CN116537886B - 一种具有提高冷却效率的叶顶结构及叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有提高冷却效率的叶顶结构及叶片，包括形成在叶顶间隙泄漏流流动区域的凹槽，凹槽的内壁向叶片的中弧线倾斜，叶片的冷却孔的出口位于凹槽的内壁上，冷却孔输出的冷却工质的流向与泄漏流流动方向相同，将燕尾式凹槽和冷却孔结合，燕尾式凹槽抑制了压力侧角涡的形成，减少近压力面侧的换热系数；冷却孔将冷气直接吹出至叶顶高换热区域进行冲击冷却，冷气冲击冷却后在压差作用下向吸力面侧流动对壁面冷却，提升冷气利用率、均匀叶顶温度分布；另一方面，高速冷却射流形成近似周向肋结构，起到气动封严作用，抑制泄漏流向下游发展，减少叶顶泄漏量，提高了叶顶区域的气热特性，延长高压涡轮动叶的使用寿命并保障燃气涡轮安全有效地运行。

Description

一种具有提高冷却效率的叶顶结构及叶片

技术领域

本发明涉及燃气涡轮叶片冷却技术领域，具体为一种涡轮转子叶顶结构及叶片。

背景技术

近年来随着航空工业的迅速发展，航空发动机的各方面性能都面临着更高的要求，为了提高推重比和降低油耗，必须提高涡轮前进口温度来提高热效率，但这也给发动机的正常运行带来一系列严重的问题，涡轮进口温度的提高速度远远高于叶片材料耐温性能的发展速度，特别是对高压涡轮的第一级叶片，叶尖长期处于高温环境中会产生氧化和腐蚀现象，进而影响到叶片的性能与寿命。

凹槽叶顶结构可以有效减少泄露损失，目前在涡轮动叶叶顶上使用较多，现有的叶顶凹槽结构相比平叶顶可显著抑制动叶顶部的泄漏流，但是泄漏流会导致叶尖端区壁面产生较高的温度和热负荷，进而威胁到涡轮尖区的可靠性和寿命，为了防止涡轮叶片叶顶区域受到高温燃气侵腐，降低叶顶热负荷，提高叶片的使用寿命，必须使用有效的冷却措施对涡轮叶片进行保护。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种具有提高冷却效率的叶顶结构及叶片，通过在涡轮动叶顶部结构进行造型设计，可以有效减少叶顶泄漏造成的气动损失同时改善叶顶区域的换热特性，延长叶片的使用寿命，提高涡轮叶片的工作效率。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种具有提高冷却效率的叶顶结构，包括形成在叶顶间隙泄漏流流动区域的凹槽，凹槽自叶尖向叶尾延伸，凹槽的内壁自下而上向叶片的中弧线倾斜，叶片的冷却孔的出口位于凹槽的内壁上，冷却孔输出的冷却工质的流向与泄漏流流动方向相同，用于对凹槽底面进行冲击冷却。

