CN113153447A - 一种强化涡轮静叶端壁泄漏流冷却的预旋结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种强化涡轮静叶端壁泄漏流冷却的预旋结构，包括涡轮静叶、静叶端壁、静叶端壁上游盘腔间隙和预旋结构；预旋结构为涡轮静叶缩小数倍后反向安装于叶栅通道进口前的端壁上而组成的收缩通道；泄漏流由静叶端壁上游盘腔间隙流向叶栅通道时，首先在预旋结构中产生与端壁横向压力梯度方向相反的速度分量，并且被加速后形成指向端壁通道压力面侧具有更大动量的泄漏流，从而有利于扩大泄漏流对端壁的冷却覆盖面积。本发明解决了泄漏流只能覆盖端壁通道吸力面侧狭小区域的技术难题，数值模拟结果发现，与无预旋结构的端壁相比，本发明预旋结构在相同泄漏流流量下可以很好地覆盖端壁压力面侧，并且总体上将泄漏流的冷却有效度提高约150％。

Description

一种强化涡轮静叶端壁泄漏流冷却的预旋结构
技术领域
本发明涉及一种航空发动机涡轮静叶端壁泄漏流冷却的预旋结构，目的是为了增大涡轮静叶端壁泄漏流的覆盖面积，提高其冷却性能，属于航空发动机涡轮叶片冷却技术领域。
背景技术
航空发动机涡轮端壁的外部冷却一般采用端壁上游的泄漏流冷却和端壁通道中的离散气膜冷却。然而与涡轮叶栅通道主流的流动不同，端壁附近的流动呈现强烈的三维复杂流动；此外，端壁表面还存在周向(横向)压力梯度以及横跨端壁通道的横流，致使端壁表面的冷气通常会被扫略至端壁通道吸力面侧的狭小区域内，从而使得冷气对端壁的覆盖面积变窄，冷却有效度明显下降。因此在涡轮部件的冷却设计中，端壁的热防护问题一直以来都是学术研究的热点和工程设计的难点。
用于端壁冷却的泄漏流主要来源于静叶上游的盘腔间隙。在端壁复杂二次流的作用下，泄漏流基本上只能冷却端壁通道进口吸力面侧很小的三角区域，虽然增加冷气量可以增大泄漏流对端壁的覆盖面积，但冷气量增加即会带来压气机耗功的增加，也会增大涡轮部件的气动损失，最终导致航空发动机的整机性能下降。目前，有关端壁泄漏流的研究主要集中在盘腔间隙结构、位置、宽度以及射流角对端壁泄漏流冷却的影响，而有关提高端壁泄漏流冷却性能的研究和技术报告十分少见。杨星等人(doi:10.1115/1.4050413)基于仿生微结构设计了一种提高端壁泄漏流冷却性能的三角直微肋，但该仿生微结构同时也会带来端壁表面换热系数的大幅提高，最终使得端壁综合冷却有效度的提高幅度有限。
发明内容
为了削弱横向压力梯度和二次流对涡轮静叶端壁泄漏流冷却的不利影响，弥补现有端壁冷却设计中泄漏流冷却强化技术的匮乏，本发明提出了一种强化涡轮静叶端壁泄漏流冷却的预旋结构，在提高端壁泄漏流冷却有效度的同时，通过诱导反向涡系来抑制端壁附近的二次流，从而降低端壁表面的换热系数，进而大幅提高端壁泄漏流的综合冷却性能。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
一种强化涡轮静叶端壁泄漏流冷却的预旋结构，在涡轮静叶1进口的静叶端壁2上安装了泄漏流5的预旋结构4；所述预旋结构4是由涡轮静叶1缩小数倍后的多个叶片沿静叶端壁2周向排列组成的多个收缩通道，且泄漏流5在收缩通道中的流动方向与端壁通道中的压力梯度或者横流的方向相反，即由叶栅通道的吸力面指向压力面，目的是为了给泄漏流5提供更大的指向叶栅通道压力面侧的射流动量，以利于对端壁通道的压力面侧提供冷却保护；泄漏流5由静叶端壁上游盘腔间隙3流向叶栅通道时，首先流经安装于端壁2上游的预旋结构4，发生流动的加速和方向的改变，随后流向端壁通道压力面侧，对该区域形成冷气覆盖；泄漏流5在叶栅通道中向下游迁移时，在端壁通道压力面指向吸力面的横向压力梯度和横流的作用下，泄漏流5逐渐向叶栅通道的吸力面侧迁移，从而扩大泄漏流5在端壁表面的冷却覆盖面积。
