CN112943379B - 一种涡轮叶片分离横向回转再交汇式冷却结构 - 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，涉及涡轮叶片分离横向回转再交汇式冷却结构，所述的冷却结构的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。叶片尾缘沿径向均布人字型隔肋和C字型隔肋，两者交错组合引导气流进行分离横向回转再交汇。相邻的两个C字型肋之间形成冷气分离通道且其宽度为D1，冷气在该通道内向下游流动后分离为分别流向叶根和叶尖的两股气流，并分别在两个冷气回转通道内进行第一次180°回转，向来流方向的反向流动。本发明的每股冷气均需要完成多次转折后才能经尾缘劈缝后流出，其流动距离相对于常规结构增加了约40％，从而提高对冷气的利用率，以及降低叶片的温度。

Description

一种涡轮叶片分离横向回转再交汇式冷却结构
技术领域
本发明属于航空发动机涡轮冷却技术领域，涉及涡轮叶片分离横向回转再交汇式冷却结构。
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。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，本发明提供了一种涡轮叶片分离横向回转再交汇式冷却结构，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，并提高综合冷却效果、以及降低叶片温度水平。
本发明为取得上述效果采用了如下技术方案：
一种涡轮叶片分离横向回转再交汇式冷却结构，包括人字型隔肋、C字型隔肋、J字型隔肋、尾缘劈缝直肋交错组合，如图2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。叶片尾缘沿径向均布人字型隔肋和C字型隔肋，两者交错组合引导气流进行分离横向回转再交汇。相邻的两个C字型肋之间形成冷气分离通道且其宽度为D1,其典型的取值范围为D1＝2.4～4mm，冷气在该通道内向下游流动后分离为分别流向叶根和叶尖的两股气流，并分别在两个冷气回转通道内进行第一次180°回转，向来流方向的反向流动。除了端部的两个以外，每个C字型肋和相邻的2个人字型肋之间形成两个冷气回转通道且其宽度为D2，为保证较小的流动损失，D2应为D1的一半，即D2＝1.2～2mm。在完成第一次折转流动后，冷气在C字型隔肋的中部和人字型隔肋的端部进行第二次180°回转，进入由两个相邻的人字型隔肋组合而成的冷气再汇合通道，冷气再汇合通道的宽度为D3，为保证较小的流动损失，D3应与D1相等，即D3＝1.2～2mm。完成第二次转折并汇合后的冷气向下游流入尾缘排气劈缝通道，每个通道的径向宽度均相同，为D4，为保证较小的流动损失，D4应为D1的3/4,即D4＝1.8～3mm。每股冷气对应4个尾缘排气劈缝通道，并由相邻两个人字型肋和三个尾缘劈缝隔肋分割而成。来自再汇合通道的冷气被两个镜像布置的J字型隔肋和1个尾缘劈缝直肋均匀分为四股气流，最终通过尾缘排气劈缝通道排出汇入燃气。J字型肋的一端为圆弧，并向直劈缝弯曲。肋中心线端部切线方向与水平方向的夹角为∠A，为保证较好的分流效果，所述的∠A可以为40°～60°。
综上，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，所述分离横向回转再交汇通道沿程各处的宽度应符合——D1：D2：D3：D4＝2：1：2：1.5。
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，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，冷气流经分离横向回转再交汇式冷却结构，增加了与C字型肋和人字型肋之间的换热，相对于常规结构来说，换热面积增加约25％。更多的换热面积增加了冷气带走叶片热量的能力，从而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，冷气均需要完成多次转折后才能经尾缘劈缝后流出，其流动距离相对于常规结构增加了约40％，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多次分离回转再汇合分离的设计，同时也会引起流动阻力的增大。对此采用了优化通道径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，当冷气分离通道的宽度D1，冷气回转通道的宽度D2，冷气再汇合通道的宽度D3，尾缘排气劈缝通道的宽度D4满足以下关系——D1：D2：D3：D4＝2：1：2：1.5时，冷气流动的阻力最小，可满足叶片设计要求。
4.尾缘劈缝出口气流较均匀
为了提高叶片的结构强度，应减小叶片尾缘沿径向温差，以减小热应力。本发明通过将两个镜像的J字型肋和一个直肋组合布置，且J字型肋头部向位于中心的直肋弯曲，可以有效的将上游气流向外侧导引，以及通过各劈缝通道宽度D4相等，使得各通道冷气流量的近似相等，从而实现叶片尾缘沿径向温差和热应力的最小。
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涡轮叶片分离横向回转再交汇式冷却结构图。
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)涡轮叶片分离横向回转再交汇式冷却结构流动数值仿真结果图
图4在前后缘均采用分离横向回转再交汇式冷却结构的涡轮叶片
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.尾缘劈缝直肋；5.J字型隔肋；6.人字型隔肋；7.C字型隔肋；8.冷气分离通道；9.冷气回转通道；10.冷气再汇合通道；11.冷气分离通道的宽度D1；12.冷气回转通道的宽度D2；13.冷气再汇合通道的宽度D3；14.尾缘排气劈缝通道的宽度D4；15.J字型肋头部弯曲的角度∠A；16.前缘回转排气通道；17.前缘反C字型隔肋。
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
一种涡轮叶片分离横向回转再交汇式冷却结构主要由人字型隔肋6，C字型隔肋7，J字型隔肋5，尾缘劈缝直肋4交叉组合构成，如图2所示。
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。叶片尾缘沿径向均布人字型隔肋6和C字型隔肋7，两者交错组合引导气流进行分离横向回转再交汇。相邻的两个C字型肋之间形成冷气分离通道8且其宽度为D1＝2.4mm，冷气在该通道内向下游流动后分离为分别流向叶根和叶尖的两股气流，并分别在两个冷气回转通道内进行第一次180°回转，向来流方向的反向流动。除了端部的两个以外，每个C字型肋和相邻的2个人字型肋之间形成两个冷气回转通道9且其宽度为D2，为保证较小的流动损失，D2应为D1的一半，即D2＝1.2mm。在完成第一次折转流动后，冷气在C型隔肋的中部和人字型隔肋的端部进行第二次180°回转进入由两个相邻的人字型肋组合而成的冷气再汇合通道10(宽度为D3)合二为一，为保证较小的流动损失，D3应与D1相等，即D3＝1.2mm。完成第二次转折并汇合后的冷气向下游流入尾缘排气劈缝通道3，每个通道的径向宽度均相同，为D4，为保证较小的流动损失，D4应为D1的3/4,即D4＝1.8mm。每股冷气对应4个尾缘排气劈缝通道，并由相邻两个人字型肋和三个尾缘劈缝隔肋分割而成。来自再汇合通道的冷气被两个镜像布置的J字型隔肋5和1个尾缘劈缝直肋4均匀分为四股气流，最终通过尾缘排气劈缝通道排出汇入燃气。J字型肋的一端为圆弧，并向直劈缝弯曲。肋中心线端部切线方向与水平方向的夹角为∠A15，为保证较好的分流效果，所述的∠A可以为40°。
综上，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，所述分离横向回转再交汇通道沿程各处的宽度应符合——D1：D2：D3：D4＝2：1：2：1.5。
实施例2：
本发明所设置的分离横向回转再交汇式冷却结构不只可以用在叶片尾缘，也可用在叶片前缘，如图4所示。
所述空心涡轮叶片1在前缘沿径向均布C字型肋7和前缘反C字型肋17，两者交错组合构成前缘回转排气通道16，引导气流进行分离横向回转再交汇。
相邻的两个前缘反C字型肋17之间形成冷气分离通道8且其宽度为D1＝2.4mm，冷气在该通道内向下游流动后分离为分别流向叶根和叶尖的两股气流，并分别在两个冷气回转通道内进行第一次180°回转，向来流方向的反向流动。除了端部的两个以外，每个前缘反C字型肋17和相邻的2个C字型肋7之间形成两个冷气回转通道9且其宽度为D2，为保证较小的流动损失，D2应为D1的一半，即D2＝1.2mm。在完成第一次折转流动后，冷气在C型隔肋的中部和前缘反C字型隔肋的端部进行第二次180°回转进入由两个相邻的C字型肋组合而成的冷气再汇合通道10(宽度为D3)合二为一，为保证较小的流动损失，D3应与D1相等，即D3＝1.2mm。完成第二次转折并汇合后的冷气向下游流动，最终通过前缘气膜孔排出汇入燃气。
综上，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，所述分离横向回转再交汇通道沿程各处的宽度应符合——D1：D2：D3＝2：1：2。

