CN1318735C - 一种适用于燃气涡轮发动机的脉动冲击冷却叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于燃气涡轮发动机的脉动冲击冷却叶片，其叶片内部的冷却通道被曲形隔板和直流隔板分隔形成具有周期性的收敛段和扩张段和直流段的冷却腔，且曲形隔板应满足的形状为见右下式(1)；所述曲形隔板上设有供冷却气通过的弦向冲击孔，所述弦向冲击孔设在曲形峰上和/或曲形谷上，曲形谷的夹角见右下式(2)为35°～155°。本发明脉动冲击冷却叶片的比拟系数Nu/C_f为努塞尔数Nu和阻力系数C_f之比，其与只带有直流隔板的叶片内部的冷却通道的比拟系数相比提高了10～50%。

Description

一种适用于燃气涡轮发动机的脉动冲击冷却叶片

技术领域

本发明涉及一种适用于燃气涡轮发动机的脉动冲击冷却叶片，该冷却叶片的冷却通道由曲形隔板或者曲形隔板与直流隔板组合的形式构成具有周期性的收敛段和扩张段的冷却腔，通道间具有弦向冲击孔。

背景技术

在燃气涡轮发动机中的涡轮叶片紧挨着燃烧室，其所处环境温度局部高达2000K。为了改善燃气涡轮发动机的热效率，一般采用提高涡轮前温度，随之带来的是涡轮部件热负荷的增加。另外，涡轮叶片(工作叶片)在高转速下工作(转速可达15000rpm以上)，处于非常高的离心力场当中。在如此恶劣的工作环境中，要保证叶片正常、可靠、长期的工作，就必须对涡轮叶片进行有效的冷却，保持最佳的热应力状态。冷却的原则是使用最少的冷气量来保证叶片可靠工作。目前使用中的涡轮冷却叶片有很多种，其结构较为典型的是多腔复合直流冷却通道，其通道上的隔板一般采用的是直流型隔板结构(请参见图4A所示)。通过隔板5将通道分割成多个冷却腔6，冷气从叶根2端进入，然后顺着冷却腔6向叶尖3方向流动，一部分从叶尖3流出，一部分通过隔板5与叶尖3处的孔向尾缘劈缝4流动，并经尾缘劈缝4流出。这种结构的冷却气体形成的附面层不能被充分破坏，使叶片局部区域换热效果不佳，叶片流阻较大等缺陷，严重影响发动机的性能和寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于燃气涡轮发动机的脉动冲击冷却叶片，其叶片内部的冷却通道被曲形隔板和直流隔板分隔形成具有周期性的收敛段和扩张段和直流段的冷却腔，通道间曲形隔板上设有弦向冲击孔，使冷气的附面层被不断破坏，从而强化了换热；合理的多孔设计，加之周期性的收缩与扩张，使冷气在弦向产生脉动冲击。

本发明是一种适用于燃气涡轮发动机的脉动冲击冷却叶片，其叶片内部的冷却通道被曲形隔板和直流隔板分隔形成具有周期性的收敛段和扩张段和直流段的冷却腔，所述曲形隔板上设有供冷却气通过的弦向冲击孔；具有周期性的收敛段和扩张段的所述冷却腔是由一个曲形隔板和两个直流隔板分隔形成；或者是由两个曲形隔板和一个直流隔板分隔形成；具有直流段的冷却腔是由两个曲形隔板分隔形成，或者是由两个直流隔板分隔形成。

所述的脉动冲击冷却叶片，其冷却腔之间的隔板为曲形隔板。

所述的脉动冲击冷却叶片，其曲形隔板应满足的形状为 $y=A\sin \left[\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(x-\frac{\mathrm{\λ}}{4})\right]+A......0\≤x\≤L,$ 式中，y表示沿弦向的位置坐标，x表示沿径向的位置坐标，λ表示波长，A表示振幅，L表示叶片的叶高。

所述的脉动冲击冷却叶片，其弦向冲击孔设在所述曲形隔板的曲形峰的上下和/或曲形谷上下，曲形谷的夹角

本发明脉动冲击冷却叶片的优点在于：(1)采用曲形隔板代替原有叶片中的直流隔板，构成周期性的渐缩渐扩通道；(2)在曲形隔板折角处开孔，合理的分配流量。以上两种改进使得冷却气体在渐缩渐扩通道中流速不断改变，湍流度增大，并且冷却气体通过隔板上的小孔从一个通道射流进入另一个通道时，由于隔板的形状，会在射流边界形成旋涡系，这些旋涡的非定常的产生和脱落会产生振荡效应，进一步增大流体湍流度，破坏附面层，增强换热。同时由于隔板小孔出流直接带走一部分热量，使冷却效果更好。

附图说明

图1是本发明的复合形脉动冲击冷却叶片的剖视结构图。

图2是本发明的曲形脉动冲击冷却叶片的剖视结构图。

图3A是孔设在下方的曲形隔板结构示意图。

图3B是孔设在上方的曲形隔板结构示意图。

图3C是上、下方都设有孔的曲形隔板结构示意图。

图4A是普通直流隔板形的涡轮叶片剖视图。

图4B是图4A的A-A视图。

图中：1.曲形隔板  11.下冲击孔  12.下夹孔  13.夹角14.上冲击孔  15.上夹孔  2.叶根  3.叶尖  4.尾缘劈缝5.直流隔板  6.冷却腔

