具有提高涡轮静叶前缘端壁冷却效率的槽缝隔板结构

本发明属于航空发动机技术领域，特别涉及具有提高涡轮静叶前缘端壁冷却效率的槽缝隔板结构。

背景技术：

作为一种转化和利用能源的装置，燃气涡轮被广泛应用于航空、舰船、电力等领域。燃气涡轮处于高温高压的恶劣工作环境中，同时由于环境问题和能源需求，燃气涡轮的功率和热效率都需要不断提高，这些都给燃气涡轮的设计提出了更严格的要求。为了应对环境污染问题和能源的需求，在燃气涡轮研发设计过程中，通过不断提高进口燃气温度来提高燃气涡轮热效率，目前先进发动机的高压涡轮进口温度在1800k左右甚至更高，远高于金属熔点。因此需要对涡轮叶片进行高效的冷却以达到保护涡轮叶片和延长叶片寿命的目的。

燃气涡轮中常采用气膜冷却孔和高压涡轮端壁的缝隙冷却射流对端壁进行冷却保护以降低其热负荷。此外，在涡轮和燃烧室组合安装的过程中会形成一个槽缝结构。通过从高压压气机引入温度相对较低的气体至该槽缝，既防止了槽缝处高温燃气的倒灌入侵，又对涡轮静叶和端壁的部分区域起到了冷却的作用。实际中常规的槽缝不能对静叶端壁进行充分的冷却保护，这是由于在第一级静叶前缘处燃气流发生滞止，造成滞止点处的压力较高，而叶栅通道压力相对较低，导致槽缝冷却射流在静叶端壁前缘分布不均匀，静叶前缘大部分冷却射流因压力差折转至叶栅通道，使静叶前缘冷却气流流量较小，致使该区域的冷却效率较低，承受的热负荷较高。此外，端壁上游槽缝冷却流冷却的区域为端壁前缘马蹄涡和通道涡形成和开始迁移的区域，因此冷却流十分容易受到马蹄涡和通道涡的影响。槽缝冷却流离开槽缝后大部分冷却流迁移向静叶叶片的吸力面，使得压力面无法被充分冷却。长期作用的高温燃气造成静叶前缘和压力面侧附近端壁出现烧蚀现象，对燃气涡轮的安全和寿命产生严重的影响。图1给出了一种带有燃烧室与涡轮的子午面示意图。燃烧室与涡轮间的上端壁槽缝2和燃烧室壁面气膜孔3对燃烧室4内表面进行有效的冷却保护。如图1中传统的槽缝冷却结构6和静叶端壁气膜孔7冷却结构可一定程度提高静叶前缘附近端壁冷却效率，然而静叶前缘及压力面侧附近附近的静叶通道端壁区域10依然无法得到充分的冷却保护。

因此，开发具有提高静叶通道端壁冷却效率的新型槽缝隔板结构能够保障静叶前缘及附近端壁安全有效的工作，有利于提高燃气涡轮的气动性能和延长燃气涡轮的使用寿命，具有极为重要的工程应用价值。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：为了解决现有燃气涡轮静叶通道端壁承受极高的热负荷且常规方法无法对静叶前缘和压力面侧附近端壁进行有效冷却的问题，本发明提出一种具有提高静叶通道端壁冷却效率的槽缝隔板结构，通过槽缝隔板结构设计，使静叶前缘冷却射流分布更为均匀，显著提高静叶前缘和压力面侧附近端壁的冷却效率以延长静叶附近端壁的使用寿命，同时也保障静叶前缘附近端壁能够安全有效地工作。

本发明的技术方案是：具有提高涡轮静叶前缘端壁冷却效率的槽缝隔板结构，其特征在于，该结构位于燃气涡轮的燃烧室与燃气涡轮静之间的槽缝冷却结构中；隔板结构包括第一导流板11、第二导流板12和第三导流板13，三个导流板均与端壁周向垂直，其中第二导流板12，与涡轮静叶前缘点位置相对应；

定义第一导流板11与第二导流板12上端面距离d1，第二导流板12与第三导流板13上端面距离d2，则

d1＝d2＝(10％～15％)p

其中p为两相邻静叶前缘点之间沿涡轮周向的距离p；

定义三个导流板的厚度均为t，则需满足：

1.2w＜t＜1.6w

其中w为槽缝出口宽度。

本发明进一步的技术方案是：所述隔板结构为两组，每组中包含三个结构相同的导流板。

本发明进一步的技术方案是：所述导流板位于的槽缝冷却结构后表面与静叶前缘端壁8通过过渡圆角平滑连接。

本发明进一步的技术方案是：所述槽缝冷却结构后表面过渡圆角半径10与槽缝出口宽度w9的关系为：0.8w＜r＜1.0w。

本发明进一步的技术方案是：当槽缝射流吹风比m＝1.0时，满足以上条件的涡轮静叶前缘端壁冷却效率最好。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明在槽缝中添加两组隔板结构，每组隔板由三个导流板组成，导流板在槽缝内部部分与槽缝缝宽相匹配，同时导流板与端壁连接处通过圆角过渡，其具体特征包括：

