[發明專利]一種尾緣帶有肋上貫穿縫的渦輪導葉結構

有效

• 申請號: 202110391292.6
• 申請日: 2021-04-13
• 公開（公告）號: CN113107607B
• 公開（公告）日: 2023-05-26
• 發明（設計）人: 劉存良;葉林;許衛疆;劉海涌;朱安冬
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 云燕春

本發明提出了一種尾緣帶有肋上貫穿縫的渦輪導葉結構，通過在分隔肋上開貫穿縫，當冷卻氣流在通過出流縫以后，部分冷卻氣可以通過分隔肋上的貫穿縫對分隔肋內部進行冷卻，在不增加冷氣流量的情況下同時增強了分隔肋內壁面與側壁面的對流換熱強度，提高尾緣的綜合冷卻效果；優選貫穿縫為斜縫，冷卻氣流在經過分隔肋時，在分隔肋影響下產生的冷氣渦強度會有所減弱，有助于削弱唇板脫落渦與冷氣渦流的相互作用，提高分隔肋表面的氣膜冷卻效率。本發明設計合理，結構簡單，在分隔肋側壁面上開設斜縫，不僅具有良好的傳熱與冷卻特性，且具有較好的加工一體性，更具可實施性。

技術領域

本發明屬于燃氣輪機渦輪葉片冷卻技術領域，具體地說，涉及一種尾緣帶有肋上貫穿縫的渦輪導葉結構。

背景技術

航空發動機長期工作在高溫高壓的惡劣工況下，為使其持續可靠長壽命工作，除了加快研發新材料外，需對其熱端部件如渦輪葉片進行有效的冷卻。尾緣作為葉片典型的高溫部位，因為氣動設計的要求，尾緣通常設計得很薄，如何在非常狹小的空間內進行高效地冷卻是其冷卻設計的主要難題，因此尾緣也是最容易受熱腐蝕而損壞的部位。渦輪葉片尾緣氣膜冷卻特性的研究是近幾年來燃氣輪機高溫部件冷卻技術研究中的熱點之一，尾緣劈縫結構設計等研究已逐漸成為研究者關注的焦點。

分隔肋，作為尾緣半劈縫的重要結構，可以保持唇板上主流流動的連續性，減少氣動損失。專著“高溫透平葉片的傳熱與冷卻”(西安交通大學出版社，172頁-180頁)中對比了分隔肋分別為直肋、倒斜角肋、倒圓角肋和收縮型肋時的劈縫表面冷卻效率與換熱系數，其研究發現收縮型肋相比其他肋結構可以在一定程度上削弱唇板脫落渦對劈縫表面氣膜的影響，得到更優的冷卻效率與換熱系數分布。但一方面由于分隔肋向后方的延伸強化了對縫出口冷氣的整流作用，使得冷氣難以向肋上方擴散；另一方面分隔肋的存在會使肋側壁面附近產生流動角渦，它與唇板脫落渦會產生相互作用，這兩方面的共同影響使得分隔肋表面氣膜冷卻效率偏低，導致分隔肋表面溫度較高，進而引發葉片尾緣部位燒蝕。因此發展和創新渦輪葉片尾緣高效冷卻結構，進一步提升冷卻效果，對于先進高性能航空發動機的研制是非常有必要和有意義的。

中國發明專利申請公開CN111502771A披露了一種帶有狹縫直肋的尾緣半劈縫冷卻結構，通過在劈縫表面上布置狹縫直肋，提高對流換熱系數和換熱面積，同時狹縫對冷卻氣流具有一定導流作用，減少肋前后產生的渦對劈縫表面氣膜冷卻效率的影響。但這樣的帶狹縫的直肋結構相當于是對普通擾流直肋的改進，僅對擾流直肋附近冷卻氣流的流動特性進行優化，并未考慮分隔肋附近的冷流渦及對其的冷卻。

因此，如何設計一種不增加冷氣流量的同時可以改善分隔肋的冷卻及換熱，并且具有加工簡單、生產成本低的特點的葉片結構，是亟需解決的問題。

發明內容

針對現有技術中尾緣冷卻結構的設計階段忽略了對分隔肋的冷卻，對尾緣近吸力面側的冷卻不夠完善導致分隔肋表面的冷卻效率較低的問題，本發明提出一種尾緣帶有肋上貫穿斜縫的渦輪導葉結構。

本發明的技術方案為：

一種尾緣帶有肋上貫穿縫的渦輪導葉結構，在渦輪葉片尾緣區域設置有尾緣半劈縫結構，所述尾緣半劈縫結構是將渦輪葉片尾緣壓力面的部分壁面切去，只保留吸力面一側的壁面以及若干分隔肋；

其特征在于：在分隔肋與半劈縫壁面接觸的底部具有若干側向貫穿分隔肋的貫穿縫，貫穿縫將分隔肋兩側尾緣半劈縫表面空間連通。

進一步的，半劈縫尾緣冷卻結構的冷氣出流縫高度h₁的取值范圍為0.3～0.8mm，尾緣冷氣出流縫寬度l₁與尾緣冷氣出流縫高度h₁比值范圍在3～10之間；相鄰兩個尾緣冷氣出流縫的展向間距p₁的取值范圍為1.8～4.8mm；所述半劈縫結構的唇板厚度t與冷氣出流縫高度h₁的比值在0.2至1.5之間，半劈縫傾斜角在0°至15°之間。