CN113107604A - 一种带有凹槽喷淋前缘冷却的高压涡轮导叶结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种带有凹槽喷淋前缘冷却的高压涡轮导叶结构，包括叶片前缘吸力面、叶片前缘压力面；叶片前缘几何驻点出具有沿叶高方向的凹槽结构，凹槽结构宽度方向两侧与叶片前缘吸力面以及叶片前缘压力面通过倒圆面过渡；在凹槽结构内以及凹槽结构宽度方向两侧的叶片前缘吸力面以及叶片前缘压力面上布置有喷淋冷却结构；喷淋冷却结构为沿叶高方向排列的多排气膜孔。本发明将凹槽应用于叶片前缘，一方面带来更加均匀的气膜覆盖效果，并降低前缘外表面的换热强度，延长叶片使用寿命；另一方面凹槽结构需要削除少部分叶片，符合航空发动机各部件的减重要求。采用本发明的带有凹槽喷淋前缘冷却的高压涡轮导叶结构可以实现更佳更为均匀的冷却效率。

Description

一种带有凹槽喷淋前缘冷却的高压涡轮导叶结构
技术领域
本发明属于燃气轮机涡轮叶片冷却技术领域，具体地说，涉及一种带有凹槽喷淋前缘冷却的高压涡轮导叶结构。
背景技术
涡轮进口燃气温度的提高对航空发动机性能的提升、发动机推重比的提高起到了关键的作用。目前，先进的军用、民用航空发动机的涡轮前进口燃气温度均已超过2000K，随着航空发动机的进一步发展，涡轮前进口温度会进一步提高，而且国内外对航空发动机安全可靠性、服役寿命的要求也不断提高。可见，为了对高压涡轮导叶进行有效的保护，除了耐高温材料的发展以外，必须对其采取高效的冷却措施。高压涡轮导叶的前缘为高温燃气的冲击滞止区域，其承受热负荷相对较高，且由于导叶前缘区域的燃气流动特征及前缘几何特征，高温燃气朝向壁面的传热速率相对较高，因此针对导叶前缘这一关键传热区域展开换热特性研究极具必要性。
随着航空发动机的快速发展，涡轮进口温度不断提高，先进发动机的涡轮进口温度已达到2000K左右，这已远远超出了涡轮叶片材料的耐热极限。目前，航空发动机中广泛采用气膜冷却技术对涡轮叶片进行冷却。气膜冷却是应用在燃气轮机叶片上的冷却技术，是指内部冷却空气通过离散的孔或槽缝流出，在叶片表面附近形成温度较低的冷气膜，将壁面同高温燃气隔离，并带走部分高温燃气或明亮火焰对壁面的辐射热量，从而起到良好的保护作用，以达到叶片不被高温燃气烧坏的目的。涡轮叶片长期处于高温高压的极端环境中，而前缘区域直接受到高温燃气的冲击，换热系数峰值通常出现在驻点区，热负荷最大，往往是最容易发生烧蚀的区域。因此，研究涡轮叶片前缘区域的流动和换热特性对于温度分布以及叶片寿命的预测是非常关键的。
西北工业大学的赵丹在文献“涡轮叶片前缘新型气膜冷却结构的流动换热机理研究”中研究了凹槽孔在涡轮叶片前缘气膜冷却效率及换热特性的影响，其研究结果表明：相比于前缘无凹槽结构，凹槽结构下前缘表面的气膜覆盖效果显著增强，冷却效率明显提高，而凹槽结构对前缘表面换热特性的影响较小。但其对凹槽结构在叶片前缘的应用特性研究仅限于凹槽孔结构，即槽内仅有一排气膜孔，并没有考虑凹槽对前缘喷淋冷却的影响。基于此背景发展和创新涡轮叶片前缘高效冷却结构，在不增加冷气用量的基础上进一步提升冷却效果，对于先进高性能航空发动机的研制是非常有必要和有意义的。
发明内容
针对高压涡轮导叶的前缘驻点区域换热系数极高以及气膜贴壁性不均匀的问题，本发明提出一种带有凹槽喷淋前缘冷却的高压涡轮导叶结构；该结构在不增加气动损失的条件下可有效减小由于冲击效应引起的前缘驻点的高换热区域，同时使得冷却气体在前缘壁面处形成有效的气膜，从而提升前缘的综合冷却效果，延长高压涡轮导叶的使用寿命，有效提升高压涡轮导叶的工作效率。
本发明的技术方案为：
一种带有凹槽喷淋前缘冷却的高压涡轮导叶结构，包括叶片前缘吸力面、叶片前缘压力面；
其特征在于：
叶片前缘几何驻点出具有沿叶高方向的凹槽结构，凹槽结构宽度方向两侧与叶片前缘吸力面以及叶片前缘压力面通过倒圆面过渡；
在凹槽结构内以及凹槽结构宽度方向两侧的叶片前缘吸力面以及叶片前缘压力面上布置有喷淋冷却结构；
所述喷淋冷却结构为沿叶高方向排列的多排气膜孔。
进一步的，所述凹槽结构型面通过以下方式确定：
