一种带有球面凹坑的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构制造技术

本发明专利技术公开了一种带有球面凹坑的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，通过在叶片尾缘压力面切除部分壁面，保留叶片尾缘吸力面一侧的壁面与间隔的分隔肋形成多个半劈缝结构，球面凹坑设置在半劈缝壁面。该半劈缝冷却结构对于叶片尾缘压力面是气膜冷却，对于叶片尾缘吸力面则是内部冷却；冷气膜既要隔绝叶片尾缘压力面的燃气对尾缘区域的加热，还要吸收叶片尾缘吸力面的燃气通过尾缘壁导入的热量。在不增加气膜出流量的前提下，通过扰流结构提高气膜对流换热系数以及换热面积、增强半劈缝气膜冷却的对流换热强度，从而提高叶片尾缘的冷却效果。半劈缝冷却结构有效地降低吸力面的最高温度和平均温度，避免涡轮叶片的吸力面高温烧蚀。

A semi splitting cooling structure of trailing edge of turbine blade with spherical dimple

The invention discloses a spherical pit turbine blade diffuser slot cooling structure in the blade surface pressure through the removal of part of the wall, keep separate rib blade trailing edge side of the suction surface of the wall and spaced to form a plurality of slot structure, spherical pits arranged in the slot the wall. The slot film cooling cooling structure is for the trailing edge of the blade pressure to the trailing edge of the blade suction surface is the internal cooling air film; both from the trailing edge of the blade pressure surface of the trailing edge of the gas heating, but also absorb the gas through the suction side of the blade trailing edge trailing edge wall into the heat. No increase in film flow under the premise of the turbulent flow structure of the heat exchange coefficient of film and improve the convection heat transfer area, enhance the half split seam gas film cooling convection heat transfer intensity, so as to improve the cooling effect of the blade trailing edge. The semi split cooling structure effectively reduces the maximum temperature and the average temperature of the suction surface, and avoids the high temperature ablation of the suction surface of the turbine blade.

