CN112523810B - 一种应用于涡轮叶片尾缘半劈缝的三角柱型导流结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于涡轮叶片尾缘半劈缝的三角柱型导流结构及导流方法，所述结构包括叶片尾缘压力面、叶片尾缘吸力面、尾缘半劈缝壁面、劈缝下游壁面、分隔肋、三角柱型导流结构。涡轮叶片压力面靠近尾缘处切除一部分壁面后与分隔肋形成多个尾缘半劈缝结构，冷却气体从出口流出后在半劈缝壁面和下游壁面形成冷却气膜，隔绝高温主流燃气，降低壁面温度。通过将三角柱型导流结构布置在半劈缝下游壁面对冷却气膜产生扰流作用，显著减弱半劈缝下游气膜分布不均匀性，提升冷却气膜展向覆盖效果和冷却效率，实现尾缘最高温度和温度梯度的降低。本发明在半劈缝下游壁面布置三角柱型导流结构，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半劈缝结构。

Description

一种应用于涡轮叶片尾缘半劈缝的三角柱型导流结构

技术领域

本发明属于燃气轮机涡轮叶片冷却技术领域，具体来说，涉及一种应用于涡轮叶片尾缘半劈缝的三角柱型导流结构。

背景技术

燃气涡轮发动机是一种基于布雷顿循环的热动力装置，依靠其强大的输出功率和高热效率已广泛应用于现代军事和工业。经验表明，在发动机尺寸不变的前提下，涡轮进口温度每提高56K，燃气轮机的推力可增加8-13%，循环效率可提高2-4%。目前先进航空发动机的涡轮前温度已经超过2000K，而涡轮叶片材料的耐温极限却远小于涡轮进口温度，因此必须采用高效冷却技术以保证其正常工作。涡轮叶片尾缘两侧均受到主流影响，对流换热强度高，是除了前缘外热负荷最高的区域。此外，为了保证涡轮叶片的气动性能，尾缘结构狭小，布置冷却结构的空间有限。因此，尾缘区域是涡轮叶片上冷却设计重难点区域，高效冷却技术对于降低尾缘温度和保证涡轮叶片正常工作十分重要。

涡轮叶片尾缘区域一般采用内部通道进行冷却，同时通道内布置扰流柱和肋，以强化换热和增加结构强度。内部通道冷却通常需要一定的壁面厚度，而尾缘的气动设计却要求的尽量薄的壁厚。单纯的内部冷却方式不足以保证叶片尾缘正常工作，因此涡轮叶片尾缘部分还在内部通道冷却的基础上引入了离散孔气膜冷却、全劈缝以及半劈缝三种典型的冷却。其中半劈缝结构是将叶片尾缘压力面一侧部分壁面切除，将内部通道的冷气引入切除后的壁面上形成冷却气膜，从而在实现尾缘厚度减薄、气动性能提升的同时兼具良好的冷却性能。此外，半劈缝结构在实际应用中会将内部通道的肋结构向尾缘延伸，在半劈缝表面形成分隔肋结构，保证其结构强度。目前，半劈缝结构是涡轮叶片广泛采用的冷却结构，也是涡轮叶片尾缘冷却技术研究热点之一。已有研究表明，带有间隔肋的半劈缝结构会在下游区域出现气膜分布不均匀的现象，气膜冷却效率下降也较快，这可能会导致半劈缝下游区域最高温度以及温度梯度的上升，相应的热应力增加，进而破坏尾缘结构。因此，发展和改进尾缘半劈缝冷却结构，在不增加冷气用量的前提下提升半劈缝下游区域的气膜冷却效率和分布均匀度，对于进一步提升航空发动机性能是十分必要和有意义的。

中国发明专利申请公开CN107013254A 披露了一种带有球面凸块的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，将球面凸块结构应用于半劈缝壁面，在不增加气膜出流量的前提下，通过扰流结构提高气膜对流换热系数以及换热面积、增强半劈缝气膜冷却的对流换热强度，从而提高叶片尾缘的综合冷却效果。但是，该方案的冷却结构无法改善半劈缝下游区域的冷却气膜展向覆盖效果和冷却效率，且在半劈缝壁面形成多个球面凸块结构的工艺复杂，加工难度较大，不利于降低成本。