Claims (3)

1.一种涡轮叶片分离横向回转再交汇式冷却结构，其特征在于，包括人字型隔肋（6）、C字型隔肋（7）、J字型隔肋（5）和尾缘劈缝直肋（4）交错组合；
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；叶片尾缘沿径向均布人字型隔肋（6）和C字型隔肋（7），两者交错组合引导气流进行分离横向回转再交汇；相邻的两个C字型肋之间形成冷气分离通道（8）且其宽度为D 1，冷气在该通道内向下游流动后分离为分别流向叶根和叶尖的两股气流，并分别在两个冷气回转通道内进行第一次180°回转，向来流方向的反向流动；除了端部的两个以外，每个C字型肋和相邻的2个人字型肋之间形成两个冷气回转通道（9）且其宽度为D 2，为保证较小的流动损失，D 2为D 1的一半；在完成第一次折转流动后，冷气在C字型隔肋（7）的中部和人字型隔肋（6）的端部进行第二次180°回转，进入由两个相邻的人字型隔肋（6）组合而成的冷气再汇合通道（10），冷气再汇合通道的宽度为D 3，D 3与D 1相等；完成第二次转折并汇合后的冷气向下游流入尾缘排气劈缝通道（3），每个通道的径向宽度均相同，尾缘排气劈缝通道的宽度为D 4；每股冷气对应4个尾缘排气劈缝通道，并由相邻两个人字型肋和三个尾缘劈缝隔肋分割而成；来自再汇合通道的冷气被两个镜像布置的J字型隔肋（5）和1个尾缘劈缝直肋（4）均匀分为四股气流，最终通过尾缘排气劈缝通道排出汇入燃气；J字型隔肋（5）的一端为圆弧，并向直劈缝弯曲；分离横向回转再交汇通道沿程各处的宽度符合——D 1：D 2：D 3：D 4=2：1：2：1.5。
2.如权利要求1所述的一种涡轮叶片分离横向回转再交汇式冷却结构，其特征在于，所述冷气分离通道的宽度D1的取值范围为D 1=2.4~4mm，D 4为D 1的3/4, 即D 4=1.8~3mm。
3.如权利要求1或2所述的一种涡轮叶片分离横向回转再交汇式冷却结构，其特征在于，所述的J字型隔肋头部弯曲的角度∠A为40°~60°。
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