CN114575932A - 一种涡轮叶片尾缘半劈缝冷却结构 - Google Patents
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Abstract
本申请属于涡轮叶片设计领域，为一种涡轮叶片尾缘半劈缝冷却结构，包括叶片背侧、叶片盆侧和隔肋，叶片背侧的外表面为叶片吸力面，叶片盆侧的外表面为叶片压力面，叶片背侧与叶片盆侧之间为冷气腔；当冷却气到达编织型肋后需要绕过编织型肋从而继续向后流动，冷却气在编织型肋处会有一定的停留，从而增大了叶片吸力面的受冷面积和受冷量；冷却气在进入到编织型肋的编织结构处时，一部分继续沿着叶片的径向流出，一部分随着编织型肋的斜边沿着两侧的展向流出，并分别流入到两侧的隔肋上，实现对叶片尾缘处冷却的全覆盖，加强对叶片吸力面的冷却效果，提高了半劈缝壁面处的对流换热系数hc，也就有效提高了尾缘半劈缝结构的综合冷却效果。
Description
技术领域
本申请属于涡轮叶片设计领域，特别涉及一种涡轮叶片尾缘半劈缝冷却结构。
背景技术
涡轮转子叶片长时间工作在高温高压的恶劣环境中，承担的负荷很大，尤其是尾缘位置，是叶片热负荷最高的区域之一，而且尾缘区域厚度较小，内冷通道狭窄，较难采取高效的强化换热措施。气冷式涡轮转子叶片在设计时由于尾缘需要考虑冷却，通常会在叶片尾缘设计尾缝结构，如图1所示，冷气从内腔①通过尾缝通道1排入主通道②，实现对尾缘区域的冷却。
在现有设计中，叶片尾缝通常设计为半劈缝冷却结构，如图1所示。半劈缝结构冷却气流沿压力面切向流出，贴壁性较好，对叶片尾缘压力面实现了气膜保护，气膜冷却效率几乎已经达到极限。但对于吸力面来说仍然依靠壁面的导热降温，降温幅度远不及对流冷却的效果，故一般来说叶片尾缘吸力面壁温要高于劈缝壁面温度，常规的半劈缝冷却结构较难实现对吸力面一侧壁面温度的有效降低。
因此，如何提高涡轮叶片尾缘处的综合冷却效果是一个需要解决的问题。
发明内容
本申请的目的是提供了一种涡轮叶片尾缘半劈缝冷却结构，以解决现有技术中吸力面冷却效率低、涡轮叶片尾缘综合冷却效果差的问题。
本申请的技术方案是：一种涡轮叶片尾缘半劈缝冷却结构，包括叶片盆侧、叶片背侧，所述叶片盆侧上设有叶片吸力面，所述叶片背侧上设有叶片压力面，所述叶片的内部设有冷气腔，所述冷气腔出口处间隔设置有隔肋；所述隔肋之间设有半劈缝壁面，所述半劈缝壁面上设有编织型肋，所述编织型肋由冷气出口延伸至叶片尾缘最末端，所述编织型肋的厚度小于冷却气出口高度；所述冷却气从冷气腔进入至半劈缝壁面处，而后从编织型肋上方流出，形成冷却气膜。
优选地，所述编织型肋包括左斜板和右斜板，所述左斜板共有多组并沿着叶片展向间隔设置，所述右斜板共有多组并沿着叶片展向间隔设置，所述左斜板与右斜板相互交错，所述左斜板和右斜板靠近冷气腔的一端平齐、靠近叶片尾缘末端的一端平齐，所述左斜板和右斜板靠近冷气腔的一端结合形成菱形的一侧开口的导流槽。
优选地，所述左斜板和右斜板靠近冷气腔的一端形成倒三角形的分流槽，所述分流槽与导流槽交错设置，所述分流槽位于导流槽靠近冷气腔的一侧。
优选地，所述左斜板和右斜板在导流槽远离冷气腔的一侧形成菱形的压力槽。
优选地，所述左斜板和右斜板一体固定连接，所述左斜板和右斜板的端部与相邻肋板一体固定连接。
优选地，所述左斜板和右斜板的厚度为冷气腔出口高度的1/2至1/3。
优选地，多组所述左斜板和右斜板的展向总长度为隔肋展向长度的3至4倍。
本申请的一种涡轮叶片尾缘半劈缝冷却结构，包括叶片背侧、叶片盆侧和隔肋，叶片背侧的外表面为叶片吸力面，叶片盆侧的外表面为叶片压力面，叶片背侧与叶片盆侧之间为冷气腔；当冷却气从出口流出时，到达编织型肋后需要绕过编织型肋从而继续向后流动，冷却气在编织型肋处会有一定的停留，从而增大了叶片吸力面的受冷面积和受冷量；冷却气在进入到编织型肋的编织结构处时其流路会发生改变，一部分继续沿着叶片的径向流出，一部分随着编织型肋的斜边沿着两侧的展向流出，并分别流入到两侧的隔肋上，实现对叶片尾缘处冷却的全覆盖，对隔肋的冷却效果会传递至叶片吸力面，加强对叶片吸力面的冷却效果，提高了半劈缝壁面处的对流换热系数hc，也就有效提高了尾缘半劈缝结构的综合冷却效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为背景技术中叶片尾缘结构示意图；