现有技术1：中国发明专利申请公开CN107013254A 披露了一种带有球面凸块的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，将球面凸块结构应用于半劈缝壁面，在不增加气膜出流量的前提下，通过扰流结构提高气膜对流换热系数以及换热面积、增强半劈缝气膜冷却的对流换热强度，从而提高叶片尾缘的综合冷却效果。但是，该方案的冷却结构无法改善半劈缝下游区域的冷却气膜展向覆盖效果和冷却效率，且在半劈缝壁面形成多个球面凸块结构的工艺复杂，加工难度较大，不利于降低成本。

现有技术2：中国发明专利申请公开CN107060893A 披露了一种带有V型肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，通过在半劈缝壁面布置V型肋结构产生强化传热效果，在不增加气膜出流量的前提下，通过扰流结构提高气膜对流换热系数以及换热面积、增强半劈缝气膜冷却的对流换热强度，从而提高叶片尾缘的综合冷却效果；冷却气流从出流缝中喷射出覆盖在半劈缝壁面上形成冷却气膜，有效地降低吸力面的最高温度和平均温度，避免涡轮叶片的吸力面高温烧蚀。但是，该方案的冷却结构同样不能提升半劈缝下游区域的冷却气膜展向覆盖效果和冷却效率，且在每个半劈缝壁面形成多个V型肋结构同样不利于简化工艺、降低成本。

上述现有技术用于涡轮叶片尾缘半劈缝内部叶片壁面，这部分叶片壁面全部在气膜的覆盖下。上述现有技术的作用机理是通过扰流结构增强壁面处的对流换热系数及换热面积，从而增加上游流出的气膜与叶片壁面的换热量来实现降低这部分壁面温度的目的。但是，对于涡轮叶片尾缘半劈缝下游叶片壁面，这部分叶片壁面由于上游半劈缝肋的阻挡作用存在部分叶片壁面没有气膜覆盖的情况。

综上可知，如何设计一种对冷却气膜产生扰流作用，显著减弱半劈缝下游气膜分布不均匀性，提升冷却气膜展向覆盖效果和冷却效率，实现尾缘最高温度和温度梯度的降低，并且结构简单，加工方便，冷却效果好的半劈缝导流结构，是本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明针对以上问题，提供一种应用于涡轮叶片尾缘半劈缝的三角柱型导流结构,包括叶片尾缘压力面、叶片尾缘吸力面、尾缘半劈缝壁面、尾缘半劈缝下游壁面、分隔肋、三角柱型导流结构，其特征在于：

切除所述叶片尾缘压力面靠近尾缘处部分壁面，通过所述分隔肋与所述叶片尾缘吸力面一侧的壁面连接，所述分隔肋整体位于所述叶片尾缘吸力面一侧的壁面的上方，所述分隔肋的一部分位于所述叶片尾缘压力面一侧的壁面下方，所述分隔肋的另一部分向尾缘延伸，所述分隔肋延伸不超过所述叶片尾缘吸力面一侧的壁面尾缘部分，所述分隔肋一端、所述叶片尾缘压力面一侧的壁面、所述叶片尾缘吸力面一侧的壁面形成了冷气进口，所述分隔肋延伸部分与所述叶片尾缘吸力面一侧的壁面形成多个尾缘半劈缝，壁面冷却气流从所述冷气进口进入并在下游的尾缘半劈缝壁面形成冷却气膜；所述三角柱型导流结构包括连续设置的多个等腰三角形结构，对应于每个所述尾缘半劈缝设置一个等腰三角形结构；所述三角柱型导流结构布置在尾缘半劈缝壁面与尾缘半劈缝下游壁面的交界处。

