CN114876583B - 一种涡轮动叶尾缘的冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮动叶尾缘的冷却结构，涉及涡轮冷却技术领域，包括尾缘、叶型根部和叶顶；涡轮动叶尾缘内部设有用于冷却空气流动的空腔；涡轮动叶尾缘的截面厚度从叶型根部截面到叶顶截面逐渐变小；涡轮动叶尾缘上开设有扩张孔；所述扩张孔包括全缝扩张孔和半劈缝扩张孔，且扩张孔通过空腔贯穿涡轮动叶尾缘的外表面；全缝扩张孔和半劈缝扩张孔的切向截面形状包括平直段和扩张段；扩张段靠近涡轮动叶尾缘外表面，平直段靠近涡轮动叶尾缘的空腔。本发明提出的涡轮动叶尾缘组合冷却结构在动叶尾缘上部较薄区域为半劈缝扩张孔冷却结构，能够使动叶尾缘上部较薄区域尾缘厚度尽量地薄，从而减小涡轮动叶的尾迹损失。

Description

一种涡轮动叶尾缘的冷却结构

技术领域

本发明涉及涡轮冷却技术领域，尤其是涉及一种涡轮动叶尾缘的冷却结构。

背景技术

涡轮动叶的尾缘作为涡轮动叶上需要冷却的关键部位之一，一是由于尾缘的结构完整性对于涡轮动叶的气动性能以及寿命可靠性至关重要；二是由于压力面与吸力面的燃气速度在涡轮动叶尾缘部位都达到了相当高的值，而且都处于湍流状态，从而使得尾缘部位的燃气对流换热强度非常大。因此为了保证尾缘的结构完整性可以在燃气轮机服役期间内不被高温燃气烧蚀破坏，必须对其进行高效冷却。

为了避免涡轮动叶尾缘烧蚀现象，在不增加冷气用量的基础上进一步提升冷却效果，对于燃气轮机的研制是非常有必要和有意义的。涡轮动叶尾缘冷却结构在有限空间内高效冷却的研究，其冷却结构主要有全缝冷却结构、离散直孔冷却结构和半劈缝冷却结构三种形式。从涡轮动叶气动性能的角度来看，在强度允许的条件下，动叶尾缘厚度应尽量地薄，以减小涡轮动叶的尾迹损失。受制造工艺的约束，全缝冷却结构与离散直孔冷却结构要求涡轮动叶尾缘必须有足够的厚度才可以实现，相对于这两种冷却结构，半劈缝冷却结构只有单侧壁面，而且有分隔肋的加强作用，因此可以将尾缘设计得比较薄。对于全缝和半劈缝冷却结构来说，由于缝的开口面积较大，进入涡轮动叶的冷气约有超过40%是通过涡轮动叶尾缘缝流出，冷气消耗量较大，容易造成较大的尾缘冷气掺混损失，从而降低了燃气轮机整机效率，同时，较大的缝的开口面积会降低涡轮动叶尾缘的强度，降低涡轮动叶的使用寿命。对于离散直孔冷却结构，孔出口的气膜受涡系影响不易附着在尾缘的表面，冷却效果较低，同时较大的直孔孔径也不利于涡轮动叶尾缘的强度。

中国专利CN 111412020 A提供了一种透平叶片尾缘冷却结构，包括：位于透平叶片尾缘内部的尾缘腔室，以及多个扩张孔构成的阵列，所述扩张孔经所述尾缘腔室贯穿尾缘外表面；其中，所述扩张孔沿轴向分为平直段与扩张段，所述扩张段靠近所述尾缘外表面，所述平直段靠近所述尾缘腔室，所述扩张段的横截面积大于所述平直段的横截面积，所述尾缘腔室内的冷气经所述扩张孔流出后，形成覆盖所述透平叶片尾缘的气膜。本公开提供的透平叶片尾缘冷却结构，可以提高透平叶片的冷却效果、减少透平叶片的气动损失，并提高透平叶片的结构强度。但是本发明在叶片尾缘存在较薄区域的情况时，该扩张孔难以加工实现。