(1)槽缝内两组隔板中的六个导流板的位置与方向特征。由于装配缘故，在燃烧室出口和涡轮静叶前端壁处形成槽缝冷却结构，将压气机高压段冷气引入不仅能够对静叶端壁进行冷却保护又可以防止高温燃气倒灌。由于在第一级静叶前缘处燃气流发生滞止，造成滞止点附近的压力较高，而叶栅通道压力相对较低，导致槽缝冷却射流在静叶端壁前缘分布不均匀，冷却效率较低，因此在槽缝中引入两组隔板，通过设置其方向与位置，能够有效改变冷却流方向，使得静叶端壁前缘的冷却更为均匀，提高冷却效率。

(2)槽缝冷却结构后表面与静叶前缘端壁通过过渡圆角平滑连接，槽缝冷却射流进入主流区域时会与高温燃气发生相互作用，一部分槽缝冷却射流会受到主流的卷吸作用下离开端壁面，削弱壁面处冷却效果。槽缝冷却结构后表面与静叶前缘端壁通过过渡圆角平滑连接有利于削弱流动分离现象，可以有效提高冷却效率。

因此，本发明的总体技术思路是在槽缝之间添加两组隔板，每组隔板包含三个导流板，其位置与静叶前缘点相对应，隔板在槽缝内部分的尺寸特征与槽缝相匹配，此外，槽缝隔板结构后表面与静叶前缘端壁通过过渡圆角平滑连接，过渡圆角半径与槽缝宽度相关。从压气机高压端引入的冷却射流，通过槽缝内的导流板的引导进入静叶前缘端壁的主流区域。冷却射流在导流板的作用下，对静叶前缘滞止点附近的端壁以及静叶吸力面进行更充分的冷却，从而使得冷却更为均匀，提高冷却效率。此外，槽缝隔板结构后表面与静叶前缘端壁通过过渡圆角也能够削弱冷却射流进入主流区后的流动分离现象。

综上所述，本发明提供的具有提高静叶通道端壁冷却效率的槽缝隔板结构，在隔板的组成结构导流板的引导下部分槽缝冷却射流朝向静叶前缘高压区附近的端壁，增大了静叶前缘高压区附近端壁处的冷却气流流量，使得冷却更为均匀，从而显著提高静叶前缘端壁的冷却效率，保证静叶前缘端壁安全有效地工作。本发明的槽缝隔板结构对目前强化燃气涡轮中的静叶前缘端壁冷却效果具有普遍适用性。

附图说明

图1是一种传统燃烧室—涡轮子午面剖视图和涡轮叶栅及端壁示意图；

图2是带有本发明的槽缝隔板结构的燃烧室—涡轮子午面剖视图

图3是槽缝后表面与端壁过渡圆角示意图；

图4是传统槽缝冷却结构的涡轮叶栅及端壁冷却结构示意图；

图5是带有本发明槽缝隔板冷却结构的涡轮叶栅及端壁的正三轴测图；

图6是带有本发明槽缝隔板冷却结构的涡轮叶栅及端壁的侧视图；

图7是带有本发明的槽缝隔板结构的涡轮叶栅及端壁的相对位置示意图；

图8是图7在槽缝隔板结构处的放大示意图。

图中：1-燃气涡轮静叶，2-燃烧室与涡轮间的上端壁槽缝，3-燃烧室上壁面气膜孔，4-燃烧室，5-燃烧室下壁面气膜孔，6-槽缝冷却结构，7-静叶端壁气膜孔，8-静叶前缘端壁，9-槽缝出口宽度w，10-槽缝冷却结构后表面过渡圆角半径r，11-隔板结构中一号导流板，12-隔板结构中二号导流板，13-隔板结构中三号导流板，14-两相邻静叶前缘点之间沿额线距离p，15-导流板11与导流板12上端面距离d1，16-导流板12与导流板13上端面距离d2，17-导流板厚度t。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参见图1-图8，本发明采用如下技术方案来实现的：

