一种带有球面凸块的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构的制作方法

本发明属于燃气轮机涡轮叶片冷却
技术领域：
，具体地说，涉及一种带有球面凸块的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构。
背景技术：
：提高涡轮进口温度是提高燃气轮机推力和效率的有效途径，但涡轮进口温度的提高会使得涡轮叶片承受更大的热负荷，过高的温度和热应力可能导致涡轮叶片无法正常工作。现代燃气轮机设计的进口温度已远远超过了所用材料的耐温极限，因此必须采用复杂的冷却技术来保证涡轮在高温的条件下正常运转。而涡轮叶片的尾缘处往往是高温部位，也最容易受热腐蚀而损坏，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较大，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，设计高效的尾缘气膜冷却结构是保证涡轮叶片稳定工作的重要措施。在aiaaaerospacesciences国际研讨会上weaver等人提出“一种叶片尾缘的编织结构”，通过编织结构使得流道增长，增加主流流过冷却结构的时间，传热均匀性及大小，但是其散热性能的增强是以压力损失为代价的。在专利cn203214109u中公开了“一种涡轮叶片尾缘冷却结构”，该结构通过对高温燃气涡轮发动机涡轮叶片尾缘采用双列排气缝冷却结构，在叶片尾缘实现了外表面气膜冷却和内表面强迫对流冷却的复合冷却结构，从而解决叶片尾缘壁面温度偏高的技术问题。虽然该结构采用复合冷却来改善涡轮叶片尾缘冷却问题，但是从涡轮叶片气动性能的角度来看，在强度允许的条件下，叶片尾缘厚度应尽量地薄，以减小涡轮叶片的尾迹损失。受加工工艺的约束，该种双列排气缝冷却结构要求涡轮叶片尾缘必须有足够的厚度才能实现。在文献“涡轮叶片尾缘劈缝气膜冷却特性实验研究”(《工程热物理学报》，2016年，第37期，1988页—1993页)中，采用热色液晶瞬态传热测量，研究了直肋和倒斜角肋两种不同的分隔肋结构对尾缘层板冷却结构劈缝气膜冷却特性的影响，虽然其结论表示叶片尾缘半劈缝的气膜冷效受到分隔肋的形状的影响，但是随着航空发动机燃气温度的不断提高，传统半劈缝结构的冷却能力逐渐地趋于极限，高压涡轮叶片尾缘烧蚀现象时常出现在叶片尾缘的吸力面侧，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综合冷却效果，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。技术实现要素：为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种带有球面凸块的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构；该扰流半劈缝冷却结构将球面凸块设置在半劈缝壁面，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。本发明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、球面凸块，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，半劈缝倾斜角度为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；所述球面凸块均布设置在冷流出口部位的尾缘半劈缝壁面，位于两个分隔肋之间成错排排布或顺排排布；所述球面凸块高度h与冷气出流缝高度s比值为0.1～0.5，球面凸块直径d与高度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。所述球面凸块的排数和列数根据半劈缝壁面的流向长度l、球面凸块的流向间距x、展向间距y确定。有益效果本发明提出的一种带有球面凸块的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，将球面凸块结构应用于半劈缝壁面，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。带有球面凸块的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，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，设计合理；其特点在于冷却气流从冷流出口中喷射出覆盖在半劈缝壁面上形成冷却气膜，有效地降低叶片尾缘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。本发明带有球面凸块的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，在半劈缝壁面设置简单的球面凸块，并组成阵列结构，其具有良好的传热特性和较好的加工可实施性；并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发明一种带有球面凸块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为本发明带有球面凸块的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构轴测图。图2为本发明带有球面凸块的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构俯视图。图3为本发明图2的a-a剖视图。图4为本发明带有球面凸块的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构侧视图。图5为应用于航空发动机涡轮叶片示意图。图6为二维尾缘半劈缝传热模型示意图。图7为尾缘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8为尾缘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.球面凸块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凸块的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构。参阅图1～图6，本实施例带有球面凸块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、球面凸块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6一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，半劈缝倾斜角度为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。球面凸块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。球面凸块4高度h与冷气出流缝高度s的比值为0.1～0.5，球面凸块4直径d与高度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。球面凸块4的排数和列数根据半劈缝壁面的流向长度l、球面凸块的流向间距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上布置球面凸块4，使得该区域的冷却气膜发生流动、分离、再附；壁面扰流结构的加入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，提高尾缘的冷却效果。如图7和图8,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。在本实施例中，带有球面凸块4的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构中在尾缘劈缝壁面3设置了六排球面凸块4，球面凸块4为错排排布，球面凸块4的高度h为0.1mm，球面凸块4直径d为0.1mm，流向间距x为0.6mm，展向间距y为0.6mm。为了保证可比性，两者在相同条件下进行模拟，半劈缝结构的唇板厚度t为0.4mm，尾缘壁厚度δ为1.0mm，冷流出口5高度s为0.5mm，半劈缝倾斜角度为0°，吹风比m为1.0，差异仅为尾缘半劈缝壁面3是否布置球面凸块4。通过展向平均气膜冷却效率对比可见，常规尾缘半劈缝结构的冷却效率比扰流半劈缝冷却结构的冷却效率高，但是差别不大，是由于球面凸起的扰流效果造成的。通过展向平均换热系数对比可见，扰流半劈缝冷却结构的换热系数要明显高于常规尾缘半劈缝结构的换热系数，主要得益于在半劈缝壁面布置的球面凸块带来的强化换热效果。面积平均冷却效率和换热系数的结果如下表所示:扰流半劈缝冷却结构常规尾缘半劈缝结构半劈缝壁面的气膜冷却效率0.994610.99667半劈缝壁面的对流换热系数2871.6223w/m2·k1998.6494w/m2·k尾缘吸力面的对流换热系数1426.926w/m2·k1258.793w/m2·k如图6所示，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，另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tw2高于半劈缝壁面温度tw1，而尾缘的综合冷却效果主要取决于吸力面壁温的降低程度。在如图6所示的边界条件和一维传热过程的假设下，通过如下热量传递平衡方程:其中，tg为燃气温度，tc为冷气温度，t为半劈缝唇板厚度，s为冷流出口高度，δ为尾缘壁厚度，k为尾缘壁导热系数，hg为叶片尾缘吸力面的对流换热系数，tw2为叶片尾缘吸力面壁温，tw1为尾缘半劈缝壁面温度，hf为尾缘半劈缝壁面上的对流换热系数，η为尾缘半劈缝壁面上的气膜冷却效率。通过式(1)可以得到吸力面侧壁温tw2与燃气温度、冷气温度、气膜冷却效率以及两侧壁面对流换热系数的关系式:将相应数值带入式(2)-(3)可得常规尾缘半劈缝结构和扰流半劈缝冷却结构的叶片尾缘吸力面壁温分别为1070.958k和1021.330k，带有球面凸块的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构可有效地降低叶片尾缘吸力面壁温。当前第1页12