作为上述技术方案的进一步改进：等腰三角形顶角方向与冷气流动方向相反，相邻的三角柱型导流结构相互连接。

作为上述技术方案的进一步改进：所述尾缘半劈缝壁面与叶片尾缘压力面的夹角为0°～15°。

作为上述技术方案的进一步改进：所述叶片尾缘压力面与所述叶片尾缘吸力面之间的壁面冷却气流出流缝高度为D，所述尾缘半劈缝壁面宽度为W，所述三角柱型导流结构在尾缘半劈缝出口的宽度x与尾缘半劈缝壁面的宽度W的比值为0.6～0.9。

作为上述技术方案的进一步改进：所述等腰三角形顶角为90°～120°。

作为上述技术方案的进一步改进：所述三角柱型导流结构在尾缘半劈缝出口的宽度x，是指所述三角柱型导流结构与尾缘半劈缝壁面重叠部分的宽度。

作为上述技术方案的进一步改进：所述尾缘半劈缝壁面宽度W为8mm，所述壁面冷却气流出流缝高度D为4mm，所述三角柱型导流结构4的顶角为90°，高h为0.8mm，所述三角柱型导流结构在劈缝出口的宽度x为6.3mm。

本发明还提供一种应用于涡轮叶片尾缘半劈缝的三角柱型导流方法，其采用如上所述的应用于涡轮叶片尾缘半劈缝的三角柱型导流结构，将来自涡轮叶片内部通道的冷却气流从冷气入口进入，从冷气出口流出并沿着尾缘半劈缝壁面的表面和尾缘半劈缝下游壁面流动，形成冷却气膜，将来自叶片尾缘压力面（1）的高温主流与壁面隔离，保护尾缘结构不受高温主流侵蚀。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明用于涡轮叶片尾缘半劈缝下游叶片壁面，这部分叶片壁面由于上游半劈缝肋的阻挡作用存在部分叶片壁面没有气膜覆盖的情况。本发明的作用机理是通过导流结构增加气膜在半劈缝下游叶片壁面的覆盖面积，从而降低叶片表面气体的平均温度来实现降低这部分壁面温度的目的。本发明通过在半劈缝下游壁面布置三角柱型导流结构，对半劈缝下游气膜进行引导和扰流作用，增加气膜展向流动，有利于气膜展向覆盖面积并增加冷却效率,本发明的三角柱型导流结构，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半劈缝结构。

附图说明

图1为本发明的轴测图。

图2为本发明的俯视图。

图3为本发明的右视图。

图4为本发明图2的A-A剖视图。

图5为带三角柱型导流结构的半劈缝与常规尾缘半劈缝下游不同流向距离处的展向气膜冷却效率分布曲线。

图6为带三角柱型导流结构的半劈缝与现有技术1、2的半劈缝下游不同流向距离处的展向气膜冷却效率分布曲线。

图7为带三角柱型导流结构的半劈缝与常规尾缘半劈缝下游壁面的展向平均气膜冷却效率对比曲线。

图8为带三角柱型导流结构的半劈缝与现有技术1、2的半劈缝下游壁面的展向平均气膜冷却效率对比曲线。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

结合附图1-4，本实施例提供了一种应用于涡轮叶片尾缘半劈缝的三角柱型导流结构，包括叶片尾缘压力面1、叶片尾缘吸力面6、分隔肋2、尾缘半劈缝壁面3、冷气进口8、冷气出口7、尾缘半劈缝下游壁面5、三角柱型导流结构4；其中，在叶片尾缘压力面1切除部分壁面，保留叶片尾缘吸力面6一侧壁面与冷气通道延伸出来的分隔肋2形成多个半劈缝结构，壁面冷却气流从冷气出口7流出后覆盖尾缘半劈缝壁面3形成冷却气膜，冷却气膜流过尾缘半劈缝壁面3后，继续覆盖尾缘半劈缝下游壁面5。

所述三角柱型导流结构4布置在尾缘半劈缝壁面3与尾缘半劈缝下游壁面5的交界处,包括连续设置的多个等腰三角形结构，对应于每个所述尾缘半劈缝设置一个等腰三角形结构，等腰三角形顶角为90°～120°，顶角方向与冷气流动方向相反，相邻的三角柱型导流结构相互连接或保留较小的缝隙。

