CN116950724B - 一种应用于涡轮叶片尾缘的内部冷却结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮叶片结构设计技术领域，公开了一种应用于涡轮叶片尾缘的内部冷却结构及其设计方法，采用了多个扰流单元在尾缘区域内呈矩阵式分布的结构，每个扰流单元包括中心扰流柱和四个条形扰流部；四个所述条形扰流部以中心扰流柱为对称中心，呈中心对称分布，一方面可以进一步提高尾缘换热效果，另一方面能够减小尾缘流动阻力，具有结构简单，加工方便，冷却效果好的特点，可应用于各种涡轮叶片尾缘冷却结构。

Description

一种应用于涡轮叶片尾缘的内部冷却结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及涡轮叶片结构设计技术领域，公开了一种应用于涡轮叶片尾缘的内部冷却结构及其设计方法。

背景技术

燃气轮机涡轮前温度是影响发动机性能的重要参数，提升涡轮前温度可以获得更大输出功率。目前先进航空发动机涡轮前温温度高达2200K，远高于涡轮叶片材料的耐温极限，必须采用高效冷却技术以保证其正常工作。尤其是涡轮叶片尾缘两侧受到主流影响，对流换热强度高，热负荷高。因此，尾缘是涡轮叶片冷却具有挑战性的区域，高效技术对于降低叶片表面温度和延长叶片工作寿命非常重要。

涡轮叶片尾缘区域一般采用内部通道进行冷却，但是涡轮叶片尾缘区域厚度较薄，冷却通道狭窄，不利于冷却设计，同时尾缘承力能力弱。尾缘区域内部通道内通常布置扰流柱，扰流柱结构不仅能利用扰流柱对流体扰动，增强对流换热效果实现强化换热，还能增加换热面积；此外还能起到支撑作用，提高结构强度。

目前，应用在叶片尾缘的扰流柱结构大部分是圆柱形、水滴形、长圆形，这几种扰流柱都有一定局限性：圆柱形扰流柱流动阻力大，换热能力不能进一步提高；水滴形和长圆形扰流柱能够减小流动阻力，但是换热能力有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于涡轮叶片尾缘的内部冷却结构及其设计方法，可以提高尾缘换热效果，且能够减小尾缘流动阻力，具有结构简单，加工方便，冷却效果好的特点。

为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：

一种应用于涡轮叶片尾缘的内部冷却结构，包括设置于尾缘区域扰流通道内的中心扰流柱和四个条形扰流部，所述中心扰流柱在扰流通道内呈矩阵式分布；所述扰流通道内以每个所述中心扰流柱为对称中心，中心对称分布有四个所述条形扰流部，形成一个扰流单元，且相邻两个中心扰流柱之间共用一个条形扰流部。

进一步地，所述中心扰流柱的横截面为四个环向分布的第一圆弧段，相邻两个第一圆弧段之间采用第二圆弧段平滑连接，形成花形结构；所述第一圆弧段的直径为尾缝宽度的0.5～1倍，所述第二圆弧段的直径为尾缝宽度的0.6～1.2倍，两个相对的第一圆弧之间的最大间距为尾缝宽度的0.5～1倍。

进一步地，每个所述条形扰流部包括中心圆形柱和两个对称分布于中心圆形柱两侧的第一圆形柱，每个第一圆形柱和中心圆形柱之间平滑过渡连接；两侧的第一圆形柱直径为尾缝宽度的0.5～1倍，中心圆柱直径为尾缝宽度的0.6～2倍，每个所述条形扰流部的两个第一圆柱之间的最大间距为尾缝宽度的2～4倍。

进一步地，四个所述条形扰流部分别为第一条形扰流部、第二条形扰流部、第三条形扰流部和第四条形扰流部，所述第二条形扰流部位于第一条形扰流部的中垂线上，第三条形扰流部与第一条形扰流部以中心扰流柱为对称中心呈中心对称分布，第四条形扰流部与第二条形扰流部以中心扰流柱为对称中心呈中心对称分布。

