[發明專利]一種渦輪葉片尾緣折線式排氣劈縫結構

有效

• 申請號: 201911197946.0
• 申請日: 2019-11-29
• 公開（公告）號: CN110748384B
• 公開（公告）日: 2021-11-05
• 發明（設計）人: 呂東;周亦胄;王曉放;孔星傲;王楠
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉;戴風友

本發明屬于航空發動機渦輪冷卻技術領域，涉及一種渦輪葉片尾緣折線式排氣劈縫結構。一種渦輪葉片尾緣折線式排氣劈縫結構，包括空心渦輪葉片、內腔冷氣通道、尾緣排氣劈縫通道和尾緣劈縫隔肋；所述空心渦輪葉片內部設有內腔冷氣通道，供低溫冷卻氣體在葉片內部流動，對葉片進行冷卻。空心渦輪葉片尾緣設有并排排列的尾緣劈縫隔肋，并排排列的尾緣劈縫隔肋之間形成尾緣排氣劈縫通道。本發明通過將尾緣排氣劈縫設計成傾斜折線式排氣，減小冷卻氣在劈縫內的轉折角，且冷氣由一次轉折變為兩次或多次轉折，從而減小葉片內腔冷氣流動阻力和損失，可以使流阻減小約19％。

技術領域

本發明屬于航空發動機渦輪冷卻技術領域，涉及一種渦輪葉片尾緣折線式排氣劈縫結構。

背景技術

提高渦輪前燃氣溫度可以大幅提高航空發動機和燃氣輪機的效能，但當前渦輪前燃氣溫度已遠遠超出所用材料所能承受的極限，故發展更為有效的渦輪葉片冷卻技術十分迫切。目前對于渦輪葉片普遍采用中空設計，并利用冷卻氣在其內部的強化對流換熱帶走熱量以及排出葉片時形成氣膜覆蓋隔絕燃氣加熱，是渦輪葉片冷卻問題的主要解決手段，同時要求葉片“內部換熱面積更大”、“冷氣流動阻力更小”、“換熱效率更高”、“氣膜覆蓋面積更大”、“對結構強度破壞更小”等是葉片冷卻設計的重點和所追求的目標。

渦輪葉片的尾緣區域，同時受到葉片盆側和背側兩方面燃氣的加熱，加之結構上較薄難以形成中空冷卻結構，因此是葉片中較難冷卻的區域，同時也是在工作中壁面溫度較高和容易發生燒蝕的區域，是葉片冷卻設計中需要重點解決的難題。目前葉片尾緣冷卻常采用半開的水平排氣劈縫結構，該結構可以把葉片內部冷卻通道中沿徑向流動的冷氣轉成沿弦向，在通道壁面和肋結構處形成強化對流冷卻后，再從葉片盆側邊緣的窄縫(稱為劈縫)中排出，并對尾緣局部形成氣膜覆蓋隔絕燃氣的加熱，典型的結構如圖1所示，其基本特征為劈縫水平排氣。此類尾緣劈縫冷卻結構具有較大的流動阻力、較低的冷卻效果，同時也有對葉片結構強度有一定的破壞。

發明內容

針對現有水平排氣尾緣劈縫冷卻技術存在的不足，提供了一種渦輪葉片尾緣折線式排氣劈縫結構，通過將渦輪葉片尾緣劈縫設計為折線式排氣結構，可以有效減小冷卻氣轉折角度、減少流動阻力和損失、增加氣膜覆蓋面積、降低葉片溫度水平，提高結構抗載荷能力，改善葉片鑄造工藝性。

本發明的技術方案：

一種渦輪葉片尾緣折線式排氣劈縫結構，包括空心渦輪葉片、內腔冷氣通道、尾緣排氣劈縫通道和尾緣劈縫隔肋；

所述空心渦輪葉片內部設有內腔冷氣通道，供低溫冷卻氣體在葉片內部流動，對葉片進行冷卻。空心渦輪葉片尾緣設有并排排列的尾緣劈縫隔肋，并排排列的尾緣劈縫隔肋之間形成尾緣排氣劈縫通道，以供冷卻氣排出葉片，同時對葉片尾緣進行氣膜覆蓋冷卻。尾緣劈縫隔肋的結構除了可以增大葉片內部換熱面積以外，還對葉片內腔冷卻氣進行導向，使其流動方向發生轉折。

所述尾緣劈縫隔肋的結構形成折線的形狀，其形狀由隔肋中心線控制，所述隔肋中心線由至少兩條角度不同的線段相連構成，且其中至少一段相對于水平面傾斜，尾緣劈縫隔肋的寬度沿隔肋中心線對稱分布。相連接的傾斜線段在空心渦輪葉片的冷氣入口端和出口端與水平面夾角分別為入射角∠A1和出射角∠A2，兩個角度的關系為∠A1∠A2，冷氣進入尾緣劈縫之后的流動方向與進入尾緣劈縫之前的流動方向之間的夾角即冷氣轉折角∠A小于90°。

進一步的，所述的入射角∠A1可以為15～45°，出射角∠A2可以為0～30°，此時冷氣轉折角∠A為90°-∠A1。

原有結構中，如圖1所示，隔肋中心線為水平直線，冷氣在尾緣劈縫中進/出氣角∠A1和∠A2均為0°，此時冷氣轉折角∠A約為90°，轉折角度過大導致流動損失較大，以及氣膜覆蓋面積較小和對強度破壞較大。而在本發明方案中，當隔肋中心線為傾斜折線后，冷氣在尾緣劈縫中進氣角∠A1為銳角，則冷氣轉折角也相應的變為銳角，且對于折線式通道，冷氣由原來的一次轉折變為兩次或多次轉折，每次的轉折角度更小，大大減小了流動阻力和損失，同時也會有更好的氣膜覆蓋效果和尾緣空心結構抗載荷能力。