CN112392550B - 涡轮叶片尾缘针肋冷却结构及冷却方法、涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种涡轮叶片尾缘针肋冷却结构，包括导向针肋，导向针肋成列布置在涡轮叶片尾缘针肋上，形成多列导向针肋组；相邻导向针肋组的导向针肋交错设置；或者相邻导向针肋组的导向针肋顺排设置；导向针肋的指向与横向方向之间具有β角度；当冷却空气进入涡轮叶片根部，导向针肋按照β角度向尾缘底部偏转导流，涡轮叶片顶部的导向针肋向涡轮叶片底部方向偏转导流；从涡轮叶片底部到涡轮叶片顶部，导向针肋的偏转角度逐渐变大。本发明通过涡轮叶片尾缘设置带有流动导向的针肋冷却结构，并且导向针肋按偏转角度排布布置在尾缘内部冷却通道中，解决了现有叶片尾缘内部冷却性能不佳、传热分布不合理的问题及尾缘劈缝气膜冷却出流状况不佳的问题。

Description

涡轮叶片尾缘针肋冷却结构及冷却方法、涡轮叶片
技术领域
本发明涉及涡轮叶片冷却技术领域，具体地，涉及一种涡轮叶片尾缘针肋冷却结构及冷却方法、涡轮叶片。
背景技术
现有的航空发动机和燃气轮机涡轮叶片尾缘内部采用针肋阵列冷却结构和尾缘劈缝出流的气膜冷却结构。涡轮叶片尾缘内部冷却通道由涡轮叶片压力侧壁面和吸力侧壁面，以及针肋阵列冷却结构构成，针肋阵列结构布置在压力侧壁面和吸力侧壁面之间。针肋在冷却通道内扰动边界层流动，增强了壁面传热性能，并增加了传热面积，从而为涡轮叶片内部提供增强的对流冷却。冷却空气经过针肋冷却通道后，从尾缘出气孔流出，并在尾缘劈缝外表面形成气膜冷却。增强涡轮叶片内部冷却传热性能和提高外部气膜冷却性能有利于减少涡轮叶片冷却空气的用量，这有利于提高航空发动机和燃气轮机的热效率。另一方面，为满足涡轮叶片长寿命的要求，还需要涡轮叶片内部冷却结构提供尽可能均匀的传热与冷却性能。
对于涡轮叶片尾缘内部冷却，冷却空气从涡轮叶片底部内部供气。冷却空气沿叶高方向(径向)流动，并横向分配流量流过针肋阵列冷却结构。涡轮叶片沿横向方向(向尾缘方向)逐渐变薄，这导致横向方向上内部冷却气流加速流动；而径向方向上气流减速流动，并且沿径向方向气流压力逐渐增大。
然而现有技术的不足之处在于，涡轮叶片顶部离叶片根部较远，冷却空气从叶片根部内部送入，冷却空气不断从侧向尾缘劈缝流出。径向上冷却空气不断被加热，因此叶顶附近的冷却空气的冷却能力降低，因此涡轮叶片顶部是难以冷却区域，并且由于冷却性能的不足会在涡轮壁面上产生热斑，这将缩短涡轮叶片寿命，导致叶片顶部烧蚀损坏。因此，持续改善涡轮叶片尾缘冷却性能，对于提高涡轮发动机寿命和可靠性具有重要意义。
现有技术中的涡轮叶片尾缘内部布置有针肋阵列结构，针肋20截面形状通常为圆型，并且针肋通常均匀地布置，如图3所示，100为冷却空气从叶片根部进气方向，101为冷却气流在针肋之间流阻较小的倾斜流动方向。由于101方向流阻小，气流受到的扰动也小，传热性能较低。尾缘针肋阵列中冷却流动为倾斜流动101，并从叶片尾缘劈缝出气孔14流出，以及在叶片尾缘劈缝形成气膜冷却。针肋这种倾斜流动101扰动较小，既不利于尾缘内部针肋扰流强化传热与冷却性能，也不利于尾缘劈缝产生均匀的气膜出流102，从而产生较低的尾缘劈缝壁面12气膜冷却。
尾缘内部冷却气流倾斜流动101受劈缝肋13作用，会在尾缘劈缝出气孔14形成流动分离和旋涡103，从而影响尾缘劈缝表面气膜流动均匀性和气膜冷却性能。
另外，由于尾缘内部倾斜流动101，在尾缘顶部的三角区域15产生流动滞止以及大面积的低速回流区，使该区域冷却/传热性能变差，也容易在该区域积聚冷却空气中的细微灰尘，进一步恶化传热性能。
