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CN116146285A - 一种用于涡轮转子叶片的冲击加扰流柱复合冷却结构 - Google Patents

一种用于涡轮转子叶片的冲击加扰流柱复合冷却结构 Download PDF

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CN116146285A
CN116146285A CN202310188987.3A CN202310188987A CN116146285A CN 116146285 A CN116146285 A CN 116146285A CN 202310188987 A CN202310188987 A CN 202310188987A CN 116146285 A CN116146285 A CN 116146285A
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CN
China
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cavity
impingement
impact
turbine rotor
rotor blade
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Pending
Application number
CN202310188987.3A
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English (en)
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李洋
曾飞
刘涛
陈晓龙
常艳
谢昌坦
李亚雄
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Hunan Aviation Powerplant Research Institute AECC
Original Assignee
Hunan Aviation Powerplant Research Institute AECC
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Abstract

本发明属于航空发动机及燃气轮机叶片领域，尤其涉及一种用于涡轮转子叶片的冲击加扰流柱复合冷却结构，包括叶背和叶盆，涡轮转子叶片的尾缘区域设置有供气腔；供气腔的叶背侧和叶盆侧设置有扰流斜肋；供气腔的一端为冷气入口，供气腔的另一端垂直连通有横腔；供气腔的一侧设置有冲击腔，供气腔和冲击腔之间设置有第一隔板，第一隔板设置有第一冲击孔；冲击腔内设置有多排阵列错排式的冲击腔扰流柱；冲击腔的第一隔板侧的对侧设置有多个第一尾劈缝。本发明通过在叶片尾缘区采用顶部带90°转弯段的柱肋组合式横腔结构，有效实现叶尖区的冷气流量控制及热防护，并可以精确调节叶尖区的冷气量。