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

请参见图1所示，本发明是一种适用于燃气涡轮发动机的脉动冲击冷却叶片，该脉动冲击冷却叶片的内部冷却通道从叶根2端进冷却气，并从叶尖3或尾缘劈缝4出冷却气。其中，冷却通道被曲形隔板1和直流隔板5分隔形成多个具有周期性的收敛段和扩张段和直流段的冷却腔6。具有周期性的收敛段和扩张段的冷却腔6可以是由一个曲形隔板1和两个直流隔板5分隔形成，也可以是由两个曲形隔板1和一个直流隔板5分隔形成；具有直流段的冷却腔6可以是由两个曲形隔板1分隔形成，也可以是由两个直流隔板5分隔形成。

请参见图1、图2、图4A、图4B所示，普通直流冷却叶片的内部冷却通道的结构为通道之间的隔板采用直流隔板(如图4A)，前缘和中部的内腔被直流隔板分成多个通道(如图4B所示的通道I、通道II、通道III、通道IV、通道V等)，形成了多腔回流式冷却系统。一个通道的冷却气体，在由直流隔板构成的转弯流道中流动，转变流动方向，增大湍流度。尾缘部分也被直流隔板5分为两个通道，从通道IV进入的冷却气体，在该通道内进行换热后，从隔板与叶片顶端的间隙进入通道V，并在该通道内进行换热后，经尾缘劈缝4流出。这样的结构导致的结果是叶片顶部和底部有足够的冷气冷却，换热效果很好；但是叶片中部处于冷气交汇处，冷气量不足，冷却效果不好，换热很差，容易发生断裂。本发明的脉动冲击冷却叶片结构，叶片内部大部分区域采用交错构成具有周期性的收敛段和扩张段的气流模式，冷气从曲形隔板1上设有的多个弦向冲击孔(如图3A、图3B和图3C所示)中流出，使冷气较为充分地在内部腔体分隔成多个细小的通道流动，并产生脉动冲击。通道内的气体流动方向不断变化，使换热大大增强。

本发明从传热学角度讲，不仅提高了整体换热效果，且使整体热应力分布均匀，压力损失也远远低于普通直流隔板的叶片。

在本发明中，脉动冲击冷却叶片是采用分次焊接加工成型，可以通过燃气涡轮发动机涡轮叶片对冷却功率的设计要求，将冷却通道采用不同隔板分隔冷却腔6的方法将叶片内部的冷却通道设计成一种满足具有曲形隔板1特征冷却腔6结构，其中，曲形隔板1应满足的形状为 $y=A\sin \left[\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(x-\frac{\mathrm{\λ}}{4})\right]+A......0\≤x\≤L,$ 式中，y表示沿弦向的位置坐标，x表示沿径向的位置坐标，λ表示波长，A表示振幅，L表示叶片的叶高。

本发明的脉动冲击冷却叶片，经简化模型实验和三维数值模拟测试其换热性能和流动阻力，带有曲形隔板1的叶片内部的冷却通道的比拟系数Nu/C_f为努塞尔数Nu和阻力系数C_f之比，其与只带有直流隔板5的叶片内部的冷却通道的比拟系数相比提高了10～50％。

通道与通道之间用隔板隔开，采用曲形隔板1(如图1)，曲形隔板1的一端设在进气通道的叶根2处，另一端设在叶尖3处，曲形隔板1上设有多个弦向冲击孔(即下冲击孔11、下夹孔12、上冲击孔14和上夹孔15均为弦向冲击孔)，冷气从孔中流出，将涡轮叶片分隔成多个气流通道，冷却气体从一个通道进入，一边沿径向从叶根到叶尖流动，一边通过隔板上的孔冲击另一个通道。请参见图3A、3B和3C所示，根据换热系数的设定要求，弦向冲击孔设在所述曲形隔板1的曲形峰的上下和/或曲形谷上下，曲形谷的夹角 夹角α较佳的角度为100°。弦向冲击孔的其中一种设置结构如图3A所示，仅设在曲形隔板1下端的曲形峰和曲形谷上，设在曲形峰下端的是下冲击孔11，设在曲形谷下端的是下夹孔12；弦向冲击孔的另一种设置结构如图3B所示，仅设在曲形隔板1上端的曲形峰和曲形谷上，设在曲形峰上端的是上冲击孔14，设在曲形谷上端的是上夹孔15；弦向冲击孔的再一种设置结构如图3C所示，可以设在曲形隔板1上下端的曲形峰和曲形谷上，设在曲形峰上下端的是上冲击孔14和下冲击孔11，设在曲形谷上下端的是上夹孔15和下夹孔12。

Claims (3)

1、一种适用于燃气涡轮发动机的脉动冲击冷却叶片，其特征在于：叶片内部的冷却通道被曲形隔板(1)和直流隔板(5)分隔形成具有周期性的收敛段和扩张段和直流段的冷却腔(6)，所述曲形隔板(1)上设有供冷却气通过的弦向冲击孔；

具有周期性的收敛段和扩张段的所述冷却腔(6)是由一个曲形隔板(1)和两个直流隔板(5)分隔形成；或者是由两个曲形隔板(1)和一个直流隔板(5)分隔形成；

具有直流段的冷却腔(6)是由两个曲形隔板(1)分隔形成，或者是由两个直流隔板(5)分隔形成。

2、根据权利要求1所述的脉动冲击冷却叶片，其特征在于：曲形隔板(1)应满足的形状为 $y=A\sin \left[\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(x-\frac{\mathrm{\λ}}{4})\right]+A.......0\≤x\≤L,$ 式中，y表示沿弦向的位置坐标，x表示沿径向的位置坐标，λ表示波长，A表示振幅，L表示叶片的叶高。

3、根据权利要求1所述的脉动冲击冷却叶片，其特征在于：所述弦向冲击孔设在所述曲形隔板(1)的曲形峰的上下和/或曲形谷上下，曲形谷的夹角 $\mathrm{\α}=2\mathrm{arctg}\frac{\mathrm{\λ}}{4A}$ 为35°～155°。

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