CN112901282A - 一种采用弦向回转冷却通道的涡轮叶片 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空发动机涡轮冷却技术领域，涉及一种采用弦向回转冷却通道的涡轮叶片。在常规的尾缘劈缝结构中，冷气从叶根流入叶片，流经尾缘隔肋后直接排出。冷气与叶片的换热主要发生在叶盆，叶背，和尾缘隔肋，换热面积有限。而在本发明中，冷气流经弦向回转冷却通道，增加了与两道L型隔墙，圆形扰流柱之间的换热，相对于常规结构来说，换热面积增加约20％。更多的换热面积增加了带走叶片热量的能力，提高了叶片的冷却效果。

Description

一种采用弦向回转冷却通道的涡轮叶片

技术领域

本发明属于航空发动机涡轮冷却技术领域，涉及一种采用弦向回转冷却通道的涡轮叶片。

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。同时叶片“内部换热面积更大”、“冷气流动阻力更小”、“换热效率更高”、“气膜覆盖面积更大”、“对结构强度破坏更小”等是叶片冷却设计的重点和所追求的目标。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，是叶片冷却设计中需要重点解决的难题。目前叶片尾缘冷却常采用半开的直接排气劈缝结构，该结构可以把叶片内部冷却通道中沿径向流动的冷气转成沿弦向，在通道壁面和肋结构处形成强化对流冷却后，再从叶片盆侧边缘的窄缝(称为劈缝)中排出，并对尾缘局部形成气膜覆盖隔绝燃气的加热。典型的结构如图1所示，包括空心涡轮叶片，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，尾缘劈缝直肋并排排列形成尾缘排气劈缝通道供冷气从尾缘劈缝排出。此类尾缘劈缝冷却结构只靠尾缘隔肋对冷气进行扰动，冷气和尾缘的换热面积较小，流动的距离较短，冷却效果较低。

发明内容

针对现有直接排气尾缘劈缝冷却技术存在的不足，本发明提供了一种采用弦向回转冷却通道的涡轮叶片，该结构可以增加对冷却气流的扰动，增加换热面积延长冷气的流动距离，提高综合冷却效果、降低叶片温度水平。

本发明为取得上述效果采用了如下技术方案：

一种采用弦向回转冷却通道的涡轮叶片，包括集气腔、回转腔和排气腔，如图2所示。

空心涡轮叶片的内部设有内腔冷气通道，空心涡轮叶片的弦长为L，供低温冷却气体在叶片内部流动，对叶片进行冷却。

所述的集气腔引导冷气从叶根进入叶片内部，向下游流动进入回转腔且回转腔的长度为L₁，其典型的取值范围为L₁＝0.15～0.2L。冷气在集气腔中从叶背到叶盆沿弦向进行了两次180°的回转。集气腔由盆侧L型隔墙、背侧L型隔墙、圆形扰流柱交错组合构成。盆侧L型隔墙的短边与叶盆垂直相连，且其长度为l₁，其典型的取值范围为盆侧L型隔墙的短边长l₁＝2.5～4.5mm。

盆侧L型隔墙的长边长为l₂，其典型的取值范围为l₂＝5～9mm。背侧L型隔墙的短边与叶背垂直相连，且其长度为l₃，其典型的取值范围为l₃＝2～4mm。背侧L型隔墙的长边长为l₄，其典型的取值范围为l₄＝4～8mm。两道L型隔墙的厚度均为w，其典型的取值范围为w＝0.8～1.5mm。隔墙，叶盆，叶背之间的距离由叶背和盆侧隔墙之间的距离D₁，两道隔墙之间的距离D₂，背侧隔墙和叶盆之间的距离D₃控制。为了减少冷气流动通道的面积变化，从而减少气流的能量损失，所述的D₁、D₂、D₃在每一个弦向位置处是近似相等的。叶盆、叶背和两道隔墙之间有沿径向均布圆形扰流柱且其直径为φd，其典型的取值范围为φd＝0.8～1.2mm，其排列方式为沿流线分层插排，起到支撑两道L型隔墙，加强换热的作用。完成两次回转的冷气向下游流入排气腔，且排气腔的长度为L₂，其典型的取值范围为L₂＝0.3～0.4L。最终冷气在排气腔中通过径向宽度均相同的尾缘排气劈缝通道排出汇入燃气。

本发明采用上述结构，与现有直接排气的尾缘劈缝相比，具有如下有益效果：

1.增加了叶片内部的换热面积

在常规的尾缘劈缝结构中，冷气从叶根流入叶片，流经尾缘隔肋后直接排出。冷气与叶片的换热主要发生在叶盆，叶背，和尾缘隔肋，换热面积有限。而在本发明中，冷气流经弦向回转冷却通道，增加了与两道L型隔墙，圆形扰流柱之间的换热，相对于常规结构来说，换热面积增加约20％。更多的换热面积增加了带走叶片热量的能力，提高了叶片的冷却效果。

