一种带有V型肋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v型肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构。
背景技术：
：尾缘作为涡轮叶片上需要冷却的关键部位之一。一是由于尾缘的结构完整性对于涡轮叶片的气动性能以及寿命可靠性至关重要；二是由于压力面与吸力面的燃气速度在涡轮叶片尾缘部位都达到了相当高的值，而且都处于湍流状态，从而使得尾缘部位对流强度非常大。为了保证尾缘的结构完整性可以在发动机服役期间内不被高温燃气烧蚀破坏，必须对其进行高效冷却。对于目前在役的先进航空发动机，用于尾缘冷却的冷气量已占到高压涡轮叶片总冷却用气量的大约20-30％。涡轮叶片尾缘的冷却结构主要有全缝冷却结构、离散小孔冷却结构和半劈缝冷却结构三种形式，其中半劈缝冷却结构是将叶片尾缘压力面的一部分壁面切去，只保留吸力面一侧的壁面以及若干分隔肋，从而将原来的全缝式内部冷却结构变为若干切向出流缝，冷气从切向缝中喷射出覆盖在半劈缝壁面上形成冷却气膜，这种结构只需对尾缘吸力面侧壁面进行冷却。在美国专利us6174135中提出对高压涡轮叶片的尾缘采用了两种冷却形式，在叶片温度分布较低的叶片根部区域采用离散小孔冷却结构，而在温度较高的叶片顶部采用半劈缝结构。虽然该结构考虑了叶片根部的结构强度问题，并且通过采用离散小孔使得冷却气体流道的换热面积增加，带走相同的热量需要的冷气量减少，延长了叶片的寿命，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，离散小孔冷却结构要求涡轮叶片尾缘必须有足够的厚度才可以实现。而半劈缝冷却结构只有单侧壁面，而且有分隔肋的加强作用，因此可将尾缘设计的比较薄，从而实现较好的气动性能，而且研究表明半劈缝冷却结构的冷却效果也相对较好，因此先进航空发动机涡轮叶片的尾缘多采用半劈缝冷却结构，针对涡轮叶片尾缘半劈缝气膜冷却特性的研究也是近几年来航空发动机高温部件冷却技术研究中的热点之一。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v型肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构；将v型肋结构应用到半劈缝壁面，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、连续v型肋，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；所述连续v型肋等间距均布设置在冷流出口部位的尾缘半劈缝壁面，且与相邻的两个分隔肋相连；所述连续v型肋的肋高h与冷气出流缝高度s比值为0.1～0.5，肋宽l与肋高h的比值为0.6～1.5，连续v型肋的流向间距x与肋宽l的比值为6～10。所述连续v型肋由两个相互对称的肋片组成，肋片的斜置导流角为30～75°，连续v型肋的开口与流向一致或相反。所述连续v型肋的数量根据尾缘劈缝壁面的流向长度l、连续v型肋的流向间距x、肋宽l、肋高h和导流角确定。有益效果本发明提出的一种带有v型肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，通过在半劈缝壁面布置v型肋结构产生强化传热效果，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v型肋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；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。在半劈缝壁面布置简单的v型肋结构，不仅具有良好的传热特性，且具有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v型肋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v型肋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v型肋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v型肋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.尾缘劈缝表面4.连续v型肋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v型肋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v型肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构，应用于的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、连续v型肋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。连续v型肋4等间距均布设置在冷流出口部位的尾缘半劈缝壁面3，且与相邻的两个分隔肋2相连；连续v型肋的肋高h与冷气出流缝高度s比值为0.1～0.5，肋宽l与肋高h的比值为0.6～1.5，连续v型肋4的流向间距x与肋宽l的比值为6～10。连续v型肋4由两个相互对称的肋片组成，肋片的斜置导流角为30～75°，连续v型肋的开口与流向一致或相反。连续v型肋4的数量根据尾缘劈缝壁面3的流向长度l、连续v型肋4的流向间距x、肋宽l、肋高h和导流角确定。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上布置连续v型肋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势必会对半劈缝气膜射流的近壁流动结构产生影响，也将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，另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，从而提高尾缘的综合冷却效果。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对比。在本实施例中，带有连续v型肋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布置了三排连续v型肋4，连续v型肋4的肋高h为0.1mm、肋宽l为0.1mm、流向间距x为1.0mm，肋片的斜置角度即导流角为60°，连续v型肋4的开口与流向一致。为保证可比性，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，半劈缝倾斜角为0°，吹风比m为1.0，差异仅为尾缘劈缝壁面3是否布置连续v型肋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较高，但是差别不大，这是由于连续v型肋的扰流效果造成的；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，这主要得益于在尾缘劈缝壁面3布置的连续v型肋4带来的强化换热效果。面积平均冷却效率和对流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0.985650.99667半劈缝壁面的对流换热系数3903.3409w/m2·k1998.6494w/m2·k尾缘吸力面的对流换热系数1479.387w/m2·k1258.793w/m2·k由图6可知，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，另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。因此叶片尾缘吸力面6侧壁温tw2高于尾缘劈缝壁面温度tw1，而尾缘的综合冷却效果也就主要取决于叶片尾缘吸力面6壁温的降低程度。在图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:式中，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)可得到叶片尾缘吸力面侧壁温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974.069k，可见带有连续v型肋4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6壁温。当前第1页12