[发明专利]一种具有侧向抽气槽及球窝的透平叶片尾缘冷却结构

说明书

技术领域：

本发明涉及一种透平叶片内部冷却结构，特别涉及一种具有侧向抽气槽及球窝的透平叶片尾缘冷却结构。

背景技术：

燃气轮机/航空发动机作为工业界“皇冠上的明珠”，其透平叶片部件在运行时受到极大的热负荷，为了保证其安全运行，需要设计并构建大量的冷却结构以保证透平叶片的温度位于合理的范围内，与此同时还不能带来明显的阻力损失，以免不利于叶片的冷却效率。因此，开发高效的低阻力强化传热结构就成为了亟需解决的研究工作。透平叶片中的冷却结构常分为内部冷却及外部冷却两类，其中内部冷却主要包括冲击冷却、扰流强化传热等，布置内部冷却通道是透平叶片中最常见的冷却方式，通过内部冷却通道中冷却气体与壁面的传热带走从叶片外部传导的热流量起到冷却叶片壁面的效果，在叶片内部冷却通道中的U型、蛇形冷却通道及扰流强化传热结构是最为典型的增强传热特征；而外部冷却主要包括气膜冷却等，通过在叶片表面形成气膜隔绝高温燃气以起到保护叶片的作用，透平叶片的前缘、中弦区域、尾缘劈缝处都常采用气膜冷却作为保护叶片表面的方式。在实际高温透平叶片中，常常耦合各种冷却方式，以达到最佳的冷却效果。高温透平叶片的尾缘区域是叶片冷却结构设计时的关键部位，在高温气体的接触下，较薄的叶片尾缘区域往往需要多种冷却方式共同作用以保证其安全性。在高温透平叶片的尾缘设计中，往往在尾缘压力面侧布置“劈缝”结构，且连通尾缘附近内部冷却通道抽气槽。

研究表明，透平尾缘虽然采用了不同的冷却形式，但仍存在流动流阻大，沿程温升高，透平尾缘部分温度依然相对较高的问题；根据叶片型线的形状，叶片尾缘部分的内部冷却通道往往较窄(较大宽高比AR)，在该区域布置肋片存在一定的困难，且在此狭窄通道中布置肋片往往带来较为明显的阻力损失，对叶片冷却效率不利。基于该原因，在透平叶片尾缘区域常采用针状翅片、涡结构发生器等结构作为冷却结构；透平尾缘中有些冷却结构虽然能达到比较好的冷却效果，但是结构复杂。因此，开发透平叶片尾缘结构简单的高效的低阻力强化传热结构，是目前进一步降低叶片工作温度的主要研究方向之一。

发明内容：

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供了一种适用于涡轮叶片尾缘冷却的具有侧向抽气槽及球窝的透平叶片尾缘冷却结构。这种具有侧向抽气槽及球窝的透平叶片尾缘冷却结构在流场中不产生凸起，布置在较薄的尾缘冷却通道中阻力损失较低，且也能起到较好的传热效果。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

一种具有侧向抽气槽及球窝的透平叶片尾缘冷却结构，该透平叶片具有叶片内部冷却腔以及设置在透平叶片端面上与叶片内部冷却腔相连通的冷却流体流进管，且叶片内部冷却腔内的叶片内部冷却腔热表面交错设置有若干叶片内部冷却腔隔板，叶片内部冷却腔热表面与若干叶片内部冷却腔隔板组成了透平叶片内部U型冷却通道；

叶片尾缘附近的叶片内部冷却腔热表面上均匀布置有叶片尾缘附近内部冷却球窝结构，若干侧向抽气槽布置在尾缘附近冷却通道侧面，在叶盆唇部附近的叶片尾缘劈缝处叶背面处均匀布置有叶片尾缘冷却球窝结构，若干侧向抽气槽用于将布置有叶片尾缘附近内部冷却球窝结构的内部冷却通道与布置有叶片尾缘冷却球窝结构的外部冷却通道相连通，形成这种带有侧向抽气槽及球窝的透平叶片尾缘内部冷却与外部冷却一体式的冷却结构。

本发明进一步的改进在于，叶片尾缘附近内部冷却球窝结构为错排布置或者顺排布置。

本发明进一步的改进在于，叶片尾缘附近内部冷却球窝结构布置的流向间距P_s/D在0.5至2之间，展向间距P_d/D在0.5至2之间，球窝的相对深度δ/D为0.05至0.5之间。

本发明进一步的改进在于，侧向抽气槽为矩形通道或梯形通道。

本发明进一步的改进在于，侧向抽气槽的长度在8mm至16mm之间，高度在1.5mm至3.5mm之间，流向间距在15mm至30mm之间。

本发明进一步的改进在于，冷却射流劈缝高度t/H在0.5至1.5之间，劈缝倾斜角α在5°至15°之间。

本发明进一步的改进在于，冷却气体从劈缝附近的射流槽喷出，气膜吹气比M在0.2至1.5之间。

本发明进一步的改进在于，叶片尾缘冷却球窝结构为错排布置或者顺排布置，布置的流向间距为10～20mm，展向间距为7～17mm，流向包含5～9排球窝、展向包括2～4排球窝，球窝的相对深度δ/D为0.05至0.5之间。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：