缝肋的缝扩张角为ω，取值范围为20～25°。
所述前缘带缝肋的缝长E和下游带缝肋的缝长e相同，取值范围为2.4～3.2mm。
所述前缘带缝肋和下游带缝肋位于凹槽叶顶上横向排布。
有益效果
本发明提出的一种用于涡轮动力叶片顶部的高效冷却结构，通过在凹槽叶顶上布置两个带缝肋，其中一个带缝肋位于叶顶前缘附近区域，另一个带肋缝位于叶顶中下游区域。该结构的优点是冷气离开两个带缝肋后能够有效贴附在叶顶壁面附近区域，有效提高了当地的气膜冷却效率。两个带缝肋能够有效改善气膜覆盖均匀性和覆盖面积，避免燃气直接冲刷壁面造成的热腐蚀，同时减小叶顶区域的热应力，延长叶片的使用寿命。两个带缝肋能够打断由于间隙泄漏流在叶顶凹槽内形成的涡流，有效减小了凹槽叶顶内的换热系数，这种现象在叶顶前缘区域最为明显。凹槽叶顶内加入两个带缝肋减小了间隙泄漏流引起的压力损失，提高了涡轮叶片的工作效率。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种用于涡轮动力叶片顶部的高效冷却结构作进一步详细说明。
图1为本发明用于涡轮动力叶片顶部的高效冷却结构轴测图。
图2为本发明用于涡轮动力叶片顶部的高效冷却结构示意图。
图3a为本发明用于涡轮动力叶片顶部的高效冷却结构俯视图。
图3b为图3a的A-A向剖视图。
图4为本发明用于涡轮动力叶片顶部的高效冷却结构的冷气通道示意图。
图中
1.涡轮叶片 2.凹槽叶顶 3.前缘带缝肋 4.下游带缝肋 5.前缘内冷通道6.下游内冷通道
B.凹槽叶顶的槽深 C.前缘带缝肋的肋宽 D.前缘带缝肋的缝高 E.前缘带缝肋的缝长 F.前缘内冷通道冷气 G.前缘带缝肋出流冷气 H.带缝肋的肋高 J.下游内冷通道冷气 K.下游带缝肋出流冷气 L.下游带缝肋的肋宽 P.中弧线 d.下游带缝肋的缝高 e.下游带缝肋的缝长 Ω.前缘带缝肋的缝扩张角 ω.下游带缝肋的缝扩张角
具体实施方式
本实施例是一种用于涡轮动力叶片顶部的高效冷却结构。
参阅图1～图4，本实施例用于涡轮动力叶片顶部的高效冷却结构，是通过在凹槽叶顶2上布置前缘带缝肋3和下游带缝肋4。其中前缘带缝肋3位于叶顶前缘附近区域，下游带缝肋4位于叶顶中下游区域。前缘带缝肋3和下游带缝肋4均与叶顶中弧线P垂直，前缘带缝肋3位于中弧线P上15％～35％范围内，下游带缝肋4位于中弧线P上50％～70％范围内。凹槽叶顶2的槽深为B，取值范围为0.8～1.5mm。前缘带缝肋3和下游带缝肋4的肋高H与凹槽叶顶2的槽深B相同。前缘带缝肋3的肋宽为C,取值范围为1.6～2.4mm。下游带缝肋4的肋宽为L,取值范围为1.6～2.2mm。前缘带缝肋3的缝高为D,取值范围为0.4～0.8mm。下游带缝肋4的缝高为d,取值范围为0.4～0.8mm。前缘带缝肋3和下游带缝肋4的缝高均小于0.5倍的凹槽叶顶2槽深B。前缘带缝肋3的缝长E和下游带缝肋4的缝长e相同，取值范围为2.4～3.2mm。前缘带缝肋3的缝扩张角为Ω，取值范围为15～35°。下游带缝肋4的缝扩张角为ω，取值范围为20～25°。
实施例一
本实施例是动力叶片顶部的高效冷却结构，是通过在在凹槽叶顶2上布置前缘带缝肋3和下游带缝肋4。其中前缘带缝肋3和下游带缝肋4均与叶顶中弧线P垂直，前缘带缝肋3位于中弧线P上30％位置处，下游带缝肋4位于中弧线P上70％位置处。前缘带缝肋3和下游带缝肋4的肋高H与凹槽叶顶2的槽深B相同。为了保证强度，前缘带缝肋3和下游带缝肋4的缝高小于0.5倍的凹槽叶顶2槽深B。
凹槽叶顶2的槽深为B，取值为0.8mm。前缘带缝肋3的肋宽为C,取值为2.4mm。下游带缝肋4的肋宽为L,取值为2.2mm。前缘带缝肋3的缝高为D,取值范围为0.4mm。下游带缝肋4的缝高为d,取值为0.6mm。前缘带缝肋3的缝长E和下游带缝肋4的缝长e长度相同，取值范围为2.4mm。前缘带缝肋3的缝扩张角为Ω，取值范围为15°。下游带缝肋4的缝扩张角为ω，取值范围为20°。
本实施例中，由于凹槽槽深较浅，燃气更容易进入叶顶凹槽内，通过较小的带缝肋的缝高和缝扩张角和较大的肋宽，可以使冷却射流离开带缝肋后的动量较大，减少了冷却射流的耗散，使得冷却射流贴附在叶顶壁面附近区域，有效提高了涡轮叶顶的气膜冷却效率，减小了叶顶区域的热负荷。
实施例二
