CN112746872B - 适用于涡轮叶片尾缘部分的贯通式连续折板结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于涡轮叶片尾缘部分的贯通式连续折板结构，包括设置于叶片内的U型冷却通道和叶片尾缘冷却腔，所述U型冷却通道位于叶片前缘和中部，叶片尾缘冷却腔位于叶片尾缘，U型冷却通道位与叶片尾缘冷却腔之间通过侧壁面隔开，侧壁面的底部设置有开口，该开口作为U型冷却通道的出口，侧壁面中开设有若干气孔，叶片尾缘冷却腔中设置有多排贯通式连续折板，叶片尾缘设置有尾缘劈缝。本发明可以在流阻不大的前提下有效改善换热，同时可加工性较好。由于折板式结构明显降低了其对冷气的阻碍、分离作用，导流性较好，使得叶片尾缘冷却通道出口的冷气湍流度较低，降低了冷气与主流燃气的掺混损失，提高了叶片气动效率。

Description

适用于涡轮叶片尾缘部分的贯通式连续折板结构
技术领域
本发明属于燃气轮机涡轮叶片冷却技术领域,具体涉及一种适用于涡轮叶片尾缘通道的贯通式连续折板冷却结构。
背景技术
在航空燃气轮机中，推力和效率是两个主要的性能指标，提高涡轮前燃气温度是提高发动机性能的最直接有效的方法之一。当今先进航空燃气轮机的涡轮前燃气温度高达1700℃，远高于高性能叶片材料的熔点温度1000℃，这需要有效的冷却结构以保证叶片安全稳定的工作。在涡轮叶片中，内部冷却能够减少冷气与燃气的掺混，从而降低对涡轮气动性能的影响，是一种发展前景较好的冷却方式。冲击射流冷却、扰流肋冷却、柱肋冷却是内部冷却的三种主要形式，分别应用于叶片的前缘高热负荷区域、中部、尾缘区域。
高温涡轮叶片尾缘是发生烧蚀的主要区域之一，承受的热载荷较大，同时冷气直接射进主流发生掺混，因此高效冷却结构设计对于涡轮叶片的工作可靠性以及气动性能至关重要。目前，尾缘区域的冷却多采用柱-肋排或交叉肋等结构，换热改善效果较好，但冷气流动损失较大，同时出口气流的湍流度较高。为了进一步提升涡轮叶片整体性能，考虑到流动、换热和可加工性，叶片尾缘区域内部低流阻、高换热改善能力的结构简单扰流结构研究很有必要。
经过对现有技术文献的检索发现，中国专利号申请号201310021745.1，专利名称：适用于涡轮叶片后部冷却腔的W形肋通道冷却结构，该专利在叶片尾缘区域的宽通道内沿径向周期性布置间断W型肋，构成了W形冷却通道，一方面可以对流体起到一定的导流作用而控制流动损失，另一方面，气体在流动过程中冲击转折肋片表面，并增大换热面积，起到强化换热效果。但是，这种结构对冷气的撞击明显，流动损失仍然较大，换热改善性能仍有较大提升空间；同时，没有将尾缘冷却通道与来流的叶片内部中后部冷却通道、出口处主流有效结合起来，难以达到进口气流均匀稳定、出口湍流度较低的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于涡轮叶片尾缘部分的贯通式连续折板结构，以进一步优化涡轮叶片尾缘区域的冷却设计。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种适用于涡轮叶片尾缘部分的贯通式连续折板结构，包括设置于叶片内的U型冷却通道和叶片尾缘冷却腔，所述U型冷却通道位于叶片前缘和中部，叶片尾缘冷却腔位于叶片尾缘，U型冷却通道位与叶片尾缘冷却腔之间通过侧壁面隔开，侧壁面的底部设置有开口，该开口作为U型冷却通道的出口，侧壁面中开设有若干气孔，叶片尾缘冷却腔中设置有多排贯通式连续折板，叶片尾缘设置有尾缘劈缝。
进一步的，所述贯通式连续折板设置在叶片尾缘冷却腔的上、下表面。
进一步的，所述贯通式连续折板由多个斜导流肋片和一个直导流肋片组成，相邻两排贯通式连续折板的间距与肋高之比为0.5至2。
进一步的，相邻两个斜导流肋片的夹角为100°至140°，相邻两个斜导流肋片有半径为1至5mm的圆弧过渡。
进一步的，所述直导流肋片靠近尾缘劈缝，沿叶片的叶高方向均匀分布，且直导流肋片尾缘倒角半径0.5mm。
进一步的，所述斜导流肋片和直导流肋片在垂直叶片壁面方向的截面均为长方形，肋长与肋高之比为2至3，肋高与肋厚比为3至6。
进一步的，所述气孔个数与贯通式连续折板排数相同，且一一对应。
进一步的，所述U型冷却通道由设置叶片内的若干个隔板分割为多个直通道部分和回转通道部分，隔板底部或顶部设置有开口，隔板的两侧为直通道部分，隔板底部或顶部的开口处为回转通道部分，相邻的隔板交错布置。
与现有技术对比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的一种适用于涡轮叶片尾缘通道的贯通式连续折板冷却结构，通过在叶片尾缘区域布置贯通式连续折板来增强换热效果。轮叶片尾缘空间狭窄，通道宽高比很大，采用贯通式连续折板结构，可以有效改善换热，同时压损适当，可加工性较好。由于是折板式结构，一方面可以对U型通道出口的冷却气流起到导流作用，使得通道出口的冷气湍流度较低，降低了冷气与主流燃气的掺混程度，有利于气动效率的提高；另一方面，冷却气流对折板的冲击等扰动加强了换热，改善了叶片尾缘区域的冷却效果。