叶片尾缘中冷却气流倾斜流过针肋阵列中的通道，从尾缘劈缝流出。这导致尾缘内部流动状况不合理，传热性能不高以及分布不合理；尾缘劈缝出气孔易形成流动分离导致流动堵塞，使尾缘内冷流阻变大；并造成尾缘劈缝出流不均匀，导致尾缘劈缝表面12气膜冷却性能降低。
经过检索，专利文献CN102828781A公开了一种燃气涡轮冷却叶片，包括叶片主体、冷却腔和多个扰流柱，其中，冷却腔由叶片主体的壁部形成用以供冷却流体从其中流过，扰流柱固定在冷却腔内，扰流柱具有供冷却流体流经的孔。通过在涡轮叶片内部加装柱身开孔的扰流柱，该现有技术虽然减少了流动阻力，并且通过将孔设置为倾斜孔来产生射流，强化叶片内部的换热，使叶片保持在较低的温度水平，提高叶片的使用寿命。但是该现有技术仍存在于涡轮叶片尾缘内部冷却性能不佳，传热分布不合理的问题，以及叶片尾缘劈缝气膜冷却出流状况不佳的问题未得到解决。
因此，有必要针对现有涡轮叶片尾缘内部冷却性能不佳、传热分布不合理以及叶片尾缘劈缝气膜冷却出流状况不佳的问题设计出涡轮叶片尾缘带有流动导向的针肋冷却结构，持续改善涡轮叶片尾缘冷却性能，对于提高涡轮发动机寿命和可靠性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种涡轮叶片尾缘针肋冷却结构及冷却方法、涡轮叶片。针对现有涡轮叶片尾缘内部冷却性能不佳，传热分布不合理的问题，以及叶片尾缘劈缝气膜冷却出流状况不佳的问题，提出了涡轮叶片尾缘带有流动导向的针肋冷却结构。导向针肋按一定偏转角度排布布置在尾缘内部冷却通道中。
根据本发明提供的一种涡轮叶片尾缘针肋冷却结构，包括：导向针肋，
导向针肋成列布置在涡轮叶片尾缘针肋上，形成多列导向针肋组；
相邻导向针肋组的导向针肋交错设置，或者相邻导向针肋组的导向针肋顺排设置；
导向肋的指向与横向方向之间具有β角度；
当冷却空气进入涡轮叶片根部，导向针肋按照β角度向涡轮叶片尾缘底部偏转导流，涡轮叶片顶部的导向针肋向涡轮叶片底部方向偏转导流；
从涡轮叶片底部到涡轮叶片顶部，导向针肋的偏转角度逐渐变大。
优选地，β角度为0-45度。
优选地，还包括尾缘劈缝壁面，劈壁面与涡轮叶片尾缘针肋相邻设置。
优选地，还包括劈缝肋，劈缝肋设置在尾缘劈缝壁面上。
优选地，还包括尾缘劈缝出气孔，相邻的劈缝肋之间形成尾缘劈缝出气孔。
优选地，还包括尾缘顶部区域，尾缘劈缝壁面、劈缝肋和尾缘劈缝出气孔均处于尾缘顶部区域。
优选地，导向针肋的形状包括泪滴形、椭圆形或者两端椭形的长条形。
优选地，通过导向针肋增强横向流动使得尾缘劈缝出口流动分布均匀。
根据本发明提供的一种涡轮叶片尾缘针肋冷却方法，使用上述的涡轮叶片尾缘针肋冷却结构进行冷却。
根据本发明提供的一种涡轮叶片，包含上述的涡轮叶片尾缘针肋冷却结构。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过涡轮叶片尾缘设置带有流动导向的针肋冷却结构，并且导向针肋按设定的偏转角度排布布置在尾缘内部冷却通道中，解决了现有涡轮叶片尾缘内部冷却性能不佳、传热分布不合理的问题以及叶片尾缘劈缝气膜冷却出流状况不佳的问题。
2、本发明通过涡轮叶片尾缘设置带有流动导向的针肋冷却结构抑制了尾缘针肋中倾斜流动，改善了涡轮叶片尾缘顶部和底部的内部流动状况，使得叶片尾缘顶部和底部附近内部流动回流区减小，从而改善了整个叶片尾缘内部流动状况，提高了尾缘内部传热均匀性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中涡轮叶片尾缘针肋冷却结构的截面图；