中国专利CN 106593544 A公开了一种涡轮转子叶片的尾缘冷却结构及具有其的发动机，涉及发动机技术领域。所述涡轮转子叶片的尾缘冷却结构的叶片的尾缘在叶片高度方向设置有多个相互独立的扩张型冷却劈缝，所述扩张型冷却劈缝是指劈缝在叶片高度方向的开口宽度从叶片的内腔向叶片外表面方向逐渐扩大。所述发动机上的转子叶片包含如上所述的涡轮转子叶片的尾缘冷却结构。但是本发明中由于劈缝的开口面积较大，该结构会导致冷气在叶型叶型根部截面流出较多，从而使叶片叶顶截面冷却效果较差。

中国专利CN112177683B涉及一种念珠式涡轮叶片尾缘劈缝冷却结构。所述的冷却结构包括空心涡轮叶片、内腔冷气通道和尾缘排气劈缝通道，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。空心涡轮叶片尾缘沿弦向开有多个离散的念珠式尾缘排气劈缝通道，以供冷却气排出叶片。本发明的念珠式尾缘排气劈缝具有反复收扩的通道结构，可以吹除边界层并抑制其增厚，从而强化换热。但是针对多种组合的冷却结构的情况下，其不易控制和实现较好的冷却效果。

发明内容

为了解决涡轮动叶尾缘出现烧蚀以及尾缘冷却效果差的技术问题，本发明提供了一种涡轮动叶尾缘的冷却结构。

为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案如下：

一种涡轮动叶尾缘的冷却结构，包括尾缘、叶型根部和叶顶；所述涡轮动叶尾缘内部设有用于冷却空气流动的空腔；所述涡轮动叶尾缘的截面厚度从叶型根部截面到叶顶截面逐渐变小，逐渐变小可以降低叶型根部的应力；所述涡轮动叶尾缘上开设有扩张孔；所述扩张孔包括全缝扩张孔和半劈缝扩张孔，且扩张孔通过空腔贯穿涡轮动叶尾缘的外表面；所述全缝扩张孔和半劈缝扩张孔的切向截面形状包括平直段和扩张段；扩张段靠近涡轮动叶尾缘外表面，平直段靠近涡轮动叶尾缘的空腔。

进一步地，所述全缝扩张孔的平直段和半劈缝扩张孔的平直段的轴向截面形状均为圆角矩形。

进一步地，圆角矩形是相比于全圆形，在保证相同出气面积的条件下，减少对叶片尾缘厚度的侵占。

进一步地，所述扩张段包括扩张角，扩张角R的范围为30°≤R≤150°。

进一步地，平直段出气面积小，控制出气流量，扩张段扩大冷气换热面积，降低冷气流速，提高换热效率。

进一步地，所述全缝扩张孔的数量至少设为3个；所述半劈缝扩张孔的数量至少设为3个。

进一步地，所述尾缘厚度从叶型根部截面到叶顶截面逐渐减薄，10%叶高截面动叶尾缘厚度M1是90%叶高截面动叶尾缘厚度M2的1.3-3倍。

进一步地，将所述的全缝扩张孔替换为圆形扩散孔，圆形扩散孔的截面形状按轴向分为平直段和扩散段，扩散段靠近涡轮动叶尾缘外表面，平直段靠近涡轮动叶尾缘空腔。

进一步地，所述圆形扩散孔的数量至少设为3个。

进一步地，所述圆形扩散孔冷却结构的平直段的轴向截面形状为圆形，直径范围为0.4mm-1.2mm。

进一步地，靠近叶顶的位置为薄区域，所述半劈缝扩张孔位于薄区域内。

进一步地，靠近叶型根部的位置为厚区域，所述全缝扩张孔位于厚区域内。

进一步地，叶型根部下端安装在申根的上端面上，且申根的下端开设有凹槽，叶根榫头插设于申根的凹槽内，与凹槽相配合。

进一步地，尾缘内部冷却通道从叶顶贯穿至叶根榫头，且半劈缝扩张孔和全缝扩张孔均于尾缘内部冷却通道连通。

与现有技术相比，本发明的有益效果具体体现在：

（1）本发明提出的涡轮动叶尾缘组合冷却结构在动叶尾缘上部较薄区域为半劈缝扩张孔冷却结构，能够使动叶尾缘上部较薄区域尾缘厚度尽量地薄，也即是空心冷却动叶的尾缘从叶型根部到叶顶逐渐减薄，从而减小涡轮动叶的尾迹损失，提高机组气动效率，且符合动叶叶型等强度设计的优化趋势；