附图说明
图1为实施例中一种适用于涡轮叶片尾缘通道的贯通式连续折板冷却结构在涡轮叶片尾缘区域的剖面示意图。
图2a为实施例中涡轮冷却叶片的横截面剖视图；
图2b为图2a中A部位的局部放大示意图；
图3为实施例中涡轮冷却叶片俯视图；
图4为实施例中贯通式连续折板三维模型立体图；
图5为不同α角下平均换热系数对比；
图6为不同α角下无量纲努赛尔数对比；
附图标记中，1-U型冷却通道、2-冷气孔、3-U型通道靠近尾缘部分的侧壁、4-叶片尾缘冷却腔、5-贯通式连续导流折板、6-尾缘劈缝、7-侧壁面、8-隔板、α-相邻斜肋片夹角角度、r1-斜导流肋片连接倒角、r2-直导流肋片尾缘倒角。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1至3所示，本发明的一种适用于涡轮叶片尾缘部分的贯通式连续折板结构，包括设置于叶片内的U型冷却通道1和叶片尾缘冷却腔4，U型冷却通道位1于叶片前缘和中部，叶片尾缘冷却腔4位于叶片尾缘，U型冷却通道位1与叶片尾缘冷却腔4之间通过侧壁面7隔开，侧壁面7的底部设置有开口，该开口作为U型冷却通道1的出口，侧壁面7中开设有若干气孔3，叶片尾缘冷却腔4中设置有多排贯通式连续折板5，叶片尾缘设置有尾缘劈缝6。
冷气从U型通道底部出口和侧壁面7中的气孔3流出，沿贯通式连续折板5流向尾缘劈缝6。
如图3所示，贯通式连续折板5设置在叶片尾缘冷却腔的上、下表面。
如图2a和2b所示，贯通式连续折板5由多个斜导流肋片和一个直导流肋片组成，相邻两个斜导流肋片的夹角为100°至140°，相邻两个斜导流肋片有半径为1至5mm的圆弧过渡。直导流肋片靠近尾缘劈缝，沿叶片的叶高方向均匀分布，且直导流肋片尾缘倒角半径0.5mm。斜导流肋片和直导流肋片在垂直叶片壁面方向的截面均为长方形。
气孔3个数与贯通式连续折板5排数相同，且一一对应。
U型冷却通道1由设置叶片内的若干个隔板8分割为多个直通道部分和回转通道部分，隔板8底部或顶部设置有开口，隔板8的两侧为直通道部分，隔板8底部或顶部的开口处为回转通道部分，相邻的隔板8交错布置。
如图4所示，在本发明的一个实施例中，叶片壁面上设置多排贯通式连续折板，贯通式连续折板间距与肋高之比为1至2，斜导流肋片和直导流肋片在垂直叶片壁面方向的截面均为长方形，肋长与肋高之比为2，肋高与肋厚比为5。
如图5和6所示，α为180°时的贯通式连续折板即为直导流肋板，取α为100°、120°、140°，相邻两斜导流肋片存在3mm圆弧过渡构建贯通式连续折板三维模型，取模型进口雷诺数为1万至6万，进行CFD仿真计算。可以看出当α在100°至140°变化时，在低雷诺数的情况下，贯通式连续折板的面积平均换热系数hav和无量纲努塞尔数Nu/Nu0远高于α为180°时的直导流肋板，而在雷诺数达到50000以上时，不同α角的导流折板的换热性能十分接近。
其中图6所示无量纲努赛尔数定义如下:
Nu/Nu0＝(hD/λ)/0.023Re0.8Pr0.4
式中，h为换热系数，D为当量直径，λ为导热系数，Re为进口雷诺数，Pr为普朗特数。
α角越小，导流折板的转折程度越大，冷气流对导流折板的冲击换热效果更强，换热系数和无量纲努赛尔数越大，然而随着折板间通道转折角度增大，对冷气流的流动会起到阻碍作用，流阻系数大大增加。因此，α取值要综合考虑流阻增加和换热改善。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种适用于涡轮叶片尾缘部分的贯通式连续折板结构，其特征在于：包括设置于叶片内的U型冷却通道和叶片尾缘冷却腔，所述U型冷却通道位于叶片前缘和中部，叶片尾缘冷却腔位于叶片尾缘，U型冷却通道与叶片尾缘冷却腔之间通过侧壁面隔开，侧壁面的底部设置有开口，该开口作为U型冷却通道的出口，侧壁面中开设有若干气孔，叶片尾缘冷却腔中设置有多排贯通式连续折板，叶片尾缘设置有尾缘劈缝；所述贯通式连续折板由多个斜导流肋片和一个直导流肋片组成，相邻两排贯通式连续折板的间距与肋高之比为0.5至2；相邻两个斜导流肋片的夹角为100°至140°，相邻两个斜导流肋片有半径为1至5mm的圆弧过渡；所述直导流肋片靠近尾缘劈缝，沿叶片的叶高方向均匀分布，且直导流肋片尾缘倒角半径0.5mm；所述斜导流肋片和直导流肋片在垂直叶片壁面方向的截面均为长方形，肋长与肋高之比为2至3，肋高与肋厚比为3至6；所述贯通式连续折板设置在叶片尾缘冷却腔的上、下表面；气孔个数与贯通式连续折板排数相同，且一一对应；所述U型冷却通道由设置于叶片内的若干个隔板分割为多个直通道部分和回转通道部分，隔板底部或顶部设置有开口，隔板的两侧为直通道部分，隔板底部或顶部的开口处为回转通道部分，相邻的隔板交错布置。
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