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CN105569740A - 一种带有叶片波浪状凹陷尾缘半劈缝冷却结构的涡轮 - Google Patents

一种带有叶片波浪状凹陷尾缘半劈缝冷却结构的涡轮 Download PDF

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高杰
郑群
付维亮
王付凯
岳国强
董平
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Harbin Engineering University
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Abstract

本发明提供一种带有叶片波浪状凹陷尾缘半劈缝冷却结构的涡轮，包括机匣、轮毂，在机匣和轮毂之间沿圆周方向均匀安装有叶片，在叶片尾缘设有半劈缝冷却结构，其包括尾缘压力边和尾缘吸力边，在尾缘压力边和尾缘吸力边的连接处沿叶片高度方向设有交错式喷气缝单元，在尾缘吸力边设置沿叶片高度方向间隔排列的呈波浪状的凹陷结构。本发明设计的带有叶片波浪状凹陷尾缘半劈缝冷却结构的涡轮不仅增大了叶片尾缘部分与冷气的换热面积，从而进一步降低了叶片尾缘的温度，并且均化了下游叶片进口气流温度分布，还改善了涡轮叶片气动性能。

Description

一种带有叶片波浪状凹陷尾缘半劈缝冷却结构的涡轮
技术领域
本发明涉及一种涡轮，尤其涉及一种带有叶片波浪状凹陷尾缘半劈缝冷却结构的涡轮。
背景技术
随着人们对燃气轮机可靠性和高效性的追求，提高涡轮前燃气温度已成为提高燃气轮机性能的重要技术途径。然而，涡轮前温度提高给燃气轮机工作带来一系列严重的问题，对燃气轮机热端部件的高温机械强度、热稳定性技术指标和使用寿命提出了挑战。叶片尾缘截面积较小，热沉滞强，平均温度最高，最容易出现叶片断裂事故。因此，寻找高效可靠的方法对叶片尾缘进行有效的冷却对燃气轮机安全稳定的工作有着重要的意义。
涡轮叶片尾缘承受的热负荷高，且内冷通道空间受限，因此成为叶片冷却结构设计的难题。目前广泛应用于叶片尾缘的冷却结构有扰流柱、肋壁强化、半劈缝气膜冷却等。不过，这些结构对叶片尾缘的冷却效果还非常有限，对涡轮叶片的气动性能、与下游叶片的热匹配性也有明显影响。截至目前，还未见有关叶片尾缘的高效、高冷却效率设计的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供既能降低叶片尾缘温度，又能均化下游叶片进口气流温度分布，还可改善涡轮叶片气动性能的一种带有叶片波浪状凹陷尾缘半劈缝冷却结构的涡轮。
本发明的目的是这样实现的：包括机匣、轮毂，在机匣和轮毂之间且沿圆周方向均匀安装有叶片，所述叶片尾缘设置有半劈缝冷却结构，所述半劈缝冷却结构包括尾缘压力边和尾缘吸力边，在尾缘压力边和尾缘吸力边的连接处并沿叶片高度方向设置有交错式喷气缝单元，尾缘吸力边还设置沿叶片高度方向间隔排列的呈波浪状的凹陷结构。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述叶片尾缘吸力边端部形状为椭圆形。
2.所述尾缘交错式喷气缝单元的宽度小于当地叶片的厚度，其高度与宽度之比为3.5～4.5，且交错式喷气缝单元沿叶片高度方向设置有10～15个。
3.所述波浪状凹陷结构的波长为叶片尾缘吸力边厚度的6～10倍，且波浪状凹陷结构的波幅为叶片尾缘吸力边厚度的0.6～1.4倍。
4.所述波浪状凹陷结构与叶片表面的交界处设置圆角。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在半劈缝冷却结构中采用若干交错式喷气缝单元，增大了叶片尾缘部分与冷气的换热面积，从而进一步降低了叶片尾缘的温度，并且通过在叶片尾缘吸力边端部开设波浪状凹陷结构，重新组织了冷气出流与主流的掺混，提高了下游叶片进口气流流动以及温度分布的均匀性，且由于恰当的冷气出流与主流的掺混组织了叶片喉部下游区域的激波波系，降低了激波损失，从而改善了涡轮叶片气动性能。此外，本发明结构也比较简单，易于工程实现。
附图说明
图1是带有叶片波浪状凹陷尾缘半劈缝冷却结构的涡轮的子午视图；
图2是图1所示涡轮叶片的剖视图；
图3是尾缘半劈缝冷却结构的局部视图；
图4是波浪状凹陷尾缘结构的局部视图。
图中：L为波浪状凹陷结构的波长，W为波浪状凹陷结构的波幅。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1～图4，本发明由轮毂、叶片和机匣组成，在轮毂和机匣之间沿圆周方向均匀安装有叶片，在叶片的尾缘设有半劈缝冷却结构，其包括尾缘压力边1和尾缘吸力边2，在尾缘压力边1和尾缘吸力边2的连接处沿叶片高度方向设有交错式喷气缝单元3，交错式喷气缝的横剖图见图3所示，在尾缘吸力边2设置沿叶片高度方向间隔排列的呈波浪状的凹陷结构4。