【技术实现步骤摘要】
一种带有球面凹坑的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构
本专利技术属于燃气轮机涡轮叶片冷却
，具体地说，涉及一种带有球面凹坑的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构。
技术介绍
涡轮叶片的尾部往往是高温部位，也最容易受热腐蚀而损坏，是冷却较为困难的区域之一。主要原因是叶片后部燃气侧流动往往已发展为湍流，使该部位外表面的换热强度很大，同时叶片吸力面的气膜冷却往往在前部，对后部产生的影响已经很小，在叶片内部，冷却气体经途中吸热到达尾部时温度也相对较高，冷却作用也相对较小。因此，叶片尾缘冷却结构是整体涡轮叶片冷却结构设计的关键技术之一。从空气动力学的角度来看，作为涡轮叶片的尾缘部分，其设计应该尽可能的薄，将叶片尾缘压力面切去一块材料，切去的材料将内部的冷却通道暴露出来形成一条缝隙，使得空气喷射在尾缘的劈缝处形成冷却气膜，形成尾缘半劈缝的结构。这种结构不但减少了尾缘的气动损失，满足气动设计的要求，同时也满足了冷却技术的发展要求。半劈缝冷却结构对于尾缘压力面是气膜冷却，对于尾缘吸力面则是内部冷却，冷气膜一方面要隔绝压力面侧燃气对尾缘的加热，一方面还要吸收吸力面侧燃气通过尾缘壁导入的热量。因此尾缘吸力面侧壁温高于半劈缝壁面温度，而尾缘的综合冷却效果也就主要取决于吸力面壁温的降低程度。南京航空航天大学的李廷斌在文献“不同结构扰流柱对叶片尾缘气膜冷却的影响”中研究了不同结构的扰流柱对叶片尾缘气膜冷却传热的影响规律，设计了圆型、椭圆型、水滴I型、水滴II和水滴III型等5种不同几何结构的扰流柱，研究结果表明：对于同种类型和排型的扰流柱，在相同的吹风比下，叶片尾缘气膜冷却效率随射流缝高度的减小而增大；对于不同扰流柱，在相同的射流缝高度和吹风比下，水滴型扰流柱叶片尾缘的气膜冷却效率均高于圆型和椭圆型扰流柱叶片尾缘的冷却效率。但是其对气膜冷却的研究仅限于针对涡轮叶片的压力面，而目前压力面的气膜冷却效率已高达近0.98，即接近极限，其并没有对吸力面侧的高温情况提出解决方案。因此发展和创新涡轮叶片尾缘高效冷却结构，在不增加冷气用量的基础上进一步提升冷却效果，避免现有技术中尾缘冷却结构的设计阶段忽略了对吸力面的影响、气动性能以及加工工艺，对于先进高性能航空发动机的研制是非常有必要和有意义的。
技术实现思路
为了避免现有技术存在的不足，本专利技术提出一种带有球面凹坑的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构；该结构将球面凹坑设置在半劈缝壁面，在不增加气膜出流量的前提下，通过扰流结构提高气膜对流换热系数以及换热面积、增强半劈缝气膜冷却的对流换热强度，从而提高叶片尾缘的综合冷却效果。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是:包括叶片尾缘吸力面、叶片尾缘压力面、尾缘半劈缝壁面、分隔肋、球面凹坑，其特征是在叶片尾缘压力面切除部分壁面，保留叶片尾缘吸力面一侧的壁面与间隔的分隔肋形成多个半劈缝结构，半劈缝结构的唇板厚度t与冷气出流缝高度s的比值为0.2～1.5，半劈缝倾斜角为0～15°,冷却气流从冷流出口中喷射出覆盖在尾缘半劈缝壁面上形成冷却气膜；所述球面凹坑均布设置在冷流出口部位的尾缘半劈缝壁面，且位于两个分隔肋之间成错排排布或顺排排布；所述球面凹坑深度h与尾缘壁厚度δ比值为0.1～0.5，球面凹坑直径D与深度h的比值为0.5～2，流向间距x与直径D的比值为1.5～5，展向间距y与直径D的比值为1.5～5。所述球面凹坑的排数和列数根据半劈缝壁面的流向长度L、球面凹坑的流向间距x、展向间距y确定。有益效果本专利技术提出的一种带有球面凹坑的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，通过在叶片尾缘压力面切除部分壁面，保留叶片尾缘吸力面一侧的壁面与间隔的分隔肋形成多个半劈缝结构，球面凹坑布设在半劈缝壁面。该半劈缝冷却结构对于叶片尾缘压力面是气膜冷却，对于叶片尾缘吸力面则是内部冷却，冷气膜既要隔绝叶片尾缘压力面的燃气对尾缘区域的加热，还要吸收叶片尾缘吸力面的燃气通过尾缘壁导入的热量；在不增加气膜出流量的前提下，通过扰流结构提高气膜对流换热系数以及换热面积、增强半劈缝气膜冷却的对流换热强度，从而提高叶片尾缘的综合冷却效果。带有球面凹坑的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，设计合理，结构简单，有效地降低吸力面的最高温度和平均温度，解决了涡轮叶片的吸力面高温烧蚀的问题。在半劈缝壁面布设简单的球面凹坑结构，不仅具有良好的传热特性，且具有较好的加工可实施性。扰流半劈缝冷却结构可应用于各种涡轮叶片中。附图说明下面结合附图和实施方式对本专利技术一种带有球面凹坑的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构作进一步详细说明。