所述尾缘半劈缝壁面3与叶片尾缘压力面1的夹角为0°～15°。

所述叶片尾缘压力面1与所述叶片尾缘吸力面6之间的壁面冷却气流出流缝高度为D，所述尾缘半劈缝壁面3宽度为W，所述三角柱型导流结构4在尾缘半劈缝出口的宽度x与尾缘半劈缝壁面3的宽度W的比值为0.6～0.9。

所述三角柱型导流结构4在尾缘半劈缝出口的宽度x，是指所述三角柱型导流结构4与尾缘半劈缝壁面3重叠部分的宽度。

本实施例中，来自涡轮叶片内部通道的冷却气流从冷气入口8进入，从冷气出口7流出并沿着尾缘半劈缝壁面3表面和尾缘半劈缝下游壁面5流动，形成冷却气膜，将来自叶片尾缘压力面1的高温主流与壁面隔离，保护尾缘结构不受主流侵蚀。由于分隔肋的存在，冷却气膜流过尾缘半劈缝壁面3进入尾缘半劈缝下游壁面5后，会产生分布不均匀的现象，可能会导致尾缘半劈缝下游壁面5表面温度以及温度梯度过高。通过在尾缘半劈缝壁面3和尾缘半劈缝下游壁面5交界处布置三角柱型导流结构4，改变冷却气膜的流动结构，使冷却气膜具有更强的展向流动，减弱分隔肋引起的气膜覆盖不均匀现象，改善尾缘半劈缝下游的冷却效果。

在本实施例中，所述尾缘半劈缝壁面3宽度W为8mm，所述壁面冷却气流出流缝高度D为4mm，所述三角柱型导流结构4的顶角为90°，高h为0.8mm，所述三角柱型导流结构4在尾缘半劈缝出口的宽度X为6.3mm。为了保证结果可比性，两种半劈缝结构的流动条件完全一致，几何结构差别仅在尾缘半劈缝壁面3与尾缘半劈缝下游壁面5交界处是否布置三角柱型导流结构4。

为验证本发明的有效性，对分别采用中国发明专利申请公开CN107013254A所示的球面突起扰流结构，中国发明专利申请公开CN107060893A所示的V型肋扰流结构，本实施例中的三角柱型导流结构和无扰流结构的4种叶片尾缘半劈缝下游壁面冷却效率进行了计算。计算过程使用UG建模，ICEM生成非结构化网格，使用CFX求解器求解。计算得到的展向气膜冷却效率分别如图5-图8所示。

图5对比了带本实施例中的三角柱型导流结构的半劈缝和常规尾缘半劈缝的下游壁面5的不同流向（图2的M方向）位置的展向（图2的N方向）气膜冷却效率η分布。图6对比了带本实施例的三角柱型导流结构的半劈缝，带中国发明专利申请公开CN107013254A所示球面凸起扰流结构的半劈缝和带中国发明专利申请公开CN107060893A所示V型肋扰流结构的半劈缝的下游壁面5的不同流向位置的展向气膜冷却效率分布。横坐标表示展向方向的距离，纵坐标表示气膜冷却效率。可以看到，在M/D=5和M/D=15这两个流向位置处，带有本实施例的三角柱型导流结构的半劈缝下游壁面的气膜覆盖效率最高且沿周向分布最均匀。充分说明了本发明的有效性和优越性。