制造本发明的带有叶片波浪状凹陷尾缘半劈缝冷却结构的涡轮，首先采用传统设计方法设计好带有尾缘半劈缝结构的涡轮叶片。考虑到叶片尾缘厚度对掺混损失影响较大，因而为了减少叶片尾缘区域的掺混损失，所述叶片尾缘吸力边端部形状可为椭圆形。然后，对于给定的叶片尾缘区域冷却和强度等要求，设计叶片波浪状凹陷尾缘半劈缝冷却结构。
具体的设计步骤如下：
(1)根据叶片尾缘压力边的厚度，并根据叶片工作条件对其强度的要求，确定好交错式喷气缝单元的宽度，并根据交错式喷气缝单元的高度与宽度之比为3.5～4.5确定其高度，随后根据叶片的高度确定交错式喷气缝单元的个数。
(2)根据涡轮叶片尾缘的流动传热情况，确定叶片尾缘波浪状凹陷结构的波长和波幅等参数。
需注意的是，所述叶片尾缘波浪状凹陷结构的波长如果较大则对尾缘区域冷气出流与主流的掺混的控制效果较弱，如果波长较小，凹陷结构增多，也不利于改善冷气出流与主流的掺混。对于波浪状凹陷结构的波幅，如果太大，对叶片尾缘自身的性能损伤较大，反之，如果太小的话，对尾缘区域冷气出流与主流的掺混的控制效果也较弱。因此，所述波浪状凹陷结构的波长为叶片尾缘吸力边厚度的6～10倍，且波浪状凹陷结构的波幅为叶片尾缘吸力边厚度的0.6～1.4倍。
考虑到加工以及叶片尾缘区域流动对光滑壁面的要求，所述波浪状凹陷结构与叶片尾缘表面的交界处采用圆角过渡。
值得注意的是，以上所有参数的最佳取值可借助于现有的计算流体动力学软件数值模拟或者相关试验获得。
一种带有叶片波浪状凹陷尾缘半劈缝冷却结构的涡轮，包括机匣、轮毂，在机匣和轮毂之间沿圆周方向均匀安装有叶片，其特征是：在叶片尾缘设有半劈缝冷却结构，其包括尾缘压力边和尾缘吸力边，在尾缘压力边和尾缘吸力边的连接处沿叶片高度方向设有交错式喷气缝单元，在尾缘吸力边设置沿叶片高度方向间隔排列的呈波浪状的凹陷结构。
本发明还可以包括：
1、所述叶片尾缘吸力边端部形状为椭圆形。
2、所述尾缘交错式喷气缝单元的宽度小于当地叶片的厚度，其高度与宽度之比为3.5～4.5，且交错式喷气缝单元沿叶片高度方向设置有10～15个。
3、所述波浪状凹陷结构的波长为叶片尾缘吸力边厚度的6～10倍，且波浪状凹陷结构的波幅为叶片尾缘吸力边厚度的0.6～1.4倍。
4、所述波浪状凹陷结构与叶片表面的交界处采用圆角过渡。
本发明的目的在于提供一种带有叶片波浪状凹陷尾缘半劈缝冷却结构的涡轮，包括机匣、轮毂，在机匣和轮毂之间沿圆周方向均匀安装有叶片，在叶片尾缘设有半劈缝冷却结构，其包括尾缘压力边和尾缘吸力边，在尾缘压力边和尾缘吸力边的连接处沿叶片高度方向设有交错式喷气缝单元，在尾缘吸力边设置沿叶片高度方向间隔排列的呈波浪状的凹陷结构。本发明设计的带有叶片波浪状凹陷尾缘半劈缝冷却结构的涡轮不仅增大了叶片尾缘部分与冷气的换热面积，从而进一步降低了叶片尾缘的温度，并且均化了下游叶片进口气流温度分布，还改善了涡轮叶片气动性能。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施案例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种带有叶片波浪状凹陷尾缘半劈缝冷却结构的涡轮，包括机匣、轮毂，在机匣和轮毂之间且沿圆周方向均匀安装有叶片，其特征是：所述叶片尾缘设置有半劈缝冷却结构，所述半劈缝冷却结构包括尾缘压力边和尾缘吸力边，在尾缘压力边和尾缘吸力边的连接处并沿叶片高度方向设置有交错式喷气缝单元，尾缘吸力边还设置沿叶片高度方向间隔排列的呈波浪状的凹陷结构。
2.根据权利要求1所述的一种带有叶片波浪状凹陷尾缘半劈缝冷却结构的涡轮，其特征是：所述叶片尾缘吸力边端部形状为椭圆形。
3.根据权利要求1或2所述的一种带有叶片波浪状凹陷尾缘半劈缝冷却结构的涡轮，其特征是：所述尾缘交错式喷气缝单元的宽度小于当地叶片的厚度，其高度与宽度之比为3.5～4.5，且交错式喷气缝单元沿叶片高度方向设置有10～15个。
4.根据权利要求1或2所述的一种带有叶片波浪状凹陷尾缘半劈缝冷却结构的涡轮，其特征是：所述波浪状凹陷结构的波长为叶片尾缘吸力边厚度的6～10倍，且波浪状凹陷结构的波幅为叶片尾缘吸力边厚度的0.6～1.4倍。
5.根据权利要求3所述的一种带有叶片波浪状凹陷尾缘半劈缝冷却结构的涡轮，其特征是：所述波浪状凹陷结构的波长为叶片尾缘吸力边厚度的6～10倍，且波浪状凹陷结构的波幅为叶片尾缘吸力边厚度的0.6～1.4倍。
6.根据权利要求1或2所述的一种带有叶片波浪状凹陷尾缘半劈缝冷却结构的涡轮，其特征是：所述波浪状凹陷结构与叶片表面的交界处设置圆角。
7.根据权利要求3所述的一种带有叶片波浪状凹陷尾缘半劈缝冷却结构的涡轮，其特征是：所述波浪状凹陷结构与叶片表面的交界处设置圆角。
8.根据权利要求4所述的一种带有叶片波浪状凹陷尾缘半劈缝冷却结构的涡轮，其特征是：所述波浪状凹陷结构与叶片表面的交界处设置圆角。
9.根据权利要求5所述的一种带有叶片波浪状凹陷尾缘半劈缝冷却结构的涡轮，其特征是：所述波浪状凹陷结构与叶片表面的交界处设置圆角。
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