2.延长了冷气流动距离

采用数值仿真对不同尾缘劈缝结构进行了计算分析，如图3(a)所示，对于已有的直接排气尾缘劈缝结构，冷气在转折后直接排出叶片，其流动距离较短，换热不够充分。而对于本发明，如图3(b)所示，冷气需沿弦向进行两次180°的回转后才能经尾缘劈缝排出，其流动距离相对于常规结构增加了约30％，从而提高对冷气的利用率，以及降低叶片的温度。

3.冷气流动的阻力较小

本发明中为了强化冷却效果采用了冷却气弦向回转的设计，同时也会引起流动阻力的增大。对此采用了优化通道弦向高度的方式来实现通道截面积的均匀变化，来减小流动损失，经过计算分析，当叶背和盆侧隔墙之间的距离D₁，两道隔墙之间的距离D₂，背侧隔墙和叶盆之间的距离D₃满足以下关系——D₁，D₂，D₃在每一个弦向位置处是近似相等时，冷气流动的阻力最小，可满足叶片设计要求。

4.通过扰流柱强化了换热，增加了强度

本发明在隔墙和叶盆，叶背之间设置有沿流线分层叉排的圆形扰流柱，从导热冷却方面，可以使燃气对叶盆和叶背的加热被迅速导到叶片内部，避免叶片外部温度上升过高；从对流冷却方面，扰流柱首先提供了丰富的换热面积，另外还可以持续扰动在回转腔内流动的冷气，使冷气对叶身壁面的冲击更强，从而提高了叶片的冷却效果；在强度方面，扰流柱有效的连接起了L型隔墙和叶片的盆、背，消除了隔墙的悬臂结构，在结构变形的方向上增加了支撑，从而避免了疲劳破坏，起到了加固的作用，可满足叶片设计要求。

附图说明

图1已有的涡轮叶片尾缘水平排气劈缝结构图。

图2采用弦向回转冷却通道的涡轮叶片冷却结构图。

图3(a)已有的涡轮叶片尾缘直接排气流动数值仿真结果图。

图3(b)采用弦向回转冷却通道的涡轮叶片流动数值仿真结果图。

图4在前后缘均采用弦向回转冷却通道的涡轮叶片。

图5在前后缘均采用采用弦向回转冷却通道的涡轮叶片。

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.集气腔；6.回转腔；7.排气腔；8.圆形扰流柱；9.扰流柱的直径φd；10.盆侧L型隔墙；11.背侧L型隔墙；12.盆侧L型隔墙的短边长l₁；13.盆侧L型隔墙的长边长l₂；14.背侧L型隔墙的短边长l₃；15.背侧L型隔墙的长边长l₄；16.L型隔墙的厚度w；17.叶片的弦长L；18.回转腔的长度L₁；19.排气腔的长度L₂；20.叶背和盆侧隔墙之间的距离D₁；21.两道隔墙之间的距离D₂；22.背侧隔墙和叶盆之间的距离D₃；23.前缘盆侧L型隔墙；24.前缘背侧L型隔墙。

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

一种采用弦向回转冷却通道的涡轮叶片主要由集气腔5、回转腔6、排气腔7构成，如图2所示。

所述弦长L＝40mm的空心涡轮叶片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。集气腔5引导冷气从叶根进入叶片内部，向下游流动进入回转腔6，且回转腔的长度L₁＝6mm。冷气在该腔中从叶背到叶盆沿弦向进行了两次180°的回转。该腔由盆侧L型隔墙10、背侧L型隔墙11、圆形扰流柱8交错组合构成。盆侧L型隔墙10的短边与叶盆垂直相连，且其长度l₁＝2.5mm。盆侧L型隔墙的长边长l₂＝5mm。背侧L型隔墙11的短边与叶背垂直相连，且其长度l₃＝2mm。背侧L型隔墙11的长边长l₄＝4mm。两道L型隔墙的厚度均为w＝0.8mm。隔墙，叶盆，叶背之间的距离由叶背和盆侧隔墙之间的距离D₁，两道隔墙之间的距离D₂，背侧隔墙和叶盆之间的距离D₃控制。为了减少冷气流动通道的面积变化，从而减少气流的能量损失，在每一个弦向位置处D₁＝D₂＝D₃＝1.5mm。叶盆，叶背和两道隔墙之间有沿径向均布圆形扰流柱且其直径φd＝1.2mm，其排列方式为沿流线分层插排，起到支撑两道L型隔墙，加强换热的作用。完成两次回转的冷气向下游流入排气腔7且其长度L₂＝12mm。最终冷气在排气腔7中通过径向宽度均相同的尾缘排气劈缝通道排出汇入燃气。