所述涡轮静叶1的缩小倍数取决于静叶端壁上游盘腔间隙3与涡轮静叶1前缘之间的距离和涡轮静叶1的相对大小，缩小倍数为7～10倍。
所述的预旋结构4为多支缩小后的叶片沿静叶端壁2周向排列组成多收缩通道结构，目的是为了提高泄漏流流出预旋结构时的射流动量，使得泄漏流有足够的动量克服端壁通道中的横向压力梯度，到达端壁通道的压力面侧，同时也是为了通过对泄漏流的加速来降低泄漏流的静温，更有利于对端壁的冷却保护；收缩通道的节距Py为0.08～0.1倍的涡轮静叶1的叶栅节距P。
所述的预旋结构4最靠近端壁通道吸力面的叶片的前缘点与端壁通道吸力面涡轮静叶前缘点之间的距离Pss为0.2P～0.3P。
所述的预旋结构4最靠近端壁通道压力面的叶片的尾缘点与端壁通道压力面涡轮静叶前缘点之间的距离Pps为0.01P～0.05P。
所述的预旋结构4中的气流流动方向与涡轮静叶1中的气流沿周向流动方向相反，目的是为了使得泄漏流在流经预旋结构后获得与叶栅通道中横向压力梯度相反的流动方向。
所述的预旋结构4中气流沿周向流动方向与涡轮静叶1中气流流动方向相反是通过将缩小后的涡轮静叶反向安装于端壁通道进口上游来实现的，即预旋结构4叶片的安装角与涡轮静叶1的安装角相反。
所述的预旋结构4位于叶栅通道入口与静叶端壁上游盘腔间隙3之间，预旋结构4叶片尾缘点与涡轮静叶1前缘点之间的距离LTE为0.01倍的涡轮静叶轴向弦长Cax，预旋结构4叶片前缘点与静叶端壁上游盘腔间隙3出口尾缘之间的距离LLE为0.5～1.0mm。
所述的预旋结构4的叶片的高度为涡轮静叶1高度的0.5％～2.0％；预旋结构4的叶片高度为等高布置的，或高低依次循环布置。
所述的静叶端壁上游盘腔间隙3位于端壁2的上游，既是燃烧室与涡轮第一级静叶之间的盘腔间隙，也是上游动叶和静叶之间的盘腔间隙。
与现有技术相比，本发明采用以上技术方案具有如下有益效果：
(1)本发明采用的预旋结构可以增强泄漏流的横向扩散能力，增加泄漏流在端壁表面的覆盖面积，提高其冷却有效度，尤其是应用预旋结构后，端壁前缘这一传统冷却设计难以冷却的区域也可以得到很好的冷却保护；
(2)预旋结构设计成收缩通道，即可以增加泄漏流的射流动量，还可以降低泄漏流的静温，有利于提高泄漏流对端壁的冷却性能；
(3)预旋结构为涡轮静叶缩小后的叶片组成，泄漏流流经预旋结构后，产生与涡轮静叶通道中涡系流动相反的诱导涡系，有利于削弱端壁附近的二次流，从而在提高泄漏流冷却有效度的同时，降低端壁表面的换热系数，因此在涡轮端壁冷却的工程设计中，本发明可以大幅提高端壁泄漏流的综合冷却性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的俯视图。
图3(a)和图3(b)分别为本发明中预旋结构叶片等高布置和高低重复布置形式。
图4(a)和图4(b)分别为泄漏流在无预旋结构和有预旋结构端壁上的流动示意图。
图5(a)和图5(b)分别为有/无预旋结构时端壁泄漏流冷却有效度的数值计算结果。
图6为有/无预旋结构时端壁泄漏流冷却有效度横向平均值的数值计算结果。
其中：1-涡轮静叶，2-静叶端壁，3-静叶端壁上游盘腔间隙，4-预旋结构，5-泄漏流。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。本实施例根据上述技术方案给出了详细的实施方式，但本实施例仅为本发明的一个具体实施方式，凡是基于本发明的技术原理做的等同变化均属于本发明权利要求的保护范围。
遵从上述技术方案，如图1和图2所示，本实施例给出了一种强化涡轮静叶端壁泄漏流冷却的预旋结构，在相同冷气量下，从提高泄漏流冷却有效度和降低端壁换热系数两方面来提高泄漏流的综合冷却有效度。
