【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于涡轮叶片冷却相关，更具体地，涉及一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片。
技术介绍
1、涡轮作为燃气轮机和航空发动机的关键部件之一，工业应用极为广泛。由于重型燃气轮机尺寸较大、工作温度相对较低，本专利技术主要针对航空发动机的涡轮叶片展开。为提高航空发动机输出的净功和热效率，涡轮前进口温度不断上升，研究表明，涡轮前进口温度每提高56k，航空发动机的推力可提高约8～13％，循环效率可提高2～4％。目前主流航空发动机涡轮前温度已超过2000k并将持续提高，已突破材料的耐高温极限。
2、为提高涡轮叶片工作可靠性及使用寿命，发展先进的冷却技术，进一步强化叶片冷却性能极为重要。当前的叶片冷却技术主要可分为内部冷却、外部冷却和热障涂层材料三类。其中，内部冷却是涡轮叶片冷却技术中最先应用也是采用较多的一类，主要依靠在叶片内冷通道中增设扰流结构来增强流体扰动，强化对流换热。
3、现有涡轮叶片冷却技术虽可在一定程度上提高冷却性能，但仍明显存在以下不足：
4、(1)当前提高冷却性能的途径绝大多数为强化对流换热，未对辐射换热进行充分利用。由于涡轮叶片长期承受极高的热载荷，辐射对于换热过程的影响不可忽略。
5、(2)常规内冷通道为单层通道形式，受通道结构的影响，无法针对前后缘面间换热差距对通道流量进行调控。
6、(3)由于涡轮叶片运行于高速旋转工况下，旋转引起的科氏力使得内冷通道内冷却工质形成二次流，导致冷却工质整体明显向后缘面偏移，使得冷却工质与后缘面间的对流换热增强，与前缘面间的对
7、因此，如何实现辐射换热的有效利用，并对内冷通道内流量调控，从而提高换热均匀性和温度均匀性、降低温度梯度造成的热应力，强化叶片内冷通道冷却性能，显得尤为重要。
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片，以解决涡轮叶片内冷通道壁面换热能力不足、换热不均匀和温度不均匀的问题，强化叶片内冷通道的整体冷却性能。
2、为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片，该涡轮叶片中内冷通道被分为从前缘面到后缘面的三个平行内冷子通道，该三个内冷子通道分为两个初级子通道和一个次级子通道。其中，所述初级子通道包括前缘侧初级子通道和后缘侧初级子通道，所述前缘侧初级子通道的构成面之一为所述旋转涡轮叶片的前缘面，所述后缘侧初级子通道的构成面之一为所述旋转涡轮叶片的后缘面，所述次级子通道位于所述旋转涡轮叶片的内冷通道中心，即两个所述初级子通道之间，其构成面不包含涡轮叶片的前缘面和后缘面。
3、进一步优选地，所述前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的流量按需调控。各子通道的流量比满足下列条件：
4、
5、
6、
7、其中，分别为前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的冷却工质流量，为两级内冷通道中冷却工质的总流量。
8、进一步优选地，所述前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的高度满足下列关系：
9、
10、
11、
12、其中，h前、h后、h中分别为前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的高度，h总为两级内冷通道的总高度。
13、进一步优选地，所述前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的壁面上设置有扰流肋。
14、进一步优选地，所述扰流肋的形式为w型。
15、进一步优选地，所述前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的肋间距可调节，所述扰流肋之间的间距满足下列关系：
16、
17、
18、其中，p前、p后、p中分别为前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的肋间距。
19、进一步优选地，所述两个初级子通道与次级子通道间壁的厚度满足下列关系：
20、0.25mm≤t≤1mm
21、其中，t为两个初级子通道与次级子通道间壁的厚度。
22、进一步优选地，所述前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的壁面采用耐高温材料并进行表面处理以提高发射率。
23、按照本专利技术的另一个方法，提供了上述所述方法的应用方法，所述初级子通道与所述旋转涡轮叶片的前缘面、后缘面以及初级子通道与次级子通道的间壁进行对流换热，并通过间壁提供的冷表面与前/后缘面进行辐射换热。中间的所述次级子通道中冷却工质的对流换热降低初级子通道与次级子通道的间壁温度，从而使两侧的初级子通道为前缘面和后缘面的冷却提供辐射换热的冷表面，由此可以强化初级子通道的辐射换热。
24、总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
25、1.本专利技术通过将旋转涡轮叶片的内冷通道设计成两级通道形式，两侧初级子通道通过对流换热对初级子通道与次级子通道的间壁进行冷却；同时，由于次级子通道的构成面不包含涡轮叶片的前缘面和后缘面，间壁不受外部热载荷直接作用，而内冷通道中部核心区域的冷却工质温度较低，中间的次级子通道中冷却工质的对流换热可以充分降低间壁温度，从而使两侧的初级子通道为前缘面和后缘面的冷却提供辐射换热的冷表面，由此可以强化初级子通道的辐射换热，尤其是间壁布置w型扰流肋后，所构建冷区内的对流换热得到强化，从而充分强化初级子通道的辐射换热；