一种具有提高静叶通道端壁冷却效率的槽缝隔板结构，即在燃气涡轮的燃烧室与燃气涡轮静叶之间存在的槽缝冷却结构中添加两组隔板，使得槽缝冷却射流在静叶前缘端壁分布更为均匀，提高冷却效率，保障静叶前缘及附近端壁安全有效地工作。

本发明进一步的改进在于，槽缝结构中添加两组隔板，每组隔板含三个导流板，每组隔板的二号导流板与静叶前缘点位置相对应。导流板上端面距离d1，d2与两相邻静叶前缘点之间沿额线距离p的关系为：

d1＝d2＝(10％～15％)p

本发明进一步的改进在于，导流板厚度t与槽缝出口宽度w的关系为：

1.2w＜t＜1.6w

本发明进一步的改进在于，槽缝冷却结构后表面与静叶前缘端壁通过过渡圆角平滑连接；槽缝冷却结构后表面过渡圆角半径r与槽缝出口宽度w的关系为：

0.8w＜r＜1.0w

本发明进一步的改进在于，各导流板与端壁周向垂直。

参见图3，本发明的槽缝隔板结构在槽缝冷却结构后表面与静叶前缘端壁通过圆角半径r10的过渡圆角连接，以减少槽缝冷却射流在端壁处的流动分离，同时也保证了槽缝内的隔板主体部分与槽缝外部沿端壁轴向的隔板尾部能够平滑连接，对主流的影响较小。过渡圆角半径r10大小的确定与槽缝冷却结构的槽缝出口宽度w9有关。

参见图5至图8，与图4中传统槽缝冷却结构6相比，本发明共两组槽缝隔板结构，其中第一组隔板结构包含一号导流板11，二号导流板12，三号导流板13，其中导流板12上端点与静叶前缘点相对应。两相邻静叶前缘点沿额线距离为p，导流板11与12上端面沿端壁周向距离为d1，导流板12与13上端面沿端壁周向距离为d2，导流板上端面距离d1，d2大小的确定与相邻静叶前缘点沿额线距离为p有关，而每个导流板的厚度t17与槽缝出口宽度w9有关。

本发明在实施中，首先通过数值模拟确定采用传统槽缝冷却结构时槽缝冷却射流进入主流时在静叶通道端壁8的流动分离程度，再根据给定的槽缝出口宽度w9，来确定过渡圆角半径r10和导流板厚度t17。通过数值模拟确定静叶前缘高压区附近压力分布和槽缝冷却射流的分离程度，再根据相邻静叶前缘点沿额线距离为p来确定导流板上端面距离d1，d2。数值模拟结果显示在槽缝射流吹风比m＝1.0时，隔板及槽缝尺寸满足如下条件时，可显著增大静叶前缘高压区冷却射流流量，使冷却更为均匀，同时也能显著提高静叶吸力面的冷却效率，即过渡圆角半径满足0.8w＜r＜1.0w，导流板厚度满足1.2w＜t＜1.6w，导流板上端面距离d1，d2满足d1＝d2＝(10％～15％)p。即采用本发明的槽缝隔板结构时，隔板中的导流板能够引导部分冷却射流流向静叶前缘高压区和静叶吸力面，使冷却更加均匀，提高冷却效率，同时也抵消了一部分卷吸作用对冷却的影响。

本发明的技术原理如下：

参见图1，在燃气涡轮中，采用传统的槽缝冷却结构和静叶端壁气膜孔7对静叶通道端壁8进行冷却保护。参见图7，大量研究表明由于高温燃气在静叶前缘发生滞止，滞止点附近压力较高，与叶栅通道形成压差，造成冷却流对静叶前缘滞止点附近的端壁结构无法充分冷却。大量研究显示：强烈的端壁次流作用下，槽缝冷却射流受到卷吸作用与静叶前缘端壁发生分离，导致静叶通道端壁部分区域的热负荷显著增大。研究表明：通过增大静叶滞止点附近冷却射流的流量，可以使得静叶端壁的冷却更均匀，从而可以显著提高静叶前缘端壁的冷却效率。本发明的槽缝隔板结构通过改变槽缝冷却射流的流向，增大进入静叶前缘附近端壁的冷却射流流量，使得冷却流分布更为均匀。因此，采用本发明的槽缝隔板结构可显著提高静叶前缘附近端壁的冷却效率。

数值模拟结果已初步证明了本发明的槽缝隔板结构能够明显增大流向静叶前缘高压区附近端壁的流量，同时可以使得静叶前缘端壁的冷却流分布更为均匀，从而显著提高静叶前缘端壁的冷却效率。