将原始叶片前缘驻点沿法线方向内凹0.6～1.2mm，得到深度几何位置点；将原始叶片前缘驻点向两侧划定等长弧长1～2mm，得到宽度几何位置点，利用深度几何位置点和宽度几何位置点确定圆弧，并与原始叶片前缘型面相交，得到凹槽结构型面；凹槽结构型面宽度方向两侧与叶片前缘吸力面以及叶片前缘压力面通过面倒圆。
进一步的，所述多排气膜孔中，相邻排之间的气膜孔位置为交叉排列。
进一步的，所述多排气膜孔中，同一排气膜孔为对冲排布，气膜孔中心线在叶高方向倾角α＝±35°。
进一步的，气膜孔孔径为d＝0.5mm，沿叶高方向相邻两个气膜孔的孔口间距S＝2mm。
进一步的，所述喷淋冷却结构在凹槽结构型面底部驻点位置具有1排气膜孔，在驻点位置气膜孔两侧的前缘近吸力面和前缘近压力面上各分布有多排气膜孔。
进一步的，所述喷淋冷却结构共7排气膜孔，前缘近吸力面侧3排孔，凹槽结构型面底部驻点处1排孔，前缘近压力面侧3排孔。
有益效果
本发明提出了一种带有凹槽喷淋前缘冷却的高压涡轮导叶结构。将凹槽应用于叶片前缘一方面可以带来更加均匀的气膜覆盖效果，并降低前缘外表面的换热强度，延长叶片使用寿命；另一方面凹槽结构需要削除少部分叶片，符合航空发动机各部件在发展新型结构中的减重要求。采用本发明的带有凹槽喷淋前缘冷却的高压涡轮导叶结构可以实现更佳更为均匀的冷却效率。除此之外，由于凹槽结构较为简单，相比通过改变气膜孔孔型来提高气膜冷却效果具有加工简单、实用性强等优点。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1：本发明提出的带有凹槽喷淋前缘冷却的高压涡轮导叶的轴测图；
图2：本发明提出的带有凹槽喷淋前缘冷却的高压涡轮导叶的俯视图；
图3：本发明提出的带有凹槽喷淋前缘冷却的高压涡轮导叶的前视图；
图4：带有本发明提出的凹槽喷淋前缘冷却结构的涡轮叶片示意图；
图5：本发明实施例一与传统导叶前缘的径向平均努塞尔数对比图；
图6：本发明实施例一与传统导叶前缘喷淋冷却的径向平均气膜冷却效率对比图；
图7：本发明实施例二与传统导叶前缘的径向平均努塞尔数对比图；
图8：本发明实施例二与传统导叶前缘喷淋冷却的径向平均气膜冷却效率对比图；
图中：1.气膜孔，2.倒圆结构，3.凹槽结构，4.导叶前缘，5.喷淋冷却结构，6.叶片基体，7.冷却气体，8.高温燃气，9.前缘近吸力面侧，10.前缘近压力面侧。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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发明和简化描述，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发明的限制。
参阅图1～图8，对带有凹槽喷淋前缘冷却的高压涡轮导叶结构及其在涡轮叶片上应用布置位置进行详细介绍。
实施例一：本实施例是某型涡轮导向叶片上的带有凹槽喷淋前缘冷却结构，包含导叶前缘4，叶片前缘的七排气膜冷却孔1，喷淋冷却结构5，倒圆结构2，前缘驻点处沿叶高方向的凹槽结构3。
凹槽结构型面通过以下方式确定：
将原始叶片前缘驻点沿法线方向内凹0.6～1.2mm，得到深度几何位置点；将原始叶片前缘驻点向两侧划定等长弧长1～2mm，得到宽度几何位置点，利用深度几何位置点和宽度几何位置点确定圆弧，并与原始叶片前缘型面相交，得到凹槽结构型面；凹槽结构型面宽度方向两侧与叶片前缘吸力面以及叶片前缘压力面通过面倒圆。
本实施例中气膜孔共7排140个孔，不同孔排间为交叉排列，具体布置方式为：前缘近吸力面侧3排孔，驻点处1排孔，前缘近压力面侧3排孔。以叶片几何驻点所在位置为基准，前缘近吸力面侧的三排气膜孔排与几何驻点的距离分别为1.88,3.68,6.31mm，前缘近压力面侧的三排气膜孔排与几何驻点的距离分别为1.90,3.72,6.64mm。沿展向(叶高方向)相邻两个气膜冷却孔的孔口间距S＝2mm。每排气膜孔均为对冲排布，分别具有径向(叶高方向)倾角α＝±35°，孔径为d＝0.5mm。叶片前缘的凹槽是通过原叶型前缘驻点沿法线方向确定凹槽深度0.75mm，沿驻点两侧分别通过等长弧长确定凹槽宽度1.5mm，深度一侧的几何位置点与宽度两侧的几何位置点确定的圆弧与原始结构的叶片型面的交面就是凹槽的几何型面，并最终在凹槽两侧进行1.5mm的面倒圆形成了开有凹槽的叶片前缘型面。凹槽内共有三排气膜孔。