图2为常规半劈缝结构二维传热模型示意图；
图3为本申请整体结构示意图；
图4为本申请凸显半劈缝冷却结构的轴测示意图；
图5为本申请编织型肋与隔肋结构示意图。
1、冷气腔；2、编织型肋；3、隔肋；4、半劈缝壁面；5、叶片吸力面；6、叶片压力面；7、左斜板；8、右斜板；9、导流槽；10、分流槽；11、压力槽。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
一种涡轮叶片尾缘半劈缝冷却结构，图2为常规的半劈缝结构二维传热模型示意图。在气膜冷却气用量不变的条件下，由于半劈缝冷却气膜的贴壁性很高，气膜冷却效率已基本达到其所能达到的上限，故尾缘劈缝壁面温度Tw1继续降低的可能性较小，尾缘的综合冷却效果主要取决于叶片尾缘吸力面的壁温Tw2。
假设燃气温度为Tg，燃气与叶片尾缘吸力面对流换热系数为hg；冷气从冷气腔中流出，温度为Tc，冷气与尾缘劈缝壁面的对流换热系数为hc；叶片尾缘壁厚为δ，导热系数为k，尾缘劈缝壁面温度为Tw1，叶片尾缘吸力面壁温为Tw2。
根据一维传热过程假设，有如下热量传递平衡方程：
其中，Taw为绝热壁温。根据气膜冷却效率公式
式(1)可变化为
由此，可求得叶片尾缘吸力面壁温关系式为
由式(3)可知，在其他变量保持不变的条件下，叶片尾缘吸力面壁温Tw2随气膜冷却效率η和冷气与尾缘劈缝壁面的对流换热系数hc的增大而降低。由前文可知气膜冷却效率η提高幅度相当有限，故考虑采用增大冷气与尾缘劈缝壁面的对流换热系数hc的方式降低叶片尾缘吸力面壁温Tw2。
如图3、图4所示，具体设计包括：叶片背侧、叶片盆侧和隔肋3，叶片背侧的外表面为叶片吸力面5，叶片盆侧的外表面为叶片压力面6，叶片背侧与叶片盆侧之间为冷气腔1，冷气腔1在尾缘处设置冷气出口，对尾缘进行冷却，冷气腔1出口处间隔设置有隔肋3，多组隔肋3沿着叶片的展向均匀设置，任意相邻隔肋3间均为冷气腔1出口。
隔肋3之间设有半劈缝壁面4，半劈缝壁面4设于叶片背侧的内壁面上，半劈缝壁面4上设有编织型肋2，编织型肋2由冷气出口延伸至叶片尾缘最末端，编织型肋2的厚度小于冷却气出口高度；冷却气从冷气腔1进入至半劈缝壁面4处，而后从编织型肋2上方流出，形成冷却气膜。
编织型结构为一种纵横交错的结构，气流在经过编织型结构时会改变流向，编织型肋2一体设置于半劈缝壁面4上，也即是设于叶片背侧的内壁面上，叶片吸力面5和编织型肋2分别位于叶片背侧在尾缘处的两侧，当冷却气从出口流出时，到达编织型肋2后需要绕过编织型肋2从而继续向后流动，冷却气在编织型肋2处会有一定的停留，从而增大了叶片吸力面5的受冷面积和受冷量。
冷却气在进入到编织型肋2的编织结构处时其流路会发生改变，一部分继续沿着叶片的径向流出，一部分随着编织型肋2的斜边沿着两侧的展向流出，并分别流入到两侧的隔肋3上，实现对叶片尾缘处冷却的全覆盖，对隔肋3的冷却效果会传递至叶片吸力面5，加强对叶片吸力面5的冷却效果，提高了半劈缝壁面4处的对流换热系数hc，也就有效提高了尾缘半劈缝结构的综合冷却效果。
如图5所示，优选地，编织型肋2包括左斜板7和右斜板8，左斜板7共有多组并沿着叶片展向间隔设置，右斜板8共有多组并沿着叶片展向间隔设置，左斜板7与右斜板8相互交错，左斜板7和右斜板8靠近冷气腔1的一端平齐、靠近叶片尾缘末端的一端平齐，左斜板7和右斜板8靠近冷气腔1的一端结合形成菱形的一侧开口的导流槽9。
冷却气在到到达编织型肋2时，会沿着导流槽9的开口进入到导流槽9内，由于导流槽9为菱形结构，因此进入到导流槽9内的冷却气会在内壁的导向下会交错地向两侧流动，并与上方的冷却气流混合，形成紊流，从而有效地提高半劈缝结构冷却的均匀性。
