一种用于高温涡轮动叶尾缘的迷宫型内部冷却结构的制作方法

本发明涉及一种高温涡轮动叶尾缘的内部冷却结构，属于涡轮传热领域。

背景技术：

随着航空发动机和燃气轮机技术的不断发展，涡轮入口温度已经达到2200K，并且朝着更高的入口温度发展。目前的金属材料很难在如此高的温度下长期稳定工作，因此有必要采用各种冷却措施，使得叶片表面的温度低于材料的耐受温度。对于涡轮动叶，涡轮叶片尾缘的传热面临着以下挑战：（1）尾缘高温，在涡轮的尾缘，由于涡的非定常脱落，会在尾缘产生很高的热负荷，这就需要在尾缘的冷却结构有很强的换热能力；（2）尾缘强度，对于动叶，面临的结构强度方面的压力要大于涡轮静叶。由于传热结构的添加，会消弱尾缘的强度，因此传热结构的设计要考虑涡轮强度的问题，这就限制了传热结构的形式；（3）径向串流，由于动叶的高速旋转，产生的离心力会迫使冷气向叶顶集聚，这样沿着涡轮径向的压力分布会不均匀，从而导致沿叶高方向的冷气分配出现问题。

截至目前，尾缘冷却一般有两种方式：(1) 圆柱扰流，这是目前使用最多的一种方式，比如E3发动机。这种冷却方式为沿着叶高方向布置多排圆柱，圆柱在这里主要起增加扰流的作用，起扰流作用主要是通过产生马蹄涡加强圆柱附近的扰动，从而强化尾缘换热。但是圆柱的扰流的能力是有限制的，因此在更高温度下使用圆柱面临很多困难；（2）交错肋，这种方式一般用于俄式发动机，比如AL-31。交错肋又称涡流矩阵，其是在上下壁面布置肋高为通道高度一半的特殊带肋通道，上下壁面的迷宫型隔墙单元相互接触，将整个流道划分为若干个子通道。这种冷却方式是经常用于叶片中部区域和尾缘的冷却。交错肋具有良好的冷却性能，但是流动阻力也非常大。同时交错肋的结构复杂，加工难度大，容易堵塞，造成局部的高温区。

目前国内外的研究重点都是提升现有结构的换热能力，比如将圆柱改为椭圆形圆柱、泪滴型圆柱，改变交错肋的角度。这些研究仍然没有摆脱现有的结构，没有提出新的冷却方式。还有一些人将旋流冷却和冲击冷却应用到叶片尾缘，但是这些方式将会削弱叶片尾缘强度。研究现有的冷却结构可以发现其强化换热的原理主要有两点：（1）增加换热面积，比如用在叶片中部地区的扰流肋冷却，就是典型的通过增加换热面积增强换热；（2）增加流体扰动，比如圆柱扰流主要就是通过增加流体的扰动增强换热。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有涡轮叶片尾缘冷却结构的不足，提供一种用于高温涡轮动叶尾缘的迷宫型内部冷却结构。

实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种用于高温涡轮动叶尾缘的迷宫型内部冷却结构，其组成包括，涡轮榫头、涡轮叶身、涡轮叶片前缘及涡轮叶片尾缘，所述的涡轮榫头与涡轮叶身连接；所述的用于高温涡轮动叶尾缘的迷宫型内部冷却结构还包括蛇形通道、尾缘劈缝、迷宫型隔墙单元及涡轮叶片尾缘的空腔，所述的蛇形通道设置在涡轮叶身内部并靠近涡轮叶片前缘设置，所述的迷宫型隔墙单元设置在涡轮叶片尾缘的空腔内部，所述的涡轮叶片尾缘区域设有尾缘劈缝，冷气从所述的尾缘劈缝流出。

冷气流动过程为，冷气从涡轮榫头处流入涡轮叶身，经过蛇形通道之后，流入涡轮叶片尾缘的空腔内，然后经过迷宫型隔墙单元的扰动，最后从尾缘劈缝流出。

所述的迷宫型隔墙单元将涡轮叶片尾缘的空腔的流道划分为迷宫型流道，因此称此种冷却方式为迷宫型冷却方式。

所述的迷宫型隔墙单元定义为：迷宫型隔墙单元的高度H，迷宫型隔墙单元的长度L，迷宫型隔墙单元的宽度K，迷宫型隔墙单元的横向节距S，迷宫型隔墙单元的纵向节距Y，其中迷宫型隔墙单元的高度H随着涡轮叶片尾缘的冷却通道的变化而变化，使得迷宫型隔墙单元和叶片内表面贴合。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

（1）因为迷宫型隔墙单元增加了换热面积，加强了冷气的扰动，所以增强了尾缘的换热能力。同时在动叶当中，由于径向串流，将会在迷宫型隔墙单元的表面产生冲击的作用，冲击作用将会显著增强换热。由于上述两点的作用，本发明将会减少冷气的消耗。

（2）本发明和交错肋相比，流动的阻力系数较小，因此对于冷气入口总压要求降低，有助于减少冷气与主流的掺混损失；

（3）冷气分配更加均匀，由于冷气流道是迷宫型的，冷气在流动的过程中会根据尾缘劈缝出口的压力分布，自动调整在不同位置处的流量，特别是在动叶当中，会改善由于旋转带来的径向串流问题；