优选的，所述凹槽的前端和后端为平面，并垂直与叶片的中弧线。

优选的，所述凹槽的压力侧或/和吸力侧内壁自下而上向叶片的中弧线倾斜。

优选的，所述冷却孔5的出口位于凹槽的压力侧或/和吸力侧内壁上。

优选的，所述凹槽的压力侧内壁自下而上向叶片的中弧线倾斜，凹槽的吸力侧内壁垂直与凹槽底面。

优选的，所述冷却孔设置在压力侧内壁上。

优选的，所述凹槽底面与侧壁的夹角为为15°～75°。

优选的，所述凹槽的上肩壁宽度为2～4G，凹槽的上肩壁宽度为0.5～1.5G，G为叶顶间隙高度。

9.一种叶片，其特征在于，该叶片的顶部设置有上述具有提高冷却效率的叶顶结构。

一种涡轮发动机，该涡轮发动机的转子叶片上设置有上述具有提高冷却效率的叶顶结构。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种具有提高冷却效率的叶顶结构，在叶片的叶顶间隙泄漏流流动区域设计凹槽，凹槽的内壁的上端向中弧线方向倾斜，同时将冷却孔的出口设置在凹槽的内壁上，使冷却工质的流向与泄漏流流动方向相同，该叶顶结构将燕尾式凹槽与冷却孔结合，凹槽的内壁抑制了压力侧角涡的形成，减少近压力面侧的换热系数，冷却孔可以将冷却工质直接输出至叶顶高换热区域进行冲击冷却，冷却工质冲击冷却后在压差作用下向吸力面侧流动对壁面冷却，提升冷却工质的利用率，能够均匀叶顶温度分布降低叶顶换热系数，同时，高速冷却射流形成近似周向肋结构，起到气动封严作用，抑制泄漏流向下游发展，减少叶顶泄漏量，提高了叶顶区域的气热特性；该叶顶结构能够抑制叶顶间隙泄漏流动和降低泄漏流量，并通过冷却射流冲击凹槽底面实现有效冷却效果，延长高压涡轮动叶的使用寿命并保障燃气涡轮安全有效地运行。

其次，凹槽前端和后端垂直与叶顶中弧线，使凹槽整体形成近似矩形结构阻断了凹槽腔室涡的发展，改善了叶顶中弦至尾缘处的换热特性。

附图说明

图1为本发明实施例1涡轮转子叶顶结构示意图；

图2为本发明实施例1涡轮转子叶顶结构俯视图；

图3为本发明实施例1涡轮转子叶顶结构右视图；

图4为本发明实施例1涡轮转子叶顶结构A-A截面剖视图。

图5为现有技术和本发明涡轮转子叶顶结构的三维流线对比图；(a)是常规气膜冷却叶顶的三维流线图，(b)是本发明叶顶的三维流线图。

图6为现有技术和本发明涡轮转子叶顶结构的气膜冷效分布对比图；(a)是常规气膜冷却叶顶的气膜冷效分布图，(b)是本发明叶顶的气膜冷效分布图。

图中：1-叶片，2-叶顶，3-凹槽底面，4-压力侧肩壁，5-冷却孔，6-吸力侧肩壁，7-凹槽前端，8-凹槽后端，9-涡轮机匣。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

一种具有提高冷却效率的叶顶结构，包括形成在叶片1内部的冷却孔，以及形成在叶顶2的凹槽，凹槽自叶尖向叶尾延伸，凹槽的压力侧或/和吸力侧内壁自下而上向叶片的中弧线倾斜，冷却孔5的出口位于凹槽的压力侧或/和吸力侧内壁上，冷却孔5输出的冷却工质的流向与泄漏流流动方向相同，用于对凹槽底面3进行冲击冷却。

所述凹槽前端7和凹槽后端8为平面并垂直叶片的中弧线，凹槽前端7靠近叶片的前缘，凹槽后端8靠近叶片的尾缘，凹槽自叶片的前缘向尾缘延伸，凹槽的长度为L为0.2～0.8C，凹槽的顶部肩壁宽度为2-4G，凹槽的底部肩壁宽度为0.5-1.5G，所述凹槽深度d1为0.5～1.5G，凹槽的内壁与凹槽底面的夹角α1为15°～75°，冷却孔的直径D1为0.8～1.5G。

