[發明專利]渦輪葉片尾緣針肋冷卻結構及冷卻方法、渦輪葉片

有效

• 申請號: 202011288789.7
• 申請日: 2020-11-17
• 公開（公告）號: CN112392550B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發明（設計）人: 饒宇;梁策
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發明提供了一種渦輪葉片尾緣針肋冷卻結構，包括導向針肋，導向針肋成列布置在渦輪葉片尾緣針肋上，形成多列導向針肋組；相鄰導向針肋組的導向針肋交錯設置；或者相鄰導向針肋組的導向針肋順排設置；導向針肋的指向與橫向方向之間具有β角度；當冷卻空氣進入渦輪葉片根部，導向針肋按照β角度向尾緣底部偏轉導流，渦輪葉片頂部的導向針肋向渦輪葉片底部方向偏轉導流；從渦輪葉片底部到渦輪葉片頂部，導向針肋的偏轉角度逐漸變大。本發明通過渦輪葉片尾緣設置帶有流動導向的針肋冷卻結構，并且導向針肋按偏轉角度排布布置在尾緣內部冷卻通道中，解決了現有葉片尾緣內部冷卻性能不佳、傳熱分布不合理的問題及尾緣劈縫氣膜冷卻出流狀況不佳的問題。

技術領域

本發明涉及渦輪葉片冷卻技術領域，具體地，涉及一種渦輪葉片尾緣針肋冷卻結構及冷卻方法、渦輪葉片。

背景技術

現有的航空發動機和燃氣輪機渦輪葉片尾緣內部采用針肋陣列冷卻結構和尾緣劈縫出流的氣膜冷卻結構。渦輪葉片尾緣內部冷卻通道由渦輪葉片壓力側壁面和吸力側壁面，以及針肋陣列冷卻結構構成，針肋陣列結構布置在壓力側壁面和吸力側壁面之間。針肋在冷卻通道內擾動邊界層流動，增強了壁面傳熱性能，并增加了傳熱面積，從而為渦輪葉片內部提供增強的對流冷卻。冷卻空氣經過針肋冷卻通道后，從尾緣出氣孔流出，并在尾緣劈縫外表面形成氣膜冷卻。增強渦輪葉片內部冷卻傳熱性能和提高外部氣膜冷卻性能有利于減少渦輪葉片冷卻空氣的用量，這有利于提高航空發動機和燃氣輪機的熱效率。另一方面，為滿足渦輪葉片長壽命的要求，還需要渦輪葉片內部冷卻結構提供盡可能均勻的傳熱與冷卻性能。

對于渦輪葉片尾緣內部冷卻，冷卻空氣從渦輪葉片底部內部供氣。冷卻空氣沿葉高方向(徑向)流動，并橫向分配流量流過針肋陣列冷卻結構。渦輪葉片沿橫向方向(向尾緣方向)逐漸變薄，這導致橫向方向上內部冷卻氣流加速流動；而徑向方向上氣流減速流動，并且沿徑向方向氣流壓力逐漸增大。

然而現有技術的不足之處在于，渦輪葉片頂部離葉片根部較遠，冷卻空氣從葉片根部內部送入，冷卻空氣不斷從側向尾緣劈縫流出。徑向上冷卻空氣不斷被加熱，因此葉頂附近的冷卻空氣的冷卻能力降低，因此渦輪葉片頂部是難以冷卻區域，并且由于冷卻性能的不足會在渦輪壁面上產生熱斑，這將縮短渦輪葉片壽命，導致葉片頂部燒蝕損壞。因此，持續改善渦輪葉片尾緣冷卻性能，對于提高渦輪發動機壽命和可靠性具有重要意義。

現有技術中的渦輪葉片尾緣內部布置有針肋陣列結構，針肋20截面形狀通常為圓型，并且針肋通常均勻地布置，如圖3所示，100為冷卻空氣從葉片根部進氣方向，101為冷卻氣流在針肋之間流阻較小的傾斜流動方向。由于101方向流阻小，氣流受到的擾動也小，傳熱性能較低。尾緣針肋陣列中冷卻流動為傾斜流動101，并從葉片尾緣劈縫出氣孔14流出，以及在葉片尾緣劈縫形成氣膜冷卻。針肋這種傾斜流動101擾動較小，既不利于尾緣內部針肋擾流強化傳熱與冷卻性能，也不利于尾緣劈縫產生均勻的氣膜出流102，從而產生較低的尾緣劈縫壁面12氣膜冷卻。

尾緣內部冷卻氣流傾斜流動101受劈縫肋13作用，會在尾緣劈縫出氣孔14形成流動分離和旋渦103，從而影響尾緣劈縫表面氣膜流動均勻性和氣膜冷卻性能。

另外，由于尾緣內部傾斜流動101，在尾緣頂部的三角區域15產生流動滯止以及大面積的低速回流區，使該區域冷卻/傳熱性能變差，也容易在該區域積聚冷卻空氣中的細微灰塵，進一步惡化傳熱性能。

葉片尾緣中冷卻氣流傾斜流過針肋陣列中的通道，從尾緣劈縫流出。這導致尾緣內部流動狀況不合理，傳熱性能不高以及分布不合理；尾緣劈縫出氣孔易形成流動分離導致流動堵塞，使尾緣內冷流阻變大；并造成尾緣劈縫出流不均勻，導致尾緣劈縫表面12氣膜冷卻性能降低。