Description

一种用于涡轮转子叶片的冲击加扰流柱复合冷却结构
技术领域
本发明属于航空发动机及燃气轮机叶片领域，尤其涉及一种用于涡轮转子叶片的冲击加扰流柱复合冷却结构。
背景技术
随着航空发动机性能水平的提高，其涡轮前温度逐渐提升，随之而来的是涡轮叶片的热防护需求日益提高。现有航空发动机涡轮叶片中，主要的冷却形式包括对流冷却、冲击冷却及气膜冷却等，大部分冷却叶片中采用其中一种或多种冷却形式的复合冷却设计。在涡轮转子叶片尾缘区(尾缘区一般定义为距离叶片排气边50％左右的弦长以内的区域)的冷却设计中，常见的冷却技术方案采用多腔蜿蜒通道加柱肋组合冷却结构。随着涡轮前温度水平不断提高，现有的叶片尾缘区的冷却结构换热能力已难以满足随之增加的热负荷。
因此有必要提供一种用于涡轮转子叶片尾缘区的冲击加扰流柱复合冷却结构，通过在叶片尾缘区采用顶部带横腔的肋化供气腔加横向冲击扰流柱腔的多腔冷却结构，满足涡轮工作叶尖区的高热负荷的热防护需求。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于涡轮转子叶片的冲击加扰流柱复合冷却结构,通过在叶片尾缘区采用顶部带横腔的肋化供气腔加横向冲击扰流柱腔的多腔冷却结构，满足涡轮工作叶尖区的高热负荷的热防护需求。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于涡轮转子叶片的冲击加扰流柱复合冷却结构，包括叶背和叶盆，
涡轮转子叶片的尾缘区域设置有供气腔；
供气腔的叶背侧和叶盆侧设置有扰流斜肋；
供气腔的一端为冷气入口，供气腔的另一端垂直连通有横腔；
供气腔3的一侧设置有冲击腔，供气腔和冲击腔之间设置有第一隔板，第一隔板设置有第一冲击孔；
所述冲击腔内设置有多排阵列错排式的冲击腔扰流柱；
所述冲击腔的第一隔板侧的对侧设置有多个第一尾劈缝。
进一步地，横腔的内部设置有横腔扰流柱。
进一步地，横腔的一端与供气腔连通，横腔的另一端设置有第二尾劈缝。
进一步地，横腔的顶部设置有离散式第一气膜孔。
进一步地，第二尾劈缝的出流窗口尺寸和所述第一气膜孔的孔数、孔径根据预设叶尖冷气量调节。
进一步地，第一冲击孔的总流通面积小于所述第一尾劈缝的总流通面积。
进一步地，第一冲击孔正对相邻的第一排所述冲击腔扰流柱。
进一步地，供气腔的叶盆侧设置有第二气膜孔。
进一步地，冲击腔包括第一冲击腔和第二冲击腔，第一冲击腔和第二冲击腔之间设置有第二隔板，第二隔板设置有第二冲击孔，第二冲击孔正对第二冲击腔内的与第二隔板相邻的第一排冲击腔扰流柱。
进一步地，第一冲击腔的叶盆侧设置有第三气膜孔。
本发明的技术效果和优点：
本发明的冲击加扰流柱复合冷却结构通过在叶片尾缘区采用顶部带90°转弯段的柱肋组合式横腔结构，有效实现涡轮转子叶片叶尖区的冷气流量控制及热防护，并可通过叶尖气膜孔、尾劈缝尺寸设计以精确调节叶尖区的冷气量；
本发明的冲击加扰流柱复合冷却结构通过调整冲击孔的尺寸实现尾劈缝出流冷气量的控制；
本发明的冲击加扰流柱复合冷却结构通过扰流柱冲击腔的横向双腔及气膜孔方案形成叶片尾缘区的高效热防护。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明的涡轮转子叶片的结构示意图；
图2为本发明的涡轮转子叶片的剖视图；
图3为本发明的双冲击腔涡轮转子叶片的结构示意图；
图4为本发明的第三气膜孔的位置示意图。
附图标记：1、叶背；2、叶盆；3、供气腔；301、扰流斜肋；302、第二气膜孔；4、横腔；401、横腔扰流柱；402、第二尾劈缝；403、第一气膜孔；5、第一隔板；501、第一冲击孔；6、冲击腔；601、冲击腔扰流柱；602、第一尾劈缝；603、第二隔板；604、第二冲击孔；605、第三气膜孔；606、第一冲击腔；607、第二冲击腔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明的涡轮转子叶片的结构示意图，如图1所示，本发明提供了一种用于涡轮转子叶片的冲击加扰流柱复合冷却结构，包括叶背1和叶盆2，涡轮转子叶片的尾缘区域设置有供气腔3，供气腔3的叶背侧和叶盆侧设置有扰流斜肋301，供气腔3为双侧扰流斜肋301强化换热的冷却通道。
进一步地，图2为本发明的涡轮转子叶片的剖视图，如图2所示，供气腔3的一端为冷气入口，供气腔3的另一端垂直连通有横腔4，横腔4的内部设置有横腔扰流柱401，通过在叶片尾缘区采用顶部带90°转弯段的柱肋组合式横腔结构，有效实现涡轮转子叶片叶尖区的冷气流量控制及热防护，供气腔3的一侧设置有冲击腔6，供气腔3和冲击腔6之间设置有第一隔板5，第一隔板5设置有第一冲击孔501，冲击腔6内设置有多排阵列错排式的冲击腔扰流柱601，冲击腔6的第一隔板侧的对侧设置有多个第一尾劈缝602。