（4）增强尾缘结构，本发明与传统的圆柱扰流相比，采用迷宫型的冷气流道能够大幅度的提高尾缘的强度，提升尾缘的使用寿命；

（5）本发明结构简单，加工方便，同时能够减弱杂质在尾缘通道的堆积。

附图说明

图1为实施例1的主视结构示意图；

图2为实施例2的主视结构示意图；

图3为实施例3的主视结构示意图；

图4为迷宫型隔墙单元高度示意图；

图5为迷宫型隔墙单元排布和参数示意图；

图6为图4的A-A剖视图。

图中的部件名称及标号如下：

涡轮榫头1、涡轮叶身2、涡轮叶片前缘3、蛇形通道4、隔板5、尾缘劈缝6、迷宫型隔墙单元7、涡轮叶片尾缘的空腔8。

具体实施方式

为了更好的理解本发明专利的方案，结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：如图1-图4及图6所示，本实施方式披露了一种用于高温涡轮动叶尾缘的迷宫型内部冷却结构，其组成包括，涡轮榫头1、涡轮叶身2、涡轮叶片前缘3及涡轮叶片尾缘，所述的涡轮榫头1与涡轮叶身2连接；所述的用于高温涡轮动叶尾缘的迷宫型内部冷却结构还包括蛇形通道4、尾缘劈缝6、迷宫型隔墙单元7及涡轮叶片尾缘的空腔8，所述的蛇形通道4设置在涡轮叶身2内部并靠近涡轮叶片前缘3设置，所述的迷宫型隔墙单元7设置在涡轮叶片尾缘的空腔8内部，所述的涡轮叶片尾缘区域设有尾缘劈缝6，冷气从所述的尾缘劈缝6流出。

具体实施方式二：如图1-图4所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述的蛇形通道4由多个并排设置并且依次沿叶高方向错位排布的隔板5构成。形成一个扰动的冷却通道。

具体实施方式三：如图5所示，本实施方式是对具体实施方式一或二作出的进一步说明，所述的迷宫型隔墙单元7定义为：迷宫型隔墙单元7的高度H，迷宫型隔墙单元7的长度L，迷宫型隔墙单元7的宽度K，迷宫型隔墙单元7的横向节距S，迷宫型隔墙单元7的纵向节距Y，迷宫型隔墙单元7在同一涡轮叶片内的隔墙单元的长度L和宽度K的比值在2-6之间，横向相对节距为2.5-4，纵向相对节距为2.5-4。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种用于高温涡轮动叶尾缘的迷宫型内部冷却结构，其组成包括，涡轮榫头1、涡轮叶身2、涡轮叶片前缘3、涡轮叶片尾缘、蛇形通道4、尾缘劈缝6、迷宫型隔墙单元7、涡轮叶片尾缘的空腔8，流经蛇形通道4的冷气在叶顶附近折转，流入到涡轮叶片尾缘的空腔8内。在涡轮叶片尾缘的空腔8内部，冷却流体从叶顶流向叶根部位，同时也沿着涡轮的轴向方向，从尾缘劈缝6流出。本实施例的迷宫型隔墙单元7上下表面和叶片是紧密贴合的，如图4所示。因此迷宫型隔墙单元7的高度H随着涡轮叶片尾缘的空腔8的高度而发生变化。这个变化体现在两个方面，首先是沿着冷气的流动方向，由于流动截面积的缩小，因此该方向的迷宫型隔墙单元7高度是不断发生变化的。其次对于三维叶片而言，沿着叶高方向的流动截面积也是不断变化的，因此在此方向上，迷宫型隔墙单元7的高度也是不断变化的。在这两个方向上，迷宫型隔墙单元7的具体高度针对不同的涡轮叶身2有不同的变化规律。如图5，本实施例中的迷宫型隔墙单元7由以下几个参数构成：迷宫型隔墙单元7的长度L，宽度K，迷宫型隔墙单元7的横向节距S，纵向节距Y。对于这些参数的设定要根据实际情况设定，以提高涡轮叶片尾缘冷却效率，降低涡轮冷却气体用量。或者在同样的冷气量的条件下，降低涡轮叶片表面的温度。实际的涡轮叶片，涡轮叶片表面的温度是分布不均匀的，同时涡轮叶片尾缘出口的压力分布也是不均匀的，因此需要改变迷宫型隔墙单元7的参数，使得每一个地方的温度分布尽可能的均匀，减少热应力的产生，延长涡轮叶片的使用寿命。因此迷宫型隔墙单元7的长度L，宽度K，迷宫型隔墙单元7的横向节距S，纵向节距Y将会沿着叶高方向和冷气的流动方向发生变化。根据本实施例的流动特点，迷宫型隔墙单元7在同一涡轮叶片内的隔墙单元的长度L和宽度K的比值在2-6的任意一个值。横向相对节距为2-3，纵向相对节距为2-3。为了避免流动阻力太大，因此在靠近隔板5处不放置迷宫型隔墙单元7，这样沿着叶高方向的流动阻力会大大减少。

