一种带有阵列针肋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CN107035421A(43)申请公布日2017.08.11(21)申请号201710403746.0(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)发明人刘存良谢刚叶林魏建生朱惠人(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)发明名称一种带有阵列针肋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阵列针肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，将阵列针肋应用于半劈缝壁面，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。带有连续阵列针肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，是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，冷却气流从冷流出口中喷射出覆盖在尾缘劈缝壁面上形成冷却气膜，结构简单；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。在半劈缝壁面布置直肋结构，具有良好的传热特性和较好的加工可实施性。CN107035421ACN107035421A权利要求书1/1页1.一种带有阵列针肋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、阵列针肋，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；所述阵列针肋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错排排布或顺排排布；所述阵列针肋的针肋柱高h与冷气出流缝高度s比值为0.1～0.5，针肋柱截面直径D与针肋柱高h的比值为0.5～2，流向间距x与针肋柱截面直径D的比值为1.5～5，展向间距y与针肋柱截面直径D的比值为1.5～5。2.根据权利要求1所述的带有阵列针肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，其特征在于:所述阵列针肋由若干针肋柱组成，阵列针肋为等高阵列或梯级阵列。3.根据权利要求1所述的带有阵列针肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，其特征在于:所述阵列针肋的排数和列数根据半劈缝壁面的流向长度L、阵列针肋的流向间距x、展向间距y确定。2CN107035421A说明书1/4页一种带有阵列针肋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，涉及一种带有阵列针肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构。背景技术[0002]提高涡轮进口温度是提高燃气轮机推力和效率的有效途径，但涡轮进口温度的提高会使得涡轮叶片承受更大的热负荷，过高的温度和热应力可能导致涡轮叶片无法正常工作。现代燃气轮机设计的进口温度已远远超过了所用材料的耐温极限，因此必须采用复杂的冷却技术来保证涡轮在高温的条件下正常运转。而涡轮叶片的尾缘处往往是高温部位，也最容易受热腐蚀而损坏，其冷却结构的设计难度更为突出，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。因此设计高效的尾缘气膜冷却结构是保证涡轮叶片稳定工作的重要措施。[0003]在专利CN203214109U中公开了“一种涡轮叶片尾缘冷却结构”，该结构通过对高温燃气涡轮发动机涡轮叶片尾缘采用双列排气缝冷却结构，在叶片尾缘实现外表面气膜冷却和内表面强迫对流冷却的复合冷却结构，从而解决叶片尾缘壁面温度偏高的技术问题。虽然该结构采用复合冷却来改善涡轮叶片尾缘冷却问题，但是从涡轮叶片气动性能的角度来看，在强度允许的条件下，叶片尾缘厚度应尽量地薄，以减小涡轮叶片的尾迹损失。受加工工艺的约束，该种双列排气缝冷却结构要求涡轮叶片尾缘必须有足够的厚度才可以实现。[0004]在文献“涡轮叶片尾缘劈缝气膜冷却特性实验研究”(《工程热物理学报》，2016年，第37期，1988页—1993页)中，采用热色液晶瞬态传热测量，研究了直肋和倒斜角肋两种不同的分隔肋结构对尾缘层板冷却结构劈缝气膜冷却特性的影响，虽然其结论表示叶片尾缘半劈缝的气膜冷效受到分隔肋的形状的影响，但是随着航空发动机燃气温度的不断提高，传统半劈缝结构的冷却能力逐渐地趋于极限，高压涡轮叶片尾缘烧蚀现象时常出现在叶片尾缘的吸力面侧，因此发展和创新涡轮叶片尾缘高