进一步地，横腔4的一端与供气腔3连通，横腔4的另一端设置有第二尾劈缝402，横腔4的顶部设置有离散式第一气膜孔403，通过调整第二尾劈缝402的出流窗口尺寸以及第一气膜孔403的孔数和孔径可实现叶尖冷气量的控制，从而保证了叶尖区域的高效热防护。
进一步地，第一冲击孔501的总流通面积小于所述第一尾劈缝602的总流通面积，从而实现第一尾劈缝602出流冷气量的控制及调节。
进一步地，第一冲击孔501正对相邻的第一排所述冲击腔扰流柱601，后面的多排排扰流柱相互径向错排排列，从而实现强扰流换热。
进一步地，供气腔3的叶盆侧设置有第二气膜孔302，通过气膜冷气出流实现叶盆区的有效冷却。
进一步地，图3为本发明的双冲击腔涡轮转子叶片的结构示意图，如图3所示，冲击腔6可以是包括第一冲击腔606和第二冲击腔607的双冲击腔设计，第一冲击腔606和第二冲击腔607之间设置第二隔板603，第二隔板603设置有第二冲击孔604，第二冲击孔604正对第二冲击腔内的与第二隔板603相邻的第一排冲击腔扰流柱601，第一排冲击腔扰流柱601与后续排的冲击腔扰流柱601形成错排排列分布，用于应对叶片尾缘区的热负荷进一步增加，叶尖需热防护的区域更广时的情况。
进一步地，图4为本发明的第三气膜孔605的位置示意图，如图4所示，第一冲击腔606的叶盆侧设置有第三气膜孔605，配合第二冲击孔604的孔径节流设计，可以实现第一冲击腔606的叶盆侧气膜孔的冷气出流并形成气膜覆盖。
本发明的工作过程包括：涡轮转子叶片的冷气从供气腔6的根部进入叶片内部冷却通道，冷气主流在径向外流的同时，通过沿第一隔板5径向分布的第一冲击孔501横向冲击进入冲击腔6，该股冷气经第一尾劈缝602排出，其余径向外流的冷气在叶尖区分别通过连接横腔4的第一气膜孔403、横腔扰流柱401后，从第二尾劈缝排出402。
经过数值模拟研究，本发明的冲击加扰流柱冷却结构的叶片温度场分布可根据各节流元件的调整而较显著变化，在相同冷气量的前提下，叶片尾缘的最高温度相比常规方案下降10K-20K。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于涡轮转子叶片的冲击加扰流柱复合冷却结构，包括叶背(1)和叶盆(2)，其特征在于，
涡轮转子叶片的尾缘区域设置有供气腔(3)；
所述供气腔(3)的叶背侧和叶盆侧设置有扰流斜肋(301)；
所述供气腔(3)的一端为冷气入口，所述供气腔(3)的另一端垂直连通有横腔(4)；
所述供气腔(3)的一侧设置有冲击腔(6)，所述供气腔(3)和冲击腔(6)之间设置有第一隔板(5)，所述第一隔板(5)设置有第一冲击孔(501)；
所述冲击腔(6)内设置有多排阵列错排式的冲击腔扰流柱(601)；
所述冲击腔(6)的第一隔板侧的对侧设置有多个第一尾劈缝(602)。
2.根据权利要求1所述的一种用于涡轮转子叶片的冲击加扰流柱复合冷却结构，其特征在于，所述横腔(4)的内部设置有横腔扰流柱(401)。
3.根据权利要求2所述的一种用于涡轮转子叶片的冲击加扰流柱复合冷却结构，其特征在于，所述横腔(4)的一端与所述供气腔(3)连通，所述横腔(4)的另一端设置有第二尾劈缝(402)。
4.根据权利要求3所述的一种用于涡轮转子叶片的冲击加扰流柱复合冷却结构，其特征在于，所述横腔(4)的顶部设置有离散式第一气膜孔(403)。
5.根据权利要求4所述的一种用于涡轮转子叶片的冲击加扰流柱复合冷却结构，其特征在于，所述第二尾劈缝(402)的出流窗口尺寸和所述第一气膜孔(403)的孔数、孔径根据预设叶尖冷气量调节。
6.根据权利要求1所述的一种用于涡轮转子叶片的冲击加扰流柱复合冷却结构，其特征在于，所述第一冲击孔(501)的总流通面积小于所述第一尾劈缝(602)的总流通面积。
7.根据权利要求1所述的一种用于涡轮转子叶片的冲击加扰流柱复合冷却结构，其特征在于，所述第一冲击孔(501)正对相邻的第一排所述冲击腔扰流柱(601)。
8.根据权利要求1所述的一种用于涡轮转子叶片的冲击加扰流柱复合冷却结构，其特征在于，所述供气腔(3)的叶盆侧设置有第二气膜孔(302)。
9.根据权利要求1所述的一种用于涡轮转子叶片的冲击加扰流柱复合冷却结构，其特征在于，所述冲击腔(6)包括第一冲击腔(606)和第二冲击腔(607)，所述第一冲击腔(606)和第二冲击腔(607)之间设置有第二隔板(603)，所述第二隔板(603)设置有第二冲击孔(604)，所述第二冲击孔(604)正对第二冲击腔内的与第二隔板(603)相邻的第一排冲击腔扰流柱(601)。
10.根据权利要求9所述的一种用于涡轮转子叶片的冲击加扰流柱复合冷却结构，其特征在于，所述第一冲击腔(606)的叶盆侧设置有第三气膜孔(605)。
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