一种带有球面凹坑的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN107269319A(43)申请公布日2017.10.20(21)申请号201710403602.5(22)申请日2017.06.01(71)申请人西北工业大学地址710072陕西省西安市友谊西路127号(72)发明人刘存良何超王瑞东魏建生朱惠人(74)专利代理机构西北工业大学专利中心61204代理人陈星(51)Int.Cl.F01D5/18(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图4页(54)发明名称一种带有球面凹坑的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构(57)摘要本发明公开了一种带有球面凹坑的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，通过在叶片尾缘压力面切除部分壁面，保留叶片尾缘吸力面一侧的壁面与间隔的分隔肋形成多个半劈缝结构，球面凹坑设置在半劈缝壁面。该半劈缝冷却结构对于叶片尾缘压力面是气膜冷却，对于叶片尾缘吸力面则是内部冷却；冷气膜既要隔绝叶片尾缘压力面的燃气对尾缘区域的加热，还要吸收叶片尾缘吸力面的燃气通过尾缘壁导入的热量。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冷却效果。半劈缝冷却结构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。CN107269319ACN107269319A权利要求书1/1页1.一种带有球面凹坑的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，包括叶片尾缘吸力面、叶片尾缘压力面、尾缘半劈缝壁面、分隔肋、球面凹坑，其特征在于:在叶片尾缘压力面切除部分壁面，保留叶片尾缘吸力面一侧的壁面与间隔的分隔肋形成多个半劈缝结构，半劈缝结构的唇板厚度t与冷气出流缝高度s的比值为0.2～1.5，半劈缝倾斜角为0～15°,冷却气流从冷流出口中喷射出覆盖在尾缘半劈缝壁面上形成冷却气膜；所述球面凹坑均布设置在冷流出口部位的尾缘半劈缝壁面，且位于两个分隔肋之间成错排排布或顺排排布；所述球面凹坑深度h与尾缘壁厚度δ比值为0.1～0.5，球面凹坑直径D与深度h的比值为0.5～2，流向间距x与直径D的比值为1.5～5，展向间距y与直径D的比值为1.5～5。2.根据权利要求1所述的带有球面凹坑的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，其特征在于:所述球面凹坑的排数和列数根据半劈缝壁面的流向长度L、球面凹坑的流向间距x、展向间距y确定。2CN107269319A说明书1/4页一种带有球面凹坑的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构技术领域[0001]本发明属于燃气轮机涡轮叶片冷却技术领域，具体地说，涉及一种带有球面凹坑的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构。背景技术[0002]涡轮叶片的尾部往往是高温部位，也最容易受热腐蚀而损坏，是冷却较为困难的区域之一。主要原因是叶片后部燃气侧流动往往已发展为湍流，使该部位外表面的换热强度很大，同时叶片吸力面的气膜冷却往往在前部，对后部产生的影响已经很小，在叶片内部，冷却气体经途中吸热到达尾部时温度也相对较高，冷却作用也相对较小。因此，叶片尾缘冷却结构是整体涡轮叶片冷却结构设计的关键技术之一。从空气动力学的角度来看，作为涡轮叶片的尾缘部分，其设计应该尽可能的薄，将叶片尾缘压力面切去一块材料，切去的材料将内部的冷却通道暴露出来形成一条缝隙，使得空气喷射在尾缘的劈缝处形成冷却气膜，形成尾缘半劈缝的结构。这种结构不但减少了尾缘的气动损失，满足气动设计的要求，同时也满足了冷却技术的发展要求。[0003]半劈缝冷却结构对于尾缘压力面是气膜冷却，对于尾缘吸力面则是内部冷却，冷气膜一方面要隔绝压力面侧燃气对尾缘的加热，一方面还要吸收吸力面侧燃气通过尾缘壁导入的热量。因此尾缘吸力面侧壁温高于半劈缝壁面温度，而尾缘的综合冷却效果也就主要取决于吸力面壁温的降低程度。南京航空航天大学的李廷斌在文献“不同结构扰流柱对叶片尾缘气膜冷却的影响”中研究了不同结构的扰流柱对叶片尾缘气膜冷却传热的影响规律，设计了圆型、椭圆型、水滴I型、水滴II和水滴III型等5种不同几何结构的扰流柱，研究结果表明：对于同种类型和排型的扰流柱，在相同的吹风比下，叶片尾缘气膜冷却效率随射流缝高度的减小而增大；对于不同扰流柱，在相同的射流缝高度和吹风比下，水滴型扰流柱叶片尾缘的气膜冷却效率均高于圆型和椭圆型扰流柱叶片尾缘的冷却效率。但是其对气膜冷却的研究仅限于针对涡轮叶片的压力面，而目前压力面的气膜冷却效率已高达近0.98，即接近极限，其并没有对吸力面侧的高温情况提出解决方案。因此发展和创新涡轮叶片尾缘高效冷却结构，在不增加冷气用量的基础上进一步提升冷却效果，避免现有技术中尾缘冷却结构的设计阶段忽略了对吸力面的影响、气动性能以及加工工艺，对于先进高性能航空发动机的研制是非常有必要和有意义的。发明内容[0004]为了避