进一步地，每个所述条形扰流部中心点与中心扰流中心点的间距为尾缝宽度的1～2倍。

进一步地，靠近尾缘区域冷气进口处的条形扰流部与冷却气流的夹角为30°～60°。

为实现上述技术效果，本发明还提供了一种应用于涡轮叶片尾缘的内部冷却结构设计方法，用于获得所述应用于涡轮叶片尾缘的内部冷却结构中条形扰流部和中心扰流柱的尺寸参数，包括：

根据涡轮叶片尾缘区域冷却要求和冷却气流参数，获得尾缘区域扰流通道内的设计雷诺数和设计努塞尔数；

根据条形扰流部和中心扰流柱的初始设计尺寸参数；

根据尾缘区域的扰流通道雷诺数、条形扰流部和中心扰流柱的初始设计尺寸参数，计算扰流通道实际努塞尔数，其中/>为尾缘区域扰流通道内的实际努塞尔数，/>为尾缘区域扰流通道内的雷诺数，/>为条形扰流部中心点与中心扰流中心点的间距，/>为扰流单元湿周长度，/>为扰流单元横截面积；

判断尾缘区域的扰流通道实际努塞尔数与设计努塞尔数的偏差是否在预设范围内，若实际努塞尔数与设计努塞尔数的偏差在预设范围内，则条形扰流部和中心扰流柱的初始设计尺寸参数满足要求；否则调整条形扰流部和中心扰流柱的设计尺寸参数，直至实际努塞尔数与设计努塞尔数的偏差满足预设范围要求。

进一步地，实际努塞尔数与设计努塞尔数的偏差预设范围为-5～5%。

与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：本发明采用了多个扰流单元在尾缘区域内呈矩阵式分布的结构，每个扰流单元包括中心扰流柱和四个条形扰流部；四个所述条形扰流部以中心扰流柱为对称中心，呈中心对称分布，一方面可以进一步提高尾缘换热效果，另一方面能够减小尾缘流动阻力，具有结构简单，加工方便，冷却效果好的特点，可应用于各种涡轮叶片尾缘冷却结构。

附图说明

图1为实施例1或2中涡轮叶片尾缘及其内部冷却结构示意图；

图2为实施例1或2中应用于涡轮叶片尾缘的内部冷却结构示意图；

图3为实施例1或2中扰流单元结构示意图；

图4为实施例1或2中中心扰流柱的结构示意图；

图5为实施例1或2中条形扰流部的结构示意图；

图6为实施例2中的扰流结构和常规叉排扰流柱结构叶片尾缘压力面冷却效率曲线图；

其中，1、中心扰流柱；2、第一圆弧段；3、第二圆弧段；4、中心圆形柱；5、第一圆形柱；6、第一条形扰流部；7、第二条形扰流部；8、第三条形扰流部；9、第四条形扰流部；10、叶片尾缘压力面；11、叶片尾缘吸力面；12、冷气进口；13、尾缝。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

参见图1-图5，一种应用于涡轮叶片尾缘的内部冷却结构，包括设置于尾缘区域扰流通道内的中心扰流柱1和四个条形扰流部，所述中心扰流柱1在扰流通道内呈矩阵式分布；所述扰流通道内以每个所述中心扰流柱1为对称中心，中心对称分布有四个所述条形扰流部，形成一个扰流单元，且相邻两个中心扰流柱1之间共用一个条形扰流部。

在本实施例中，尾缘区域包括叶片尾缘压力面10、叶片尾缘吸力面11、尾缘区域冷气进口12和尾缝13，叶片尾缘压力面10内壁、叶片尾缘吸力面11内壁之间形成了冷却通道；所述扰流单元均匀设置在叶片尾缘压力面10和吸力面内壁之间的冷却通道内，扰流单元的两端面分别和叶片尾缘压力面10、吸力面内壁固定连接；冷却气流从冷气进口12进入尾缘内部冷却通道，经过扰流单元后由尾缝13排出实现对尾缘区域的冷却。本实施例中冷却结构采用了多个扰流单元在尾缘区域内呈矩阵式分布的结构，每个扰流单元包括中心扰流柱1和四个条形扰流部；四个所述条形扰流部以中心扰流柱1为对称中心，呈中心对称分布，一方面可以进一步提高尾缘换热效果，另一方面能够减小尾缘流动阻力，具有结构简单，加工方便，冷却效果好的特点，可应用于各种涡轮叶片尾缘冷却结构。