优选地，左斜板7和右斜板8靠近冷气腔1的一端形成倒三角形的分流槽10，分流槽10与导流槽9交错设置，分流槽10位于导流槽9靠近冷气腔1的一侧。在编织型结构特点下，分流槽10的纵深远小于导流槽9的纵深，这样冷却气在到达分流槽10时，会很快将分流槽10填充满并向两侧的导流槽9内逸散，实现气流的进一步交互，促进冷却气的分散，从而进一步提高冷却气冷却的均匀性。
优选地，左斜板7和右斜板8在导流槽9远离冷气腔1的一侧形成菱形的压力槽11，压力槽11内部为空腔，气压较低，冷却气流过压力槽11时，会对冷却气产生吸力，使得部分冷却气进入到压力槽11内，在压力槽11内沿叶片径向呈弧形流动，同时在压力槽11两侧倾斜侧壁结构的限制下，冷却气在流出时会向两侧发散，从而实现冷却气进一步的紊乱与混合，冷却气均匀性更高、冷却气利用率更好，降低了叶片的使用风险，一定程度提高了叶片的使用安全性。
优选地，左斜板7和右斜板8一体固定连接，左斜板7和右斜板8的端部与相邻肋板一体固定连接，这样编织型肋2能够有效地对相邻隔肋3之间进行支撑，从而提高叶片尾缘的支撑强度和稳定性。
优选地，左斜板7和右斜板8的厚度为冷气腔1出口高度的1/2至1/3，不同厚度下的编织型肋2处冷却气的分流量会有所差别，展向流动量会有一些差别，可以根据叶片不同型号需求进行微调。
优选地，多组所述左斜板7和右斜板8的展向总长度为隔肋3展向长度的3至4倍，不同展向长度下的冷却气出口处的流量会有所差别，冷却气的流速有所不同，可以根据叶片不同型号需求进行微调。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种涡轮叶片尾缘半劈缝冷却结构，包括叶片盆侧、叶片背侧，所述叶片盆侧上设有叶片吸力面(5)，所述叶片背侧上设有叶片压力面(6)，所述叶片的内部设有冷气腔(1)，所述冷气腔(1)出口处间隔设置有隔肋(3)；其特征在于：所述隔肋(3)之间设有半劈缝壁面(4)，所述半劈缝壁面(4)上设有编织型肋(2)，所述编织型肋(2)由冷气出口延伸至叶片尾缘最末端，所述编织型肋(2)的厚度小于冷却气出口高度；所述冷却气从冷气腔(1)进入至半劈缝壁面(4)处，而后从编织型肋(2)上方流出，形成冷却气膜。
2.如权利要求1所述的涡轮叶片尾缘半劈缝冷却结构，其特征在于：所述编织型肋(2)包括左斜板(7)和右斜板(8)，所述左斜板(7)共有多组并沿着叶片展向间隔设置，所述右斜板(8)共有多组并沿着叶片展向间隔设置，所述左斜板(7)与右斜板(8)相互交错，所述左斜板(7)和右斜板(8)靠近冷气腔(1)的一端平齐、靠近叶片尾缘末端的一端平齐，所述左斜板(7)和右斜板(8)靠近冷气腔(1)的一端结合形成菱形的一侧开口的导流槽(9)。
3.如权利要求2所述的涡轮叶片尾缘半劈缝冷却结构，其特征在于：所述左斜板(7)和右斜板(8)靠近冷气腔(1)的一端形成倒三角形的分流槽(10)，所述分流槽(10)与导流槽(9)交错设置，所述分流槽(10)位于导流槽(9)靠近冷气腔(1)的一侧。
4.如权利要求2所述的涡轮叶片尾缘半劈缝冷却结构，其特征在于：所述左斜板(7)和右斜板(8)在导流槽(9)远离冷气腔(1)的一侧形成菱形的压力槽(11)。
5.如权利要求1所述的涡轮叶片尾缘半劈缝冷却结构，其特征在于：所述左斜板(7)和右斜板(8)一体固定连接，所述左斜板(7)和右斜板(8)的端部与相邻肋板一体固定连接。
6.如权利要求1所述的涡轮叶片尾缘半劈缝冷却结构，其特征在于：所述左斜板(7)和右斜板(8)的厚度为冷气腔(1)出口高度的1/2至1/3。
7.如权利要求1所述的涡轮叶片尾缘半劈缝冷却结构，其特征在于：多组所述左斜板(7)和右斜板(8)的展向总长度为隔肋(3)展向长度的3至4倍。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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