（2）本发明提出的在叶型根部较厚部位采用电火花或激光打孔制成的圆孔扩散孔冷却结构，能够大大减少冷气出气面积，使得冷气能够较好的流动到叶顶区域进行冷却；而通常来说，涡轮叶片尾缘顶部容易超温，这是由于冷气自叶型根部向上流动，随着沿程流阻增大及从根部气孔出气，使得叶顶供气量减少。同时冷气沿程参与换热，温升不断提高，冷却能力在不断下降；

（3）本发明在叶型尾缘较厚的区域布置全缝扩张孔冷却结构或圆孔扩散冷却结构，全缝扩张孔能够降低尾缘出气流速，增加换热面积，提高冷却效率，减少掺混损失，同时制造方便，使用铸造陶瓷型芯一次成形；更进一步的，当采用圆孔扩散冷却结构，扩散孔圆孔平直段孔径可以加工的更小，使用的冷却流量更少，能够更好的降低掺混损失，提高机组效率。

附图说明

图1本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的主视图；

图3为图2的A-A截面图；

图4为图2的B-B截面图；

图5为图2中Ⅰ的放大示意图；

图6为图2中Ⅱ的放大示意图；

图7为半劈缝扩张孔平直段轴向C-C截面示意图；

图8为全缝扩张孔平直段轴向D-D截面示意图；

图9为圆形扩散孔平直段轴向D-D截面示意图；

附图标记如下：1.尾缘；2.薄区域；3.半劈缝扩张孔；4.厚区域；5.全缝扩张孔；6.空腔；7.圆形扩散孔；8.申根；9.叶顶；10.平直段；11.扩张段；12.尾缘内部冷却通道；13.叶根榫头；14.前缘；15.叶型根部；16.叶身。

具体实施方式

为使本发明的目的和技术方案更加清楚，下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

如图1-图8所示的一种涡轮动叶尾缘1的冷却结构，包括尾缘1、叶型根部15、前缘14和叶顶9；所述涡轮动叶尾缘1内部设有用于冷却空气流动的空腔6；所述涡轮动叶尾缘1的截面厚度从叶型根部15截面到叶顶9截面逐渐变小；所述涡轮动叶尾缘1上开设有扩张孔；所述扩张孔包括全缝扩张孔5和半劈缝扩张孔3，且扩张孔通过空腔6贯穿涡轮动叶尾缘1的外表面；所述全缝扩张孔5和半劈缝扩张孔3的切向截面形状包括平直段10和扩张段11；扩张段11靠近涡轮动叶尾缘1外表面，平直段10靠近涡轮动叶尾缘1的空腔6。所述全缝扩张孔5的平直段10和半劈缝扩张孔3的平直段10的轴向截面形状均为圆角矩形。所述扩张段11包括扩张角，扩张角R的范围为30°≤R≤150°。所述全缝扩张孔5的数量至少设为3个，多个全缝扩张孔5均匀布置；所述半劈缝扩张孔3的数量至少设为3个，多个半劈缝扩张孔3均匀布置。扩张孔不一定需要均匀布置，可以根据冷却需要，也可以设为下边密，上边疏。如图5所示，扩张段11和平直段10共同构成了近似漏斗形状的结构。

所述尾缘1厚度从叶型根部15截面到叶顶9截面逐渐减薄，10%叶高截面动叶尾缘1厚度M1是90%叶高截面动叶尾缘1厚度M2的1.3-3倍，具体的，10%叶高截面指的是叶型根部15截面附近，90%叶高截面指的是叶顶9截面附近；也即是这句话定义了从叶型根部15截面到叶顶9截面尾缘1厚度减薄的量化值。所谓“10%叶高”是一个业内通行叫法，指的是从叶型底部起点开始往上算起，到达10%的总的叶型高度位置。靠近叶顶9的位置为薄区域2，所述半劈缝扩张孔3位于薄区域2内。靠近叶型根部15的位置为厚区域4，所述全缝扩张孔5位于厚区域4内。叶型根部15下端安装在申根8的上端面上，且申根8的下端开设有凹槽，叶根榫头13插设于申根8的凹槽内，与凹槽相配合。尾缘内部冷却通道12从叶顶9贯穿至叶根榫头13，且半劈缝扩张孔3和全缝扩张孔5均于尾缘内部冷却通道12连通。