图7对比了带本实施例的三角柱型导流结构的半劈缝和常规尾缘半劈缝的下游壁面5沿流向（图2中的M方向）的展向（图2的N方向）平均气膜冷却效率η分布。图8对比了带本实施例的三角柱型导流结构的半劈缝，带中国发明专利申请公开CN107013254A所示球面凸起扰流结构的半劈缝和带中国发明专利申请公开CN107060893A所示V型肋扰流结构的半劈缝的下游壁面5沿流向的展向平均气膜冷却效率分布。横坐标表示流向方向的距离，纵坐标表示展向平均气膜冷却效率。可以看到带有本实施例的三角柱形导流结构的半劈缝下游壁面不同流向位置的绝大部分中具有最高的展向平均气膜冷却效率，气膜冷却效率提升超过200%。充分说明了本发明的有效性和优越性。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种应用于涡轮叶片尾缘半劈缝的三角柱型导流结构，包括叶片尾缘压力面（1）、叶片尾缘吸力面（6）、尾缘半劈缝壁面（3）、尾缘半劈缝下游壁面（5）、分隔肋（2）、三角柱型导流结构（4），其特征在于：切除所述叶片尾缘压力面（1）靠近尾缘处部分壁面，通过所述分隔肋（2）与所述叶片尾缘吸力面（6）一侧的壁面连接，所述分隔肋（2）整体位于所述叶片尾缘吸力面（6）一侧的壁面的上方，所述分隔肋（2）的一部分位于所述叶片尾缘压力面（1）一侧的壁面下方，所述分隔肋（2）的另一部分向尾缘延伸，所述分隔肋（2）延伸不超过所述叶片尾缘吸力面（6）一侧的壁面尾缘部分，所述分隔肋（2）一端、所述叶片尾缘压力面（1）一侧的壁面、所述叶片尾缘吸力面（6）一侧的壁面形成了冷气进口（8），所述分隔肋（2）延伸部分与所述叶片尾缘吸力面（6）一侧的壁面形成多个尾缘半劈缝，壁面冷却气流从所述冷气进口（8）进入并在下游的尾缘半劈缝壁面（3）形成冷却气膜；所述三角柱型导流结构（4）布置在尾缘半劈缝壁面（3）与尾缘半劈缝下游壁面（5）的交界处；所述三角柱型导流结构（4）包括连续设置的多个等腰三角形结构，对应于每个所述尾缘半劈缝设置一个等腰三角形结构。

2.根据权利要求1所述的一种应用于涡轮叶片尾缘半劈缝的三角柱型导流结构，其特征在于：等腰三角形顶角方向与冷气流动方向相反，相邻的三角柱型导流结构相互连接。

3.根据权利要求1所述的一种应用于涡轮叶片尾缘半劈缝的三角柱型导流结构，其特征在于：所述尾缘半劈缝壁面（3）与叶片尾缘压力面（1）的夹角为0°～15°。

4.根据权利要求2或3所述的一种应用于涡轮叶片尾缘半劈缝的三角柱型导流结构，其特征在于：所述叶片尾缘压力面（1）与所述叶片尾缘吸力面（6）之间的壁面冷却气流出流缝高度为D，所述尾缘半劈缝壁面（3）宽度为W，所述三角柱型导流结构（4）在尾缘半劈缝出口的宽度x与尾缘半劈缝壁面（3）的宽度W的比值为0.6～0.9。

5.根据权利要求2所述的一种应用于涡轮叶片尾缘半劈缝的三角柱型导流结构，其特征在于：所述等腰三角形顶角为90°～120°。

6.根据权利要求4所述的一种应用于涡轮叶片尾缘半劈缝的三角柱型导流结构，其特征在于：所述三角柱型导流结构（4）在尾缘半劈缝出口的宽度x，是指所述三角柱型导流结构（4）与尾缘半劈缝壁面（3）重叠部分的宽度。

7.根据权利要求4所述的一种应用于涡轮叶片尾缘半劈缝的三角柱型导流结构，其特征在于：所述尾缘半劈缝壁面（3）宽度W为8mm，所述壁面冷却气流出流缝高度D为4mm，所述三角柱型导流结构（4）的顶角为90°，高h为0.8mm，所述三角柱型导流结构（4）在尾缘半劈缝出口的宽度x为6.3mm。

8.一种应用于涡轮叶片尾缘半劈缝的三角柱型导流方法，其采用如权利要求1-7任一项所述的应用于涡轮叶片尾缘半劈缝的三角柱型导流结构，其特征在于：来自涡轮叶片内部通道的冷却气流从冷气入口（8）进入，从冷气出口（7）流出并沿着尾缘半劈缝壁面（3）的表面和尾缘半劈缝下游壁面（5）流动，形成冷却气膜，将来自叶片尾缘压力面（1）的高温主流与壁面隔离，保护尾缘结构不受高温主流侵蚀。

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