图2为本发明中涡轮叶片的结构示意图；
图3为现有技术中的涡轮叶片尾缘针肋冷却结构的截面图。
图中：
Figure BDA0002783244540000041
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1和图2所示，根据本发明提供的一种涡轮叶片尾缘针肋冷却结构，包括：涡轮叶片尾缘针肋20、导向针肋22、尾缘内部冷却结构10、涡轮叶片壁面11、尾缘劈缝壁面12、劈缝肋13、尾缘劈缝出气孔14和尾缘顶部区域15。
其中，导向针肋22成列布置在涡轮叶片尾缘针肋20上，形成多列导向针肋组；相邻导向针肋组的导向针肋22交错设置；导向肋的指向123与横向方向121之间具有β角度；当冷却空气100进入涡轮叶片根部，导向针肋22按照β角度向涡轮叶片尾缘底部偏转导流，涡轮叶片顶部的导向针肋向涡轮叶片底部方向偏转导流；从涡轮叶片底部到涡轮叶片顶部，导向针肋的偏转角度逐渐变大。
进一步来说，尾缘劈缝壁面12与涡轮叶片尾缘针肋20相邻设置；劈缝肋13设置在尾缘劈缝壁面12上；相邻的劈缝肋13之间形成尾缘劈缝出气孔14；尾缘劈缝壁面 12、劈缝肋13和尾缘劈缝出气孔14均处于尾缘顶部区域15。
本发明的优选例，作进一步说明。
基于上述基础实施例，本发明中相邻导向针肋组交错设置的导向针肋22的连接线与冷却空气100的进入方向之间具有β角度，β角度为0-45度。
本发明的变化例，作进一步说明。
基于上述基础实施例，本发明中的导向针肋22的形状前部为圆形，而针肋尾部细小，具有尾部收缩的尾部，具有导流功能，包括泪滴形、椭圆形或者两端椭形的长条形。这种流线型的导向针肋22有利于降低流体尾流涡脱落带来的流动损失，改善了针肋尾流区的传热性能，并减小了针肋导流的流阻。每个导向针肋22按一定的角度向叶片底部偏转。
基于上述基础实施例，本发明中相邻导向针肋组的导向针肋还可以是顺排设置。
本发明针对现有涡轮叶片尾缘内部冷却性能不佳，传热分布不合理的问题，以及叶片尾缘劈缝气膜冷却出流状况不佳的问题，提出了涡轮叶片尾缘带有流动导向的针肋冷却结构，导向针肋22按一定偏转角度排布布置在尾缘内部冷却通道10中。
采用本发明技术手段的优势在于抑制了图3中所示的尾缘针肋中倾斜流动101，改善了涡轮叶片尾缘顶部15和底部的内部流动状况，使得叶顶和叶根附近内部流动回流区减小，从而改善了整个叶片尾缘内部流动状况，提高了尾缘内部传热均匀性。并且，叶片尾缘内部针肋间流动不再是图3所示的弱扰动的倾斜流动101，而是受导向针肋影响的强扰动的横向冷却流动121，因此本发明的尾缘针肋传热/冷却性能得到了提高。
涡轮叶片尾缘内部沿径向(叶高方向)上冷却流量的分配受到针肋结构流阻分布的影响。带有导向针肋阵列的尾缘冷却结构，使得倾斜方向流动101阻力变大，并且越靠近叶顶倾斜方向的流动阻力变得越大，从而抑制针肋阵列内部倾斜流动101。这改善了尾缘横向方向上冷却流动，因此使得叶片顶部和底部横向流动改善，提高顶部区域传热性能，也提高了叶片尾缘底部区域传热性能，并改善了传热均匀性。
由于尾缘内部针肋阵列中倾斜流动101被抑制，这将减少叶片尾缘劈缝出流可能产生的流动分离和旋涡103，从而获得改善了的劈缝表面的流动122以及提高了气膜冷却性能。另外，由于叶片尾缘顶部难以冷却区域的流动得到改善，减小了叶顶区域15的回流涡，从而改善涡轮叶片尾缘顶部区域的冷却性能。