实施例二：本实施例是某型涡轮导向叶片上的带有凹槽喷淋前缘冷却结构，包含导叶前缘4，叶片前缘的七排气膜冷却孔1，喷淋冷却结构5，倒圆结构2，前缘驻点处的凹槽结构3。
气膜孔共7排140个孔，不同孔排间为交叉排列，具体布置方式为：前缘近吸力面侧3排孔，驻点处1排孔，前缘近压力面侧3排孔。以叶片几何驻点所在位置为基准，前缘近吸力面侧的三排气膜孔排与几何驻点的距离分别为1.88,3.68,6.31mm，前缘近压力面侧的三排气膜孔排与几何驻点的距离分别为1.90,3.72,6.64mm。沿展向(叶高方向)相邻两个气膜冷却孔的孔间距S＝2mm。每排气膜孔均为对冲排布，分别具有径向(叶高方向)倾角α＝±35°，孔径为d＝0.5mm。叶片前缘的凹槽是通过原叶型前缘驻点沿法线方向确定凹槽深度1mm，沿驻点两侧分别通过等长弧长确定凹槽宽度1.5mm，深度一侧的几何位置点与宽度两侧的几何位置点确定的圆弧与原始结构的叶片型面的交面就是凹槽的几何型面，并最终在凹槽两侧进行1.5mm的面倒圆形成了开有凹槽的叶片前缘型面。凹槽内共有三排气膜孔。
分析结果时采用努塞尔数Nu衡量换热效果，采用气膜冷却效率η衡量气膜冷却有效性。如图5、图7所示，横轴Tu为来流湍流度，在Tu＝2.03％、14.81％、23.58％三个湍流度下进行了实验，结果显示：两种实施例在前缘表面的面平均努塞尔数均明显低于传统导叶前缘，其中实施例1的前缘面平均努塞尔数相比原始结构低7.9％～14.5％，实施例2的前缘面平均努塞尔数相比原始结构低9.1％～20.9％，这表明带有凹槽结构的导叶前缘相比传统导叶前缘具有低换热优势。如图6、图8所示，横轴I为动量比，在8个动量比下对带有凹槽喷淋前缘冷却的导叶和带喷淋冷却的原始导叶进行了实验，结果显示：两种实施例在前缘表面的面平均冷却效率均高于传统导叶前缘，其中实施例1的前缘面平均冷却效率相比原始结构高约5％，实施例2的前缘面平均冷却效率相比原始结构高约4％，这表明带有凹槽喷淋前缘冷却的高压涡轮导叶结构在前缘表面的冷却效果要比传统带喷淋冷却的涡轮导叶好。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种带有凹槽喷淋前缘冷却的高压涡轮导叶结构，包括叶片前缘吸力面、叶片前缘压力面；
其特征在于：
叶片前缘几何驻点出具有沿叶高方向的凹槽结构，凹槽结构宽度方向两侧与叶片前缘吸力面以及叶片前缘压力面通过倒圆面过渡；
在凹槽结构内以及凹槽结构宽度方向两侧的叶片前缘吸力面以及叶片前缘压力面上布置有喷淋冷却结构；
所述喷淋冷却结构为沿叶高方向排列的多排气膜孔。
2.根据权利要求1所述一种带有凹槽喷淋前缘冷却的高压涡轮导叶结构，其特征在于：所述凹槽结构型面通过以下方式确定：
将原始叶片前缘驻点沿法线方向内凹0.6～1.2mm，得到深度几何位置点；将原始叶片前缘驻点向两侧划定等长弧长1～2mm，得到宽度几何位置点，利用深度几何位置点和宽度几何位置点确定圆弧，并与原始叶片前缘型面相交，得到凹槽结构型面；凹槽结构型面宽度方向两侧与叶片前缘吸力面以及叶片前缘压力面通过面倒圆。
3.根据权利要求2所述一种带有凹槽喷淋前缘冷却的高压涡轮导叶结构，其特征在于：所述多排气膜孔中，相邻排之间的气膜孔位置为交叉排列。
4.根据权利要求2所述一种带有凹槽喷淋前缘冷却的高压涡轮导叶结构，其特征在于：所述多排气膜孔中，同一排气膜孔为对冲排布，气膜孔中心线在叶高方向倾角α＝±35°。
5.根据权利要求2所述一种带有凹槽喷淋前缘冷却的高压涡轮导叶结构，其特征在于：气膜孔孔径为d＝0.5mm，沿叶高方向相邻两个气膜孔的孔口间距S＝2mm。
6.根据权利要求2所述一种带有凹槽喷淋前缘冷却的高压涡轮导叶结构，其特征在于：所述喷淋冷却结构在凹槽结构型面底部驻点位置具有1排气膜孔，在驻点位置气膜孔两侧的前缘近吸力面和前缘近压力面上各分布有多排气膜孔。
7.根据权利要求6所述一种带有凹槽喷淋前缘冷却的高压涡轮导叶结构，其特征在于：所述喷淋冷却结构共7排气膜孔，前缘近吸力面侧3排孔，凹槽结构型面底部驻点处1排孔，前缘近压力面侧3排孔。
8.一种高压涡轮叶片，其特征在于：叶片前缘采用权利要求1～7任一所述的高压涡轮导叶结构。
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