实施例2

参见图1-图5，本实施例以某型号涡轮叶片为例，对本发明中应用于涡轮叶片尾缘的内部冷却结构及其设计方法进行详细说明。

一种应用于涡轮叶片尾缘的内部冷却结构，包括设置于尾缘区域扰流通道内的中心扰流柱1和四个条形扰流部，所述中心扰流柱1在扰流通道内呈矩阵式分布；所述扰流通道内以每个所述中心扰流柱1为对称中心，中心对称分布有四个所述条形扰流部，形成一个扰流单元，且相邻两个中心扰流柱1之间共用一个条形扰流部。

本实施例中，涡轮叶片尾缘的内部冷却结构的设计流程为：

步骤一、根据涡轮叶片尾缘区域冷却要求和冷却气流参数，获得尾缘区域扰流通道内的设计雷诺数和设计努塞尔数；

步骤二、根据条形扰流部和中心扰流柱1的初始设计尺寸参数，以此获得扰流单元湿周长度、扰流单元横截面积以及条形扰流部与中心扰流柱1流向间距；

本实施例中，所述中心扰流柱1的横截面为四个环向分布的第一圆弧段2，相邻两个第一圆弧段2之间采用第二圆弧段3平滑连接，形成花形结构；所述第一圆弧段2的直径为尾缝13宽度的0.5～1倍，所述第二圆弧段3的直径为尾缝13宽度的0.6～1.2倍，两个相对的第一圆弧之间的最大间距为尾缝13宽度的0.5～1倍。

每个所述条形扰流部包括中心圆形柱4和两个对称分布于中心圆形柱4两侧的第一圆形柱5，每个第一圆形柱5和中心圆形柱4之间平滑过渡连接；两侧的第一圆形柱5直径为尾缝13宽度的0.5～1倍，中心圆柱直径为尾缝13宽度的0.6～2倍，每个所述条形扰流部的两个第一圆柱之间的最大间距为尾缝13宽度的2～4倍。

四个所述条形扰流部分别为第一条形扰流部6、第二条形扰流部7、第三条形扰流部8和第四条形扰流部9，所述第二条形扰流部7位于第一条形扰流部6的中垂线上，第三条形扰流部8与第一条形扰流部6以中心扰流柱1为对称中心呈中心对称分布，第四条形扰流部9与第二条形扰流部7以中心扰流柱1为对称中心呈中心对称分布。

每个所述条形扰流部中心点与中心扰流中心点的间距为尾缝13宽度的1～2倍。

靠近尾缘区域冷气进口12处的条形扰流部与冷却气流的夹角为30°～60°。

步骤三、根据尾缘区域的扰流通道雷诺数、条形扰流部和中心扰流柱1的初始设计尺寸参数，计算扰流通道实际努塞尔数，其中/>为尾缘区域扰流通道内的实际努塞尔数，/>为尾缘区域扰流通道内的雷诺数，/>为条形扰流部中心点与中心扰流中心点的间距，/>为扰流单元湿周长度，/>为扰流单元横截面积；

步骤四、判断尾缘区域的扰流通道实际努塞尔数与设计努塞尔数的偏差是否在预设范围内，若实际努塞尔数与设计努塞尔数的偏差在预设范围内，则条形扰流部和中心扰流柱1的初始设计尺寸参数满足要求；否则调整条形扰流部和中心扰流柱1的设计尺寸参数，直至实际努塞尔数与设计努塞尔数的偏差满足预设范围要求。本实施例中控制实际努塞尔数与设计努塞尔数的偏差预设范围在-5～5%内。

为验证本发明结构及方法的有效性，对分别采用本实施例中的扰流结构和常规叉排扰流柱结构叶片尾缘压力面10冷却效率进行了计算。计算过程中使用UG软件建模，Fluent Meshing生成非结构化网格，使用流体仿真软件CFX求解器求解，计算得到的叶片尾缘压力面10沿展向平均冷却效率如图6所示。本实施例中两种扰流结构的冷却效果定义如下：