本实施例是动力叶片顶部的高效冷却结构，是通过在在凹槽叶顶2上布置前缘带缝肋3和下游带缝肋4。其中带缝肋3和下游带缝肋4均与叶顶中弧线P垂直，前缘带缝肋3位于中弧线P上15％位置处，下游带缝肋4位于中弧线P上50％位置处。前缘带缝肋3和下游带缝肋4的肋高H与凹槽叶顶2的槽深B相同。为了保证强度，前缘带缝肋3和下游带缝肋4的缝高小于0.5倍的凹槽叶顶2槽深B。
凹槽叶顶2的槽深为B，取值为1.0mm。前缘带缝肋3的肋宽为C,取值为2.0mm。下游带缝肋4的肋宽为L,取值为2.0mm。前缘带缝肋3的缝高为D,取值范围为0.6mm。下游带缝肋4的缝高为d,取值为0.4mm。前缘带缝肋3的缝长E和下游带缝肋4的缝长e相同，取值范围为2.4mm。前缘带缝肋3的缝扩张角为Ω，取值范围为20°。下游带缝肋4的缝扩张角为ω，取值范围为20°。
本实施例中，前缘带缝肋3更加靠近叶顶前缘区域，下游带缝肋4的位置靠上游，可以有效削弱凹槽叶顶前缘附近区域的换热系数，前缘带缝肋3的结构参数适中能够使得肋后下游区域的气膜覆盖较为均匀，由于下游带缝肋4位置靠近上游，通过减小下游带缝肋4的缝高，有效提高了冷气出流后的动量，使得肋下游较远区域都能形成有效的气膜覆盖，提高叶顶区域整体的冷却效果。
实施例三
本实施例是用于涡轮动力叶片顶部的高效冷却结构，是通过在凹槽叶顶2上布置前缘带缝肋3和下游带缝肋4。其中前缘带缝肋3和下游带缝肋4均与叶顶中弧线P垂直，前缘带缝肋3位于中弧线P上15％位置处，下游带缝肋4位于中弧线P上60％位置处。前缘带缝肋3和下游带缝肋4的肋高H与凹槽叶顶2的槽深B相同。为了保证强度，前缘带缝肋3和下游带缝肋4的缝高小于0.5倍的凹槽叶顶2槽深B。
凹槽叶顶2的槽深为B，取值为1.3mm。前缘带缝肋3的肋宽为C,取值为2.0mm。下游带缝肋4的肋宽为L,取值为2.0mm。前缘带缝肋3的缝高为D,取值范围为0.6mm。下游带缝肋4的缝高为d,取值为0.6mm。前缘带缝肋3的缝长E和带缝肋4的缝长e相同，取值范围为2.4mm。前缘带缝肋3的缝扩张角为Ω，取值范围为35°。下游带缝肋4的缝扩张角为ω，取值范围为25°。
本实施例中，前缘带缝肋3靠近叶顶前缘区域，可以有效削弱凹槽叶顶前缘附近区域的换热系数，凹槽叶顶的槽深较高，阻挡了部分燃气进入叶顶凹槽内，减小了间隙泄漏流引起的压力损失，通过较为适中的带缝肋的缝高，增加带缝肋的缝扩张角，能够在保证射流的动量的同时有效改善冷气的覆盖面积，对叶顶凹槽有效的气膜保护，避免燃气直接冲刷壁面造成的热腐蚀，同时减小叶顶区域的热应力，延长叶片的使用寿命，提高涡轮叶片的工作效率。

Claims (3)

1.一种用于涡轮动力叶片顶部的高效冷却结构，包括涡轮叶片、凹槽叶顶、前缘带缝肋、下游带缝肋、前缘内冷通道、下游内冷通道，其特征在于:在凹槽叶顶上分别设置前缘带缝肋和下游带缝肋，其中，前缘带缝肋位于叶顶前缘附近区域，下游带缝肋位于叶顶中下游区域；前缘带缝肋和下游带缝肋的两端分别形成气流的出口和入口，且与叶片前缘内冷通道、下游内冷通道相通；
所述前缘带缝肋和所述下游带缝肋均与叶顶中弧线P垂直，前缘带缝肋位于中弧线P上15％～35％范围内，下游带缝肋位于中弧线P上50％～70％范围内，前缘带缝肋和下游带缝肋的肋高H与凹槽叶顶的槽深B相同，前缘带缝肋的缝长E和下游带缝肋的缝长e相同，前缘带缝肋和下游带缝肋的缝高小于0.5倍的凹槽叶顶槽深B；
所述凹槽叶顶的槽深为B，取值范围为0.8～1.5mm；所述前缘带缝肋的肋宽为C,取值范围为1.6～2.4mm；所述下游带缝肋的肋宽为L,取值范围为1.6～2.2mm；所述前缘带缝肋的缝高为D,取值范围为0.4～0.8mm；所述下游带缝肋的缝高为d,取值范围为0.4～0.8mm；所述前缘带缝肋的缝扩张角为Ω，取值范围为15～35°；所述下游带缝肋的缝扩张角为ω，取值范围为20～25°。
2.根据权利要求1所述的用于涡轮动力叶片顶部的高效冷却结构，其特征在于:所述前缘带缝肋的缝长E和下游带缝肋的缝长e相同，取值范围为2.4～3.2mm。
3.根据权利要求1所述的用于涡轮动力叶片顶部的高效冷却结构，其特征在于:所述前缘带缝肋和下游带缝肋位于凹槽叶顶上横向排布。
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