由于抑制了尾缘内部倾斜方向的流动101，增强了横向流动121，因此尾缘劈缝出口流动122更均匀，这降低了尾缘内部冷却气流的总压力损失。
本发明解决了当前涡轮叶片尾缘内部针肋阵列传热与冷却性能低以及分布不均匀的问题，也解决了叶片顶部流量分配不合理的问题，叶顶区域局部冷却性能差的问题。
本发明中的导流针肋22按0-45度的偏转角度β向叶片底部偏转，并且远离中间部位的针肋，偏转角度β越大。并且倾斜角度β方向上的至少一个针肋以同样的角度β偏转。通过这样的设置，使得倾斜方向101流动阻力增加，从而抑制了倾斜方向101的流动；这有利于改善叶片顶部横向方向121的流动，使叶顶横向流量分配增加。这种布置在涡轮叶片尾缘内部的带有导流针肋可通过熔模铸造加工而成。
这种叶片尾缘内部创新的导向针肋布置，有利于叶片尾缘劈缝出气孔获得更均匀的出流122，从而在劈缝表面12形成更好的气膜冷却性能。
如图2所示，通过在叶片尾缘内部设置导向针肋阵列，从而使尾缘内部获得更合理冷却流量分配。另一方面，带有导向的针肋抑制了尾缘内部倾斜方向的冷却空气流动，这有利于改善冷却空气流入尾缘劈缝出气孔的流动状态，有利于提高叶顶尾缘劈缝气膜流动冷却性能。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种涡轮叶片尾缘针肋冷却结构，其特征在于，包括：导向针肋(22)，
所述导向针肋(22)成列布置在涡轮叶片尾缘针肋上，形成多列导向针肋组；
相邻导向针肋组的所述导向针肋(22)交错设置；
或者，相邻导向针肋组的所述导向针肋(22)顺排设置；
导向肋的指向(123)与横向方向(121)之间具有β角度；
当冷却空气(100)进入涡轮叶片根部，所述导向针肋(22)按照β角度向涡轮叶片尾缘底部偏转导流，涡轮叶片顶部的导向针肋(22)向涡轮叶片底部方向偏转导流；
从涡轮叶片底部到涡轮叶片顶部，所述导向针肋(22)的偏转角度逐渐变大。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶片尾缘针肋冷却结构，其特征在于，所述β角度为0-45度。
3.根据权利要求1所述的涡轮叶片尾缘针肋冷却结构，其特征在于，还包括尾缘劈缝壁面(12)，所述尾缘劈缝壁面(12)与涡轮叶片尾缘针肋相邻设置。
4.根据权利要求3所述的涡轮叶片尾缘针肋冷却结构，其特征在于，还包括劈缝肋(13)，所述劈缝肋(13)设置在所述尾缘劈缝壁面(12)上。
5.根据权利要求4所述的涡轮叶片尾缘针肋冷却结构，其特征在于，还包括尾缘劈缝出气孔(14)，相邻的劈缝肋(13)之间形成所述尾缘劈缝出气孔(14)。
6.根据权利要求5所述的涡轮叶片尾缘针肋冷却结构，其特征在于，还包括尾缘顶部区域(15)，所述尾缘劈缝壁面(12)、劈缝肋(13)和尾缘劈缝出气孔(14)均处于所述尾缘顶部区域(15)。
7.根据权利要求1所述的涡轮叶片尾缘针肋冷却结构，其特征在于，所述导向针肋(22)的形状包括泪滴形、椭圆形或者两端椭形的长条形。
8.根据权利要求1所述的涡轮叶片尾缘针肋冷却结构，其特征在于，通过所述导向针肋(22)增强横向流动(121)使得尾缘劈缝出口流动(122)分布均匀。
9.一种涡轮叶片尾缘针肋冷却方法，其特征在于，使用权利要求1-8中任一项所述的涡轮叶片尾缘针肋冷却结构进行冷却。
10.一种涡轮叶片，其特征在于，包含权利要求1-8中任一项所述的涡轮叶片尾缘针肋冷却结构。
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