实施例2：

如图2所示，本实施例提供一种用于高温涡轮动叶尾缘的迷宫型内部冷却结构，其组成包括，涡轮榫头1、涡轮叶身2、涡轮叶片前缘3、涡轮叶片尾缘、蛇形通道4、尾缘劈缝6、迷宫型隔墙单元7、涡轮叶片尾缘的空腔8，流经蛇形通道4的冷气在叶根附近折转，流入到涡轮叶片尾缘的空腔8内。在涡轮叶片尾缘的空腔8内部，冷却流体从叶根部位流向叶顶部位，同时也沿着涡轮轴向方向，从尾缘劈缝6流出。本实施例的迷宫型隔墙单元7上下表面和叶片是紧密贴合的，如图4所示。因此迷宫型隔墙单元7的高度H随着涡轮叶片尾缘的空腔8的高度而发生变化。这个变化体现在两个方面，首先是沿着冷气的流动方向，由于流动截面积的缩小，因此该方向的迷宫型隔墙单元7高度是不断发生变化的。其次对于三维叶片而言，沿着叶高方向的流动截面积也是不断变化的，因此在此方向上，迷宫型隔墙单元7的高度也是不断变化的。在这两个方向上，迷宫型隔墙单元7的具体高度针对不同的涡轮叶身2有不同的变化规律。如图5，本实施例中的迷宫型隔墙单元7由以下几个参数构成：迷宫型隔墙单元7的长度L，宽度K，迷宫型隔墙单元7的横向节距S，纵向节距Y。对于这些参数的设定要根据实际情况设定，以提高涡轮叶片尾缘冷却效率，降低涡轮冷却气体用量。或者在同样的冷气量的条件下，降低涡轮叶片表面的温度。实际的涡轮叶片，涡轮叶片表面的温度是分布不均匀的，同时涡轮叶片尾缘出口的压力分布也是不均匀的，因此需要改变迷宫型隔墙单元7的参数，使得每一个地方的温度分布尽可能的均匀，减少热应力的产生，延长涡轮叶片的使用寿命。因此迷宫型隔墙单元7的长度L，宽度K，迷宫型隔墙单元7的横向节距S，纵向节距Y将会沿着叶高方向和冷气的流动方向发生变化。根据本实施例的流动特点，迷宫型隔墙单元7在同一涡轮叶片内的隔墙单元的长度L和宽度K的比值在2-6的任意一个值。横向相对节距为2-3，纵向相对节距为2-3。为了避免流动阻力太大，因此在靠近隔板5处不放置迷宫型隔墙单元7，这样沿着叶高方向的流动阻力会大大减少。

实施例3

如图3所示，本实施例提供一种用于高温涡轮动叶尾缘的迷宫型内部冷却结构，其组成包括，涡轮榫头1、涡轮叶身2、涡轮叶片前缘3、涡轮叶片尾缘、蛇形通道4、尾缘劈缝6、迷宫型隔墙单元7、涡轮叶片尾缘的空腔8，冷气直接从涡轮榫头1流入到涡轮叶片尾缘的空腔8内。在涡轮叶片尾缘的空腔8内部，冷却流体从叶根部位流向叶顶部位，同时也沿着涡轮轴向方向，从尾缘劈缝6流出。本实施例的迷宫型隔墙单元7上下表面和叶片是紧密贴合的，如图4所示。因此迷宫型隔墙单元7的高度H随着涡轮叶片尾缘的空腔8的高度而发生变化。这个变化体现在两个方面，首先是沿着冷气的流动方向，由于流动截面积的缩小，因此该方向的迷宫型隔墙单元7高度是不断发生变化的。其次对于三维叶片而言，沿着叶高方向的流动截面积也是不断变化的，因此在此方向上，迷宫型隔墙单元7的高度也是不断变化的。在这两个方向上，迷宫型隔墙单元7的具体高度针对不同的涡轮叶身2有不同的变化规律。如图5，本实施例中的迷宫型隔墙单元7由以下几个参数构成：迷宫型隔墙单元7的长度L，宽度K，迷宫型隔墙单元7的横向节距S，纵向节距Y。对于这些参数的设定要根据实际情况设定，以提高涡轮叶片尾缘冷却效率，降低涡轮冷却气体用量。或者在同样的冷气量的条件下，降低涡轮叶片表面的温度。实际的涡轮叶片，涡轮叶片表面的温度是分布不均匀的，同时涡轮叶片尾缘出口的压力分布也是不均匀的，因此需要改变迷宫型隔墙单元7的参数，使得每一个地方的温度分布尽可能的均匀，减少热应力的产生，延长涡轮叶片的使用寿命。因此迷宫型隔墙单元7的长度L，宽度K，迷宫型隔墙单元7的横向节距S，纵向节距Y将会沿着叶高方向和冷气的流动方向发生变化。根据本实施例的流动特点，迷宫型隔墙单元7在同一涡轮叶片内的隔墙单元的长度L和宽度K的比值在2-5的任意一个值。横向相对节距为2.5-4，纵向相对节距为2.5-4。