具体的，本实施例中在动叶尾缘1下部的厚区域4为扩张孔冷却结构，能够使冷气在扩张孔的出口处形成“反肾型涡”，提高冷气在动叶尾缘1的附着能力，提高了动叶的冷却效果和气动效率；且在叶型根部15厚区域4采用电火花或激光打孔制成的圆孔扩散孔冷却结构，体积较小，减小了动叶尾缘1下部较厚区域4的镂空体积，提高了涡轮叶片的强度寿命；而通常来说，涡轮动叶靠近叶型根部15区域的应力最大，对结构强度和表面完整性要求更高；

而在叶型尾缘1较薄的区域布置半劈缝扩张孔3冷却结构，半劈缝冷却结构对叶片尾缘1厚度要求较低，使得叶型设计更多地考虑气动效率，半劈缝扩张孔3冷却结构能够降低尾缘1出气流速，增加换热面积，提高冷却效率，减少掺混损失，同时半劈缝扩张孔3冷却结构与尾缘1通道采用铸造一体成型，半劈缝扩张孔3结构兼作为陶芯的芯头，能够大幅提高陶芯强度，减少断芯或偏芯造成的铸造叶片报废，提高精密铸造成品率。具体的，三种冷却结构包括全缝、半劈缝和圆形的冷却结构的扩张角均为30°-150°。

实施例2

如图1、图2和图9所示，与实施例1不同的是，将所述的全缝扩张孔5替换为圆形扩散孔7，圆形扩散孔7的截面形状按轴向分为平直段10和扩散段，扩散段靠近涡轮动叶尾缘1外表面，平直段10靠近涡轮动叶尾缘1空腔6。所述圆形扩散孔7的数量至少设为3个。所述圆形扩散孔7冷却结构的平直段10的轴向截面形状为圆形，直径范围为0.4mm-1.2mm。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种涡轮动叶尾缘的冷却结构，其特征在于，包括尾缘、叶型根部和叶顶；涡轮动叶尾缘内部设有用于冷却空气流动的空腔；

涡轮动叶尾缘的截面厚度从叶型根部截面到叶顶截面逐渐变小；10％叶高截面动叶尾缘的截面厚度M1是90％叶高截面动叶尾缘的截面厚度M2的1.3-3倍；

涡轮动叶尾缘上开设有扩张孔；所述扩张孔由全缝扩张孔和半劈缝扩张孔组成，且扩张孔通过空腔贯穿涡轮动叶尾缘的外表面；所述全缝扩张孔和半劈缝扩张孔的切向截面形状包括平直段和扩张段；扩张段靠近涡轮动叶尾缘外表面，平直段靠近涡轮动叶尾缘的空腔；

靠近叶顶的位置为薄区域，所述半劈缝扩张孔位于薄区域内；

靠近叶型根部的位置为厚区域，所述全缝扩张孔位于厚区域内。

2.根据权利要求1所述的一种涡轮动叶尾缘的冷却结构，其特征在于，垂直于所述全缝扩张孔的平直段和半劈缝扩张孔的平直段的轴向的截面形状均为圆角矩形。

3.根据权利要求1所述的一种涡轮动叶尾缘的冷却结构，其特征在于，所述扩张段包括扩张角，扩张角R的范围为30°≤R≤150°。

4.根据权利要求1所述的一种涡轮动叶尾缘的冷却结构，其特征在于，所述全缝扩张孔的数量至少设为3个；所述半劈缝扩张孔的数量至少设为3个。

5.根据权利要求1所述的一种涡轮动叶尾缘的冷却结构，其特征在于，将所述的全缝扩张孔替换为圆形扩散孔，圆形扩散孔的截面形状按轴向分为平直段和扩散段，扩散段靠近涡轮动叶尾缘外表面，平直段靠近涡轮动叶尾缘空腔。

6.根据权利要求5所述的一种涡轮动叶尾缘的冷却结构，其特征在于，所述圆形扩散孔的数量至少设为3个。

7.根据权利要求5所述的一种涡轮动叶尾缘的冷却结构，其特征在于，垂直于所述圆形扩散孔冷却结构的平直段的轴向的截面形状为圆形，直径范围为0.4mm-1.2mm。