图1为本专利技术带有球面凹坑的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构轴测图。图2为本专利技术带有球面凹坑的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构俯视图。图3为本专利技术图2的A-A剖视图。图4为应用于航空发动机涡轮叶片示意图。图5为二维尾缘半劈缝传热模型示意图。图6为扰流半劈缝冷却结构与常规尾缘半劈缝结构的半劈缝壁面的展向平均气膜冷却效率对比曲线。图7为扰流半劈缝冷却结构与常规尾缘半劈缝结构的半劈缝壁面的展向平均换热系数对比曲线。图中:1.叶片尾缘压力面2.分隔肋3.尾缘半劈缝壁面4.球面凹坑5.冷流出口6.叶片尾缘吸力面7.冷流入口8.尾缘区域具体实施方式本实施例是一种带有球面凹坑的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构。参阅图1～图5，本实施例带有球面凹坑的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构应用于航空发动机涡轮叶片，该扰流半劈缝冷却结构应用在涡轮叶片的尾缘区域8，由叶片尾缘吸力面6、叶片尾缘压力面1、尾缘半劈缝壁面3、分隔肋2、球面凹坑4、冷流出口5、冷流入口7组成；其中，在叶片尾缘压力面1切除部分壁面，保留叶片尾缘吸力面一侧的壁面与间隔的分隔肋2形成多个半劈缝结构；半劈缝结构的唇板厚度t与冷气出流缝高度s的比值为0.2～1.5，半劈缝倾斜角为0～15°,冷却气流从冷流出口5中喷射出覆盖在尾缘半劈缝壁面3上形成冷却气膜。球面凹坑4均布设置在冷流出口部位的尾缘半劈缝壁面3，且位于两个分隔肋2之间成错排排布或顺排排布。球面凹坑4深度h与尾缘壁厚度δ比值为0.1～0.5，球面凹坑4直径D与深度h的比值为0.5～2，流向间距x与直径D的比值为1.5～5，展向间距y与直径D的比值为1.5～5。球面凹坑4的排数和列数根据半劈缝壁面的流向长度L、球面凹坑的流向间距x、展向间距y确定。本实施例中，来自叶片内部冷却腔的冷却气流从冷流入口7进入尾缘区域8，从冷流出口5中沿尾缘劈缝壁面3吹出，并与叶片尾缘压力面1的高温主流混合，在对应的尾缘劈缝壁面3形成冷却气膜。通过在尾缘劈缝壁面3上布置球面凹坑4，使得该区域的冷却气膜发生流动、分离、再附，壁面扰流结构对半劈缝气膜射流的近壁流动结构产生影响，改变尾缘表面的对流换热强度。半劈缝冷却结构对于叶片尾缘压力面1是气膜冷却，对于叶片尾缘吸力面6则是内部冷却，冷气膜一方面要隔绝叶片尾缘压力面1的燃气对尾缘区域8的加热，一方面还要吸收叶片尾缘吸力面6的燃气通过尾缘壁导入的热量。通过扰流结构提高气膜对流换热系数以及换热面积、增强半劈缝气膜冷却的对流换热强度，从而提高尾缘的综合冷却效果。在图6和图7中,分别对扰流半劈缝冷却结构与常规尾缘半劈缝结构的半劈缝壁面的展向平均气膜冷却效率和换热系数进行了对比，两者在相同条件下进行模拟本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带有球面凹坑的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，包括叶片尾缘吸力面、叶片尾缘压力面、尾缘半劈缝壁面、分隔肋、球面凹坑，其特征在于:在叶片尾缘压力面切除部分壁面，保留叶片尾缘吸力面一侧的壁面与间隔的分隔肋形成多个半劈缝结构，半劈缝结构的唇板厚度t与冷气出流缝高度s的比值为0.2～1.5，半劈缝倾斜角为0～15°,冷却气流从冷流出口中喷射出覆盖在尾缘半劈缝壁面上形成冷却气膜；所述球面凹坑均布设置在冷流出口部位的尾缘半劈缝壁面，且位于两个分隔肋之间成错排排布或顺排排布；所述球面凹坑深度h与尾缘壁厚度δ比值为0.1～0.5，球面凹坑直径D与深度h的比值为0.5～2，流向间距x与直径D的比值为1.5～5，展向间距y与直径D的比值为1.5～5。

【技术特征摘要】
1.一种带有球面凹坑的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，包括叶片尾缘吸力面、叶片尾缘压力面、尾缘半劈缝壁面、分隔肋、球面凹坑，其特征在于:在叶片尾缘压力面切除部分壁面，保留叶片尾缘吸力面一侧的壁面与间隔的分隔肋形成多个半劈缝结构，半劈缝结构的唇板厚度t与冷气出流缝高度s的比值为0.2～1.5，半劈缝倾斜角为0～15°,冷却气流从冷流出口中喷射出覆盖在尾缘半劈缝壁面上形成冷却气膜；所述球面凹坑均布设置在冷流出...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘存良，何超，王瑞东，魏建生，朱惠人，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61