式中为燃气总温，/>为叶片尾缘压力面壁面温度，/>为冷却气流温度。

图6中横坐标表示尾缘区域冷却通道内沿冷气流向方向不同位置与尾缝13的宽度之比X/H，其中X为对应位置到冷气进口12的距离，H表示尾缝13的宽度；纵坐标为计算得到的叶片尾缘压力面10沿展向平均冷却效率。可以看到，带有本实施例的扰流冷却结构的冷却效率升高了12%，充分说明了本发明的有效性和优越性。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种应用于涡轮叶片尾缘的内部冷却结构，其特征在于，包括设置于尾缘区域扰流通道内的中心扰流柱和四个条形扰流部，所述中心扰流柱在扰流通道内呈矩阵式分布；所述扰流通道内以每个所述中心扰流柱为对称中心，中心对称分布有四个所述条形扰流部，形成一个扰流单元，且相邻两个中心扰流柱之间共用一个条形扰流部；每个所述条形扰流部包括中心圆形柱和两个对称分布于中心圆形柱两侧的第一圆形柱，每个第一圆形柱和中心圆形柱之间平滑过渡连接；两侧的第一圆形柱直径为尾缝宽度的0.5～1倍，中心圆柱直径为尾缝宽度的0.6～2倍，每个所述条形扰流部的两个第一圆柱之间的最大间距为尾缝宽度的2～4倍；四个所述条形扰流部分别为第一条形扰流部、第二条形扰流部、第三条形扰流部和第四条形扰流部，所述第二条形扰流部位于第一条形扰流部的中垂线上，第三条形扰流部与第一条形扰流部以中心扰流柱为对称中心呈中心对称分布，第四条形扰流部与第二条形扰流部以中心扰流柱为对称中心呈中心对称分布。

2.根据权利要求1所述的应用于涡轮叶片尾缘的内部冷却结构，其特征在于，所述中心扰流柱的横截面为四个环向分布的第一圆弧段，相邻两个第一圆弧段之间采用第二圆弧段平滑连接，形成花形结构；所述第一圆弧段的直径为尾缝宽度的0.5～1倍，所述第二圆弧段的直径为尾缝宽度的0.6～1.2倍，两个相对的第一圆弧之间的最大间距为尾缝宽度的0.5～1倍。

3.根据权利要求1所述的应用于涡轮叶片尾缘的内部冷却结构，其特征在于，每个所述条形扰流部中心点与中心扰流中心点的间距为尾缝宽度的1～2倍。

4.根据权利要求1所述的应用于涡轮叶片尾缘的内部冷却结构，其特征在于，靠近尾缘区域冷气进口处的条形扰流部与冷却气流的夹角为30°～60°。

5.一种应用于涡轮叶片尾缘的内部冷却结构设计方法，用于获得权利要求1-4中任意一项所述应用于涡轮叶片尾缘的内部冷却结构中条形扰流部和中心扰流柱的尺寸参数，其特征在于，包括：

根据涡轮叶片尾缘区域冷却要求和冷却气流参数，获得尾缘区域扰流通道内的设计雷诺数和设计努塞尔数；

根据条形扰流部和中心扰流柱的初始设计尺寸参数；

根据尾缘区域的扰流通道雷诺数、条形扰流部和中心扰流柱的初始设计尺寸参数，计算扰流通道实际努塞尔数，其中/>为尾缘区域扰流通道内的实际努塞尔数，/>为尾缘区域扰流通道内的雷诺数，/>为条形扰流部中心点与中心扰流中心点的间距，/>为扰流单元湿周长度，/>为扰流单元横截面积；

判断尾缘区域的扰流通道实际努塞尔数与设计努塞尔数的偏差是否在预设范围内，若实际努塞尔数与设计努塞尔数的偏差在预设范围内，则条形扰流部和中心扰流柱的初始设计尺寸参数满足要求；否则调整条形扰流部和中心扰流柱的设计尺寸参数，直至实际努塞尔数与设计努塞尔数的偏差满足预设范围要求。

6.根据权利要求5所述的应用于涡轮叶片尾缘的内部冷却结构设计方法，其特征在于，实际努塞尔数与设计努塞尔数的偏差预设范围为-5～5%。