26、2.本专利技术为内冷通道流量按需调控提供必要条件，一方面可通过调节各子通道的高度或者肋片形式、肋间距来调节各子通道阻力，继而实现相应子通道流量的调节，另一方面，也可以通过在各子通道分别设置节流元件进行流量调节，以充分强化对流换热和辐射换热；
27、3.本专利技术利用对流-辐射耦合强化换热，一方面通过设置位于内冷通道中心的次级子通道来保证为两侧的初级子通道提供大面积冷表面以充分强化初级子通道的辐射换热，另一方面按需调控内冷通道流量来强化对流换热、减小前后缘面间换热差距，从而提高内冷通道壁面的换热均匀性和温度均匀性，强化叶片内冷通道的整体冷却性能；
28、4.本专利技术与现有涡轮叶片冷却技术相比，可对叶片内冷通道中的不同换热形式进行充分利用，同时不会对结构强度产生不利影响，实现通道壁面的换热均匀性和温度均匀性的有效提高，降低温度梯度造成的热应力，强化叶片内冷通道的整体冷却性能。
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1.一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片，其特征在于，该涡轮叶片中内冷通道被分为从前缘面到后缘面的三个平行内冷子通道，该三个内冷子通道包括两个初级子通道和一个次级子通道，其中，所述初级子通道包括前缘侧初级子通道和后缘侧初级子通道，所述前缘侧初级子通道的构成面之一为所述旋转涡轮叶片的前缘面，所述后缘侧初级子通道的构成面之一为所述旋转涡轮叶片的后缘面，所述次级子通道位于所述旋转涡轮叶片的内冷通道中心，即两个所述初级子通道之间，其构成面不包含涡轮叶片的前缘面和后缘面。
2.如权利要求1所述的一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片，其特征在于，所述前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的流量按需调控，各子通道的流量比满足下列条件：
3.如权利要求1所述的一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片，其特征在于，所述前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的高度满足下列关系：
4.如权利要求1所述的一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片，其特征在于，所述前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的壁面上设置有扰流肋。
5.如权利要求4所述的一种
6.如权利要求4所述的一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片，其特征在于，所述扰流肋之间的间距满足下列关系：
7.如权利要求1所述的一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片，其特征在于，所述两个初级子通道与次级子通道间壁的厚度满足下列关系：
8.如权利要求1所述的一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片，其特征在于，所述前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的壁面采用耐高温材料并进行表面处理以提高发射率。
9.一种权利要求1-8任一项所述的旋转涡轮叶片的应用方法，其特征在于，所述初级子通道与所述旋转涡轮叶片的前缘面、后缘面以及所述初级子通道与次级子通道的间壁进行对流换热，同时通过间壁提供的冷表面与前缘面、后缘面进行辐射换热；中间的所述次级子通道中冷却工质的对流换热降低初级子通道与次级子通道的间壁温度，从而使两侧的初级子通道为前缘面和后缘面的冷却提供辐射换热的冷表面，由此可以强化初级子通道的辐射换热。
...【技术特征摘要】
1.一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片，其特征在于，该涡轮叶片中内冷通道被分为从前缘面到后缘面的三个平行内冷子通道，该三个内冷子通道包括两个初级子通道和一个次级子通道，其中，所述初级子通道包括前缘侧初级子通道和后缘侧初级子通道，所述前缘侧初级子通道的构成面之一为所述旋转涡轮叶片的前缘面，所述后缘侧初级子通道的构成面之一为所述旋转涡轮叶片的后缘面，所述次级子通道位于所述旋转涡轮叶片的内冷通道中心，即两个所述初级子通道之间，其构成面不包含涡轮叶片的前缘面和后缘面。
2.如权利要求1所述的一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片，其特征在于，所述前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的流量按需调控，各子通道的流量比满足下列条件：
3.如权利要求1所述的一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片，其特征在于，所述前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的高度满足下列关系：
4.如权利要求1所述的一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片，其特征在于，所述前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的壁面上设置有扰流肋。
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