其中，肩壁为凹槽侧壁至叶片吸力面或压力面的距离，G为叶顶间隙高度，即叶顶2至涡轮机匣之间的距离。

上述涡轮转子叶顶结构，在叶片的叶顶间隙泄漏流流动区域设计凹槽，凹槽自叶片的前缘并沿流向向尾缘延伸，凹槽的内壁的上端向中弧线方向倾斜，是凹槽的截面形成燕尾槽结构，同时将冷却孔的出口设置在凹槽的内壁上，使冷却工质的流向与泄漏流流动方向相同，冷却工质对凹槽底面进行冲击冷却，该叶顶结构将燕尾式凹槽与冷却孔结合，凹槽的内壁抑制了压力侧角涡的形成，减少近压力面侧的换热系数，冷却孔可以将冷却工质直接输出至叶顶高换热区域进行冲击冷却，冷却工质冲击冷却后在压差作用下向吸力面侧流动对壁面冷却，提升冷却工质的利用率，能够均匀叶顶温度分布降低叶顶换热系数，提高了叶顶区域的气热特性；其次，凹槽前端和后端垂直与叶顶中弧线，使凹槽整体形成近似矩形结构阻断了凹槽腔室涡的发展，改善了叶顶中弦至尾缘处的换热特性；另外，冷气孔合理的布局方式以及几何结构能够改变凹槽叶尖的气热特性，有效提高了涡轮转子的工作效率，提高了航空发动机的整体性能。

参阅图1-2，一种具有提高冷却效率的叶顶结构，包括设置在叶顶2的间隙泄漏流流动区域的凹槽，凹槽自叶片的前缘沿叶片的流向向尾缘延伸，凹槽的压力侧内壁自下而上向叶片的中弧线倾斜，凹槽的吸力侧垂直与凹槽底面3，凹槽前端7和凹槽后端8为平面，并其该平面垂直与叶片的中弧线。

参阅图3，所述叶片的内部设置有多个冷却孔5，冷却孔的入口位于叶根，冷却孔的出口设置在凹槽的压力测内壁上，冷却孔5输出的冷却工质的流向与泄漏流流动方向相同，用于对凹槽底面3进行冲击冷却。

所述冷却孔的数量为1-8个，并沿凹槽的压力测内壁间隔排布。

参阅图4，凹槽的长度为L为0.2～0.8C，凹槽的压力侧肩壁4的顶部宽度w1为2～4G，凹槽的压力侧肩壁4的底部宽度w2为0.5～1.5G，凹槽的吸力侧肩壁5的宽度w3为0.5～1.5G，所述凹槽深度d1为0.5～2G，凹槽的压力侧内壁与凹槽底面的夹角α1为15°～75°，冷却孔的直径D1为0.8～1.5G。

实施例1

一种具有提高冷却效率的叶顶结构，包括在叶顶设置的凹槽，凹槽的压力侧内壁自下而上向叶片的中弧线倾斜，凹槽的吸力侧垂直与凹槽底面3，凹槽前端7和凹槽后端8为平面，并其该平面垂直与叶片的中弧线；所述叶片的内部设置有3个冷却孔5，冷却孔的入口位于叶根，冷却孔的出口设置在凹槽的压力测内壁上，冷却孔5输出的冷却工质的流向与泄漏流流动方向相同，用于对凹槽底面3进行冲击冷却。

凹槽的长度为L为0.7C，压力侧的上肩壁和下肩壁的比为w1/w2＝3/2，凹槽的压力侧肩壁4的顶部宽度w1为3.0mm，凹槽的压力侧肩壁4的底部宽度w2为2mm，凹槽的吸力侧肩壁5的宽度w3为1mm，所述凹槽深度d1为1.5mm，凹槽的压力侧内壁与凹槽底面的夹角α1为30°，冷却孔的直径D1为1mm，叶顶间隙高度G为1mm，叶片弦长C为57mm。

本实施例中，压力侧燕尾槽上下肩壁宽度比为w1/w2＝3/2，冷却孔与凹槽底部的角度为30°，通过对压力侧的上下肩壁宽度比和冷却孔角度的不同设置形成的燕尾槽带冲击冷却结构，抑制了压力侧角涡的形成，降低近压力面侧的换热系数，减少热负荷；在压力侧肩壁的冷却孔将冷气喷出至凹槽底面进行冲击冷却，并且抑制叶顶前缘泄漏流的流动，改变腔室涡的形成，不仅对叶顶壁面进行冷却，还抑制了泄漏流，提升冷气利用率，改善了叶顶区域的气热特性。