本发明一种强化涡轮静叶端壁泄漏流的预旋结构，包括航空发动机的涡轮静叶1、静叶端壁2、静叶端壁上游盘腔间隙3以及安装于端壁通道进口前的预旋结构4。涡轮静叶1和预旋结构4均安装于静叶端壁2上；静叶端壁上游盘腔间隙3即可以是燃烧室与涡轮第一级静叶端壁之间的间隙，也可以是上游动叶与静叶端壁之间的间隙。
所述预旋结构4是由涡轮静叶1缩小数倍后的多个叶片反向安装于端壁通道前沿静叶端壁周向排列组成的多个收缩通道，缩小倍数通常为7～10倍；预旋结构4最靠近端壁通道压力面的叶片的尾缘点与端壁通道压力面涡轮静叶前缘点之间的距离为Pps，推荐取值为0.01P～0.05P，预旋结构4最靠近端壁通道吸力面的叶片的前缘点与端壁通道吸力面涡轮静叶前缘点之间的距离Pss，推荐取值为0.2P～0.3P；预旋结构的叶片尾缘点与涡轮静叶1前缘点之间的距离为LTE，LTE越小，预旋结构对泄漏流冷却的提升作用越明显，但考虑到加工问题，LTE取0.01Cax；预旋结构叶片前缘点与静叶端壁上游盘腔间隙出口尾缘的距离LLE为0.5～1.0mm；P和Cax为涡轮静叶1的节距和轴向弦长。
影响预旋结构4对泄漏流冷却提升作用的关键参数是预旋结构的叶片数或者通道数；通道过小，泄漏流5流动损失增大，通道过大，预旋结构4对泄漏流5的加速作用不明显，泄漏流5没有足够的动量克服端壁通道中的横向压力梯度，从而无法对端壁压力面侧形成冷却，因此预旋结构4相邻叶片之间周向距离即节距Py的推荐值为0.08P～0.1P。
所述预旋结构4的叶片的高度为涡轮静叶1高度的0.5％～2.0％；预旋结构4的叶片高度即可以是等高布置的，也可以是高低依次重复布置的，如图3(a)和图3(b)所示。
本发明一种强化涡轮静叶端壁泄漏流冷却的预旋结构的工作过程是：泄漏流5通过静叶端壁上游盘腔间隙3流入涡轮静叶主流通道，首先在预旋结构4中加速并发生流动方向的改变；泄漏流5流出预旋结构4时，泄漏流5的射流动量增大，方向指向端壁通道压力面侧，同时静温降低；泄漏流5流出预旋结构4后，首先覆盖端壁通道压力面侧，泄漏流5向叶栅通道下游迁移时，在端壁通道横向压力梯度和二次流的作用下，逐渐由压力面侧向吸力面侧迁移，从而覆盖端壁通道由压力面侧到吸力面侧的更大区域；此外，由于预旋结构4的叶片组成的通道方向与涡轮静叶1的通道方向相反，泄漏流5流经预旋结构4后产生与涡轮静叶1的通道中涡系流动相反的涡系结构，该涡系进入涡轮静叶通道后，对涡轮静叶通道中的二次流产生一定的抑制作用，从而降低端壁表面的换热系数。由此可见，本发明一种强化涡轮静叶端壁泄漏流冷却的预旋结构是从提高泄漏流冷却有效度和降低端壁换热系数两方面来提高端壁泄漏流的综合冷却有效度。
本发明一种强化涡轮静叶端壁泄漏流冷却的预旋结构，目的是增强泄漏流克服端壁通道横向压力梯度和二次流的能力，扩大泄漏流对端壁的覆盖面积，提高其冷却有效度。图4(a)和图4(b)对比了无预旋结构和有本发明预旋结构时泄漏流在端壁表面的流动结构示意图。无预旋结构时，泄漏流在端壁横向压力梯度的作用下被直接扫略至端壁通道的吸力面肩部区，泄漏流覆盖区域十分有限；在静叶端壁上应用本发明后，泄漏流首先冷却端壁通道的压力面侧，随后在横向压力梯度下冷却端壁通道的吸力面侧。
图5(a)和图5(b)以及图6为采用数值模拟方法对无预旋结构和有本发明预旋结构时端壁泄漏流冷却的计算结果。本发明预旋结构明显提高了泄漏流的横向扩散能力，端壁通道的压力面侧也得到了有效的冷却，尤其是端壁前缘也得到了很好的冷却。总体上，本发明一种强化涡轮静叶端壁泄漏流冷却的预旋结构可以将端壁泄漏流的冷却有效度提高约150％。
综上所述，为了增强泄漏流的横向扩散能力，提高泄漏流的冷却有效度，本发明提供了一种强化涡轮静叶端壁泄漏流冷却的预旋结构，在相同冷气量下，本发明可以从提高端壁泄漏流冷却有效度和降低端壁表面换热系数两方面来大幅提高端壁泄漏流的综合冷却性能；此外，本发明还可以降低泄漏流的静温，进一步提高泄漏流的冷却潜力。