实施例2

一种采用弦向回转冷却通道的涡轮叶片主要由集气腔5、回转腔6、排气腔7构成，如图4所示

所述弦长L＝40mm的空心涡轮叶片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。集气腔5引导冷气从叶根进入叶片内部，向下游流动进入回转腔且其长度为L₁＝6mm。冷气在该腔中从叶盆到叶背沿弦向进行了两次180°的回转。该腔由盆侧L型隔墙10、背侧L型隔墙11、圆形扰流柱8交错组合构成。盆侧L型隔墙10的短边与叶盆垂直相连，且其长度l₁＝2.5mm。盆侧L型隔墙10的长边长l₂＝5mm。背侧L型隔墙11的短边与叶背垂直相连，且其长度l₃＝2mm。背侧L型隔墙11的长边长l₄＝4mm。两道L型隔墙的厚度均为w＝0.8mm。隔墙、叶盆、叶背之间的距离由D₁，D₂，D₃控制。为了减少冷气流动通道的面积变化，从而减少气流的能量损失，在每一个弦向位置处D₁＝D₂＝D₃＝1.5mm。叶盆，叶背和两道隔墙之间有沿径向均布圆形扰流柱且其直径φd＝1.2mm，其排列方式为沿流线分层插排，起到支撑两道L型隔墙，加强换热的作用。完成两次回转的冷气向下游流入排气腔7且其长度L₂＝12mm。最终冷气在排气腔7中通过径向宽度均相同的尾缘排气劈缝通道排出汇入燃气

实施例3

如图5(a)所示，一种前缘尾缘都采用弦向回转冷却通道的涡轮叶片。叶片前缘结构与尾缘类似，也由集气腔5、回转腔6、排气腔7构成。前缘排气腔由前缘盆侧L型隔墙23、前缘背侧L型隔墙24、圆形扰流柱8交错组合构成。前缘盆侧L型隔墙23的短边与叶盆垂直相连，前缘背侧L型隔墙24的短边与叶背垂直相连。冷气在前缘中从叶背到叶盆沿弦向进行了两次180°的回转后从前缘气膜孔排出，在尾缘中从叶背到叶盆沿弦向进行了两次180°的回转后从尾缘排气劈缝通道3排出。

如图5(b)所示，一种前缘尾缘都采用弦向回转冷却通道的涡轮叶片。叶片前缘结构与尾缘类似，也由集气腔5、回转腔6、排气腔7构成。前缘排气腔由前缘盆侧L型隔墙23、前缘背侧L型隔墙24、圆形扰流柱8交错组合构成。前缘盆侧L型隔墙23的短边与叶盆垂直相连，前缘背侧L型隔墙的短边与叶背垂直相连。冷气在前缘中从叶盆到叶背沿弦向进行了两次180°的回转后从前缘气膜孔排出，在尾缘中从叶背到叶盆沿弦向进行了两次180°的回转后从尾缘排气劈缝通道3排出。

Claims (6)

1.一种采用弦向回转冷却通道的涡轮叶片，其特征在于，包括集气腔(5)、回转腔(6)和排气腔(7)；

空心涡轮叶片(1)的内部设有内腔冷气通道(2)，空心涡轮叶片(1)叶片的弦长为L(17)，供低温冷却气体在叶片内部流动，对叶片进行冷却；

所述的集气腔(5)引导冷气从叶根进入叶片内部，向下游流动进入回转腔(6)且回转腔的长度为L₁(18)，其典型的取值范围为L₁＝0.15～0.2L；冷气在集气腔(5)中从叶背到叶盆沿弦向进行了两次180°的回转；集气腔(5)由盆侧L型隔墙(10)、背侧L型隔墙(11)、圆形扰流柱(8)交错组合构成；盆侧L型隔墙(10)的短边与叶盆垂直相连，且其长度为l₁；

背侧L型隔墙的短边与叶背垂直相连，且其长度为l₃(14)；背侧L型隔墙的长边长为l₄(15)；两道L型隔墙的厚度均为w(16)，其典型的取值范围为w＝0.8～1.5mm；隔墙，叶盆，叶背之间的距离由叶背和盆侧隔墙之间的距离D₁(20)，两道隔墙之间的距离D₂(21)，背侧隔墙和叶盆之间的距离D₃(22)控制；为了减少冷气流动通道的面积变化，从而减少气流的能量损失，所述的D₁、D₂、D₃在每一个弦向位置处是近似相等的；叶盆、叶背和两道隔墙之间有沿径向均布圆形扰流柱(8)且其直径为φd(9)，其排列方式为沿流线分层插排，起到支撑两道L型隔墙，加强换热的作用；完成两次回转的冷气向下游流入排气腔(7)，且排气腔的长度为L₂，其典型的取值范围为L₂＝0.3～0.4L；最终冷气在排气腔中通过径向宽度均相同的尾缘排气劈缝通道(3)排出汇入燃气。

2.如权利要求1所述的一种采用弦向回转冷却通道的涡轮叶片，其特征在于，所述的盆侧L型隔墙的短边长l₁(12)采用2.5～4.5mm。

3.如权利要求1或2所述的一种采用弦向回转冷却通道的涡轮叶片，其特征在于，所述的盆侧L型隔墙的长边长为l₂＝5～9mm。

4.如权利要求1或2所述的一种采用弦向回转冷却通道的涡轮叶片，其特征在于，所述的背侧L型隔墙的短边长l₃＝2～4mm。

5.如权利要求1或2所述的一种采用弦向回转冷却通道的涡轮叶片，其特征在于，所述的背侧L型隔墙的长边长为l₄＝4～8mm。

6.如权利要求1或2所述的一种采用弦向回转冷却通道的涡轮叶片，其特征在于，所述的两道L型隔墙的厚度均为w＝0.8～1.5mm。

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