参见图5所示，在本实施例中，将凹槽压力侧的内壁倾斜设置形成燕尾槽结构，并在该侧壁上设置冷却孔，该倾斜的内壁抑制了压力侧角涡的形成，减少近压力面侧的换热系数；在压力面侧燕尾槽肩壁上的冷却孔可以将冷气直接吹出至叶顶高换热区域进行冲击冷却，冲击冷却完冷气由压差作用向吸力面侧流动对壁面冷却，并且高速冷气射流形成近似周向肋结构抑制泄漏流向下游发展，有效控制叶顶泄漏造成的气动损失同时改善叶顶区域的换热特性，延长叶片的的使用寿命，提高涡轮叶片的工作效率。

数值模拟结果已初步证明了本发明的叶顶结构能够显著地降低了叶顶的热负荷(如图6所示)。

实施例2

一种具有提高冷却效率的叶顶结构，包括形成在叶片1内部的冷却孔，以及形成在叶顶2的凹槽，凹槽自叶尖向叶尾延伸，凹槽的压力侧和吸力侧内壁自下而上向叶片的中弧线倾斜；8个冷却孔均分设置在叶片的压力侧和吸力侧，并且冷却孔的出口均位于凹槽的压力侧内壁和吸力侧内壁上，压力侧内壁和吸力侧内壁上的冷却孔交错排布，冷却孔5输出的冷却工质的流向与泄漏流流动方向相同，用于对凹槽底面3进行冲击冷却。

在本实施例中，将凹槽的压力侧和吸力侧内壁自下而上向叶片的中弧线倾斜，并在内壁上设置冷却孔，该倾斜的内壁抑制了压力侧角涡和吸力测角涡的形成，凹槽内近压力面侧和吸力面侧的壁面换热系数减小；在压力侧内壁和吸力侧内壁上交错排布的冷却孔可以将冷气直接吹出至叶顶凹槽壁面进行冲击冷却，冷气大面积覆盖叶顶凹槽壁面并减少壁面热负荷，并且高速冷气射流形成近似周向肋结构抑制泄漏流向下游发展，有效控制叶顶泄漏造成的气动损失同时改善叶顶区域的换热特性，延长叶片的的使用寿命，提高涡轮叶片的工作效率。

实施例3

一种叶片，该叶片的顶部设置有上述叶顶结构。

实施例4

一种涡轮发动机，该涡轮发动机的转子叶片上设置有上述叶顶结构。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有提高冷却效率的叶顶结构，其特征在于，包括形成在叶顶间隙泄漏流流动区域的凹槽，凹槽自叶尖向叶尾延伸，所述凹槽的压力侧内壁自下而上向叶片的中弧线倾斜，凹槽的吸力侧内壁垂直与凹槽底面，叶片的冷却孔的出口设置在压力侧内壁上，冷却孔输出的冷却工质的流向与泄漏流流动方向相同，用于对凹槽底面进行冲击冷却；

所述凹槽的前端和后端为平面，并垂直与叶片的中弧线；

所述凹槽底面与压力侧内壁的夹角为15°~75°；

所述倾斜的内壁抑制了压力侧角涡的形成，减少近压力面侧的换热系数；在压力面侧燕尾槽肩壁上的冷却孔将冷气直接吹出至叶顶高换热区域进行冲击冷却，冲击冷却完冷气由压差作用向吸力面侧流动对壁面冷却，并且高速冷气射流形成近似周向肋结构抑制泄漏流向下游发展。

2. 根据权利要求1所述的一种具有提高冷却效率的叶顶结构，其特征在于，所述凹槽的压力侧肩壁顶部宽度为 2~4G，凹槽的压力侧肩壁底部宽度为 0.5~1.5G，G为叶顶间隙高度。

3.一种叶片，其特征在于，该叶片的顶部设置有权利要求1-2任一项所述的具有提高冷却效率的叶顶结构。

4.一种涡轮发动机，其特征在于，该涡轮发动机的转子叶片上设置有权利要求1-2任一项所述的一种具有提高冷却效率的叶顶结构。