除非另有定义，使用的所有术语具有本发明所属领域中普通技术人员的一般理解相同的意义。

Claims (10)

1.一种强化涡轮静叶端壁泄漏流冷却的预旋结构，其特征在于，在涡轮静叶(1)进口的静叶端壁(2)上安装了泄漏流(5)的预旋结构(4)；所述预旋结构(4)是由涡轮静叶(1)缩小数倍后的多个叶片沿静叶端壁(2)周向排列组成的多个收缩通道，且泄漏流(5)在收缩通道中的流动方向与端壁通道中的压力梯度或者横流的方向相反，即由叶栅通道的吸力面指向压力面，目的是为了给泄漏流(5)提供更大的指向叶栅通道压力面侧的射流动量，以利于对端壁通道的压力面侧提供冷却保护；泄漏流(5)由静叶端壁上游盘腔间隙(3)流向叶栅通道时，首先流经安装于端壁(2)上游的预旋结构(4)，发生流动的加速和方向的改变，随后流向端壁通道压力面侧，对该区域形成冷气覆盖；泄漏流(5)在叶栅通道中向下游迁移时，在端壁通道压力面指向吸力面的横向压力梯度和横流的作用下，泄漏流(5)逐渐向叶栅通道的吸力面侧迁移，从而扩大泄漏流(5)在端壁表面的冷却覆盖面积。
2.根据权利要求1所述的一种强化涡轮静叶端壁泄漏流冷却的预旋结构，其特征在于，所述涡轮静叶(1)的缩小倍数取决于静叶端壁上游盘腔间隙(3)与涡轮静叶(1)前缘之间的距离和涡轮静叶(1)的相对大小，缩小倍数为7～10倍。
3.根据权利要求1所述的一种强化涡轮静叶端壁泄漏流冷却的预旋结构，其特征在于，所述的预旋结构(4)为多支缩小后叶片沿静叶端壁(2)周向排列组成多收缩通道，其节距Py为0.08～0.1倍的涡轮静叶(1)的叶栅节距P。
4.根据权利要求3所述的一种强化涡轮静叶端壁泄漏流冷却的预旋结构，其特征在于，所述的预旋结构(4)最靠近端壁通道吸力面的叶片的前缘点与端壁通道吸力面涡轮静叶前缘点之间的距离Pss为0.2P～0.3P。
5.根据权利要求3所述的一种强化涡轮静叶端壁泄漏流冷却的预旋结构，其特征在于，所述的预旋结构(4)最靠近端壁通道压力面的叶片的尾缘点与端壁通道压力面涡轮静叶前缘点之间的距离Pps为0.01P～0.05P。
6.根据权利要求1所述的一种强化涡轮静叶端壁泄漏流冷却的预旋结构，其特征在于，所述的预旋结构(4)中的气流流动方向与涡轮静叶(1)中的气流沿周向流动方向相反。
7.根据权利要求6所述的一种强化涡轮静叶端壁泄漏流冷却的预旋结构，其特征在于，所述的预旋结构(4)中气流沿周向流动方向与涡轮静叶(1)中气流流动方向相反是通过将缩小后的涡轮静叶反向安装于端壁通道进口上游来实现的，即预旋结构(4)叶片的安装角与涡轮静叶(1)的安装角相反。
8.根据权利要求1所述的一种强化涡轮静叶端壁泄漏流冷却的预旋结构，其特征在于，所述的预旋结构(4)位于叶栅通道入口与静叶端壁上游盘腔间隙(3)之间，预旋结构(4)叶片尾缘点与涡轮静叶(1)前缘点之间的距离LTE为0.01倍的涡轮静叶轴向弦长Cax，预旋结构(4)叶片前缘点与静叶端壁上游盘腔间隙(3)出口尾缘之间的距离LLE为0.5～1.0mm。
9.根据权利要求1所述的一种强化涡轮静叶端壁泄漏流冷却的预旋结构，其特征在于，所述的预旋结构(4)的叶片高度为涡轮静叶(1)高度的0.5％～2.0％；预旋结构(4)的叶片高度为等高布置的，或高低依次循环布置。
10.根据权利要求1所述的一种强化涡轮静叶端壁泄漏流冷却的预旋结构，其特征在于，所述的静叶端壁上游盘腔间隙(3)位于端壁(2)的上游，既是燃烧室与涡轮第一级静叶之间的盘腔间隙，也是上游动叶和静叶之间的盘腔间隙。
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