[發明專利]一種應用于渦輪葉片尾緣半劈縫的雙導流肋導流結構

有效

• 申請號: 202011467794.4
• 申請日: 2020-12-14
• 公開（公告）號: CN112459852B
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發明（設計）人: 黃維娜;唐潤澤;李海旺;陶智;由儒全
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18
• 代理公司: 北京君有知識產權代理事務所(普通合伙) 11630
• 代理人: 焦麗雅

本發明涉及一種應用于渦輪葉片尾緣半劈縫的雙導流肋導流結構及導流方法，所述結構包括葉片尾緣壓力面、葉片尾緣吸力面、尾緣半劈縫壁面、劈縫下游壁面、分隔肋、雙導流肋。渦輪葉片壓力面靠近尾緣處切除一部分壁面后與分隔肋形成多個尾緣半劈縫結構，冷卻氣體從出口流出后在半劈縫壁面和下游壁面形成冷卻氣膜，隔絕高溫主流燃氣，降低壁面溫度。通過將雙導流肋布置在半劈縫下游壁面對冷卻氣膜產生擾流作用，顯著減弱半劈縫下游氣膜分布不均勻性，提升冷卻氣膜展向覆蓋效果和冷卻效率，實現尾緣最高溫度和溫度梯度的降低。本發明在半劈縫下游壁面布置雙導流肋結構，具有結構簡單，加工方便，冷卻效果好的特點，可應用于各種渦輪葉片尾緣半劈縫結構。

技術領域

本發明屬于燃氣輪機渦輪葉片冷卻技術領域，具體來說，涉及一種應用于渦輪葉片尾緣半劈縫的雙導流肋導流結構。

背景技術

燃氣渦輪發動機是一種基于布雷頓循環的熱動力裝置，依靠其強大的輸出功率和高熱效率已廣泛應用于現代軍事和工業。經驗表明，在發動機尺寸不變的前提下，渦輪進口溫度每提高56K，燃氣輪機的推力可增加8-13%，循環效率可提高2-4%。目前先進航空發動機的渦輪前溫度已經超過2000K，而渦輪葉片材料的耐溫極限卻遠小于渦輪進口溫度，因此必須采用高效冷卻技術以保證其正常工作。渦輪葉片尾緣兩側均受到主流影響，對流換熱強度高，是除了前緣外熱負荷最高的區域。此外，為了保證渦輪葉片的氣動性能，尾緣結構狹小，布置冷卻結構的空間有限。因此，尾緣區域是渦輪葉片上冷卻設計重難點區域，高效冷卻技術對于降低尾緣溫度和保證渦輪葉片正常工作十分重要。

渦輪葉片尾緣區域一般采用內部通道進行冷卻，同時通道內布置擾流柱和肋，以強化換熱和增加結構強度。內部通道冷卻通常需要一定的壁面厚度，而尾緣的氣動設計卻要求的盡量薄的壁厚。單純的內部冷卻方式不足以保證葉片尾緣正常工作，因此渦輪葉片尾緣部分還在內部通道冷卻的基礎上引入了離散孔氣膜冷卻、全劈縫以及半劈縫三種典型的冷卻。其中半劈縫結構是將葉片尾緣壓力面一側部分壁面切除，將內部通道的冷氣引入切除后的壁面上形成冷卻氣膜，從而在實現尾緣厚度減薄、氣動性能提升的同時兼具良好的冷卻性能。此外，半劈縫結構在實際應用中會將內部通道的肋結構向尾緣延伸，在半劈縫表面形成分隔肋結構，保證其結構強度。目前，半劈縫結構是渦輪葉片廣泛采用的冷卻結構，也是渦輪葉片尾緣冷卻技術研究熱點之一。已有研究表明，帶有間隔肋的半劈縫結構會在下游區域出現氣膜分布不均勻的現象，氣膜冷卻效率下降也較快，這可能會導致半劈縫下游區域最高溫度以及溫度梯度的上升，相應的熱應力增加，進而破壞尾緣結構。因此，發展和改進尾緣半劈縫冷卻結構，在不增加冷氣用量的前提下提升半劈縫下游區域的氣膜冷卻效率和分布均勻度，對于進一步提升航空發動機性能是十分必要和有意義的。

中國發明專利申請公開CN107013254A 披露了一種帶有球面凸塊的渦輪葉片尾緣擾流半劈縫冷卻結構，將球面凸塊結構應用于半劈縫壁面，在不增加氣膜出流量的前提下，通過擾流結構提高氣膜對流換熱系數以及換熱面積、增強半劈縫氣膜冷卻的對流換熱強度，從而提高葉片尾緣的綜合冷卻效果。但是，該方案的冷卻結構無法改善半劈縫下游區域的冷卻氣膜展向覆蓋效果和冷卻效率，且在半劈縫壁面形成多個球面凸塊結構的工藝復雜，加工難度較大，不利于降低成本。

現有技術1：中國發明專利申請公開CN107013254A 披露了一種帶有球面凸塊的渦輪葉片尾緣擾流半劈縫冷卻結構，將球面凸塊結構應用于半劈縫壁面，在不增加氣膜出流量的前提下，通過擾流結構提高氣膜對流換熱系數以及換熱面積、增強半劈縫氣膜冷卻的對流換熱強度，從而提高葉片尾緣的綜合冷卻效果。但是，該方案的冷卻結構無法改善半劈縫下游區域的冷卻氣膜展向覆蓋效果和冷卻效率，且在半劈縫壁面形成多個球面凸塊結構的工藝復雜，加工難度較大，不利于降低成本。