[發(fā)明專利]基于雙喉道氣動矢量噴管的渦輪葉片尾緣冷卻結(jié)構(gòu)及其尾跡控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110434607.0
• 申請日: 2021-04-22
• 公開（公告）號: CN113107611B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曹明磊;徐驚雷;黃帥;俞凱凱;潘睿豐;張玉琪;成前
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 張寧馨

本發(fā)明公開了基于雙喉道氣動矢量噴管的渦輪葉片尾緣冷卻結(jié)構(gòu)，包括在渦輪葉片尾緣位置處，內(nèi)部還設(shè)有雙喉道氣動矢量噴管，該矢量噴管的一喉道的兩側(cè)對稱設(shè)置有兩個次流通道，其中一個次流通道靠近葉盆側(cè)，另外一個次流通道靠近葉背側(cè)；本發(fā)明還公開了基于雙喉道氣動矢量噴管的渦輪葉片尾緣冷卻結(jié)構(gòu)的尾跡控制方法，包括：首先關(guān)閉第一閥門和第二閥門，高壓冷氣作為主流進(jìn)入噴管進(jìn)口；然后，打開第一閥門或者打開第二閥門，通過閥門控制控制矢量噴管射流的角度，達(dá)到尾跡不同程度的控制效果，從而減小非定常尾跡對葉片葉膜冷卻效率的影響。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及渦輪葉片尾緣冷卻技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及基于雙喉道氣動矢量噴管的渦輪葉片尾緣冷卻結(jié)構(gòu)及其尾跡控制方法。

背景技術(shù)

隨著航空燃?xì)廨啓C(jī)效率的提高以及對發(fā)動機(jī)推重比和耗油率的要求，渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟炔粩嗵岣撸浦乇葹?0的航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟纫呀?jīng)將近2000K,比高壓渦輪葉片金屬材料的熔點高400K。針對現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)高溫渦輪氣冷葉片的冷卻，現(xiàn)在基本上已形成了由內(nèi)部冷卻和外部冷卻以及熱障涂層防護(hù)組成的葉片冷卻方案。葉片的內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，針對葉片不同的冷卻部位，可分為內(nèi)表面的沖擊冷卻和內(nèi)部通道的對流換熱冷卻。

針對氣膜冷卻，動葉的冷卻技術(shù)更為復(fù)雜：一方面，動靜葉相對運動時，上游靜葉尾緣產(chǎn)生的尾跡在葉柵通道中的發(fā)展和演變伴隨著強(qiáng)烈的非定常效應(yīng)，在非定常尾跡影響下，渦輪葉片吸力面和壓力面附近的流場會發(fā)生改變，使得氣膜射流具有一定的波動特征，影響葉片壁面的氣膜冷卻效率，這屬于尾跡的直接影響；另一方面，尾跡影響下主流的湍流度大幅增強(qiáng)，加強(qiáng)了冷熱流體的分離摻混，這屬于尾跡的間接影響。同時，周期性尾跡對下游氣膜冷卻效果的影響并不是一個單向的結(jié)果，在不同的情況下有時會提高氣膜的冷卻效率，有時降低氣膜的冷卻效率。因此，要控制渦輪葉片尾跡的非定常性。

渦輪尾緣冷卻是渦輪葉片冷卻設(shè)計的難題之一，主要是因為渦輪葉片尾緣厚度薄，熱負(fù)荷僅次于葉片前緣，可利用的內(nèi)冷卻空間非常有限；冷卻空氣先用于葉片前緣和弦長中區(qū)域，之后流經(jīng)尾緣排出，此時冷卻空氣的溫度升高，尾緣的冷卻效率下降?，F(xiàn)階段通常采用擾流柱方式或交叉肋對渦輪葉片尾緣進(jìn)行強(qiáng)化換熱，但是這種冷卻方式會大大增強(qiáng)尾跡的非定常性,從而影響氣膜冷卻的效率。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供基于雙喉道氣動矢量噴管的渦輪葉片尾緣冷卻結(jié)構(gòu)及其尾跡控制方法，實現(xiàn)尾緣冷卻以及尾跡流動可調(diào)可控。

為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明將采取以下的技術(shù)方案：

基于雙喉道氣動矢量噴管的渦輪葉片尾緣冷卻結(jié)構(gòu)，包括渦輪葉片本體，所述渦輪葉片本體整體呈弧形狀，具有葉盆側(cè)和葉背側(cè)，所述渦輪葉片內(nèi)部中空具有葉片中區(qū)，所述渦輪葉片本體的兩側(cè)設(shè)有多個氣膜孔，連通外部與所述葉片中區(qū)；在所述渦輪葉片本體的尾緣位置處，其內(nèi)部還設(shè)有所述雙喉道氣動矢量噴管，所述雙喉道氣動矢量噴管通過導(dǎo)管引入高壓冷氣，其中，

所述雙喉道氣動矢量噴管包括噴管本體，所述噴管本體的內(nèi)流道按照流體流向依次設(shè)置有：噴管進(jìn)口、一喉道前部等直段、一喉道前部收斂段、一喉道、二喉道前部擴(kuò)張段、二喉道前部收斂段和噴管出口；在所述一喉道的兩側(cè)對稱設(shè)置有兩個次流通道，其中一個次流通道靠近所述葉盆側(cè)，另外一個次流通道靠近葉背側(cè)；

所述導(dǎo)管包括主流導(dǎo)管和次流導(dǎo)管，所述主流導(dǎo)管連通所述渦輪葉片的葉片中區(qū)與所述噴管進(jìn)口，將壓氣機(jī)的高壓冷氣引入所述葉片中區(qū)的內(nèi)流道中，所述次流導(dǎo)管連通所述兩個次流通道，將壓氣機(jī)的高壓冷氣引入所述噴管本體的內(nèi)流道中；

連通所述葉背側(cè)次流通道的次流導(dǎo)管上設(shè)有第一閥門，用以控制該側(cè)次流通道的開關(guān)與閉合；連通所述葉盆側(cè)次流通道的次流導(dǎo)管上設(shè)有第二閥門，用以控制該側(cè)次流通道的開關(guān)與閉合。

進(jìn)一步的，所述噴管出口與所述渦輪葉片尾緣出口截面的相對位置及其幾何參數(shù)需要進(jìn)行仔細(xì)設(shè)計。詳細(xì)步驟如下：