一种具有侧向抽气槽及球窝的透平叶片尾缘冷却结构的制作方法

本发明涉及一种透平叶片内部冷却结构，特别涉及一种具有侧向抽气槽及球窝的透平叶片尾缘冷却结构。

背景技术：
：

燃气轮机/航空发动机作为工业界“皇冠上的明珠”，其透平叶片部件在运行时受到极大的热负荷，为了保证其安全运行，需要设计并构建大量的冷却结构以保证透平叶片的温度位于合理的范围内，与此同时还不能带来明显的阻力损失，以免不利于叶片的冷却效率。因此，开发高效的低阻力强化传热结构就成为了亟需解决的研究工作。透平叶片中的冷却结构常分为内部冷却及外部冷却两类，其中内部冷却主要包括冲击冷却、扰流强化传热等，布置内部冷却通道是透平叶片中最常见的冷却方式，通过内部冷却通道中冷却气体与壁面的传热带走从叶片外部传导的热流量起到冷却叶片壁面的效果，在叶片内部冷却通道中的U型、蛇形冷却通道及扰流强化传热结构是最为典型的增强传热特征；而外部冷却主要包括气膜冷却等，通过在叶片表面形成气膜隔绝高温燃气以起到保护叶片的作用，透平叶片的前缘、中弦区域、尾缘劈缝处都常采用气膜冷却作为保护叶片表面的方式。在实际高温透平叶片中，常常耦合各种冷却方式，以达到最佳的冷却效果。高温透平叶片的尾缘区域是叶片冷却结构设计时的关键部位，在高温气体的接触下，较薄的叶片尾缘区域往往需要多种冷却方式共同作用以保证其安全性。在高温透平叶片的尾缘设计中，往往在尾缘压力面侧布置“劈缝”结构，且连通尾缘附近内部冷却通道抽气槽。

研究表明，透平尾缘虽然采用了不同的冷却形式，但仍存在流动流阻大，沿程温升高，透平尾缘部分温度依然相对较高的问题；根据叶片型线的形状，叶片尾缘部分的内部冷却通道往往较窄(较大宽高比AR)，在该区域布置肋片存在一定的困难，且在此狭窄通道中布置肋片往往带来较为明显的阻力损失，对叶片冷却效率不利。基于该原因，在透平叶片尾缘区域常采用针状翅片、涡结构发生器等结构作为冷却结构；透平尾缘中有些冷却结构虽然能达到比较好的冷却效果，但是结构复杂。因此，开发透平叶片尾缘结构简单的高效的低阻力强化传热结构，是目前进一步降低叶片工作温度的主要研究方向之一。

技术实现要素：
：

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供了一种适用于涡轮叶片尾缘冷却的具有侧向抽气槽及球窝的透平叶片尾缘冷却结构。这种具有侧向抽气槽及球窝的透平叶片尾缘冷却结构在流场中不产生凸起，布置在较薄的尾缘冷却通道中阻力损失较低，且也能起到较好的传热效果。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

一种具有侧向抽气槽及球窝的透平叶片尾缘冷却结构，该透平叶片具有叶片内部冷却腔以及设置在透平叶片端面上与叶片内部冷却腔相连通的冷却流体流进管，且叶片内部冷却腔内的叶片内部冷却腔热表面交错设置有若干叶片内部冷却腔隔板，叶片内部冷却腔热表面与若干叶片内部冷却腔隔板组成了透平叶片内部U型冷却通道；

叶片尾缘附近的叶片内部冷却腔热表面上均匀布置有叶片尾缘附近内部冷却球窝结构，若干侧向抽气槽布置在尾缘附近冷却通道侧面，在叶盆唇部附近的叶片尾缘劈缝处叶背面处均匀布置有叶片尾缘冷却球窝结构，若干侧向抽气 槽用于将布置有叶片尾缘附近内部冷却球窝结构的内部冷却通道与布置有叶片尾缘冷却球窝结构的外部冷却通道相连通，形成这种带有侧向抽气槽及球窝的透平叶片尾缘内部冷却与外部冷却一体式的冷却结构。

本发明进一步的改进在于，叶片尾缘附近内部冷却球窝结构为错排布置或者顺排布置。

本发明进一步的改进在于，叶片尾缘附近内部冷却球窝结构布置的流向间距P_s/D在0.5至2之间，展向间距P_d/D在0.5至2之间，球窝的相对深度δ/D为0.05至0.5之间。

本发明进一步的改进在于，侧向抽气槽为矩形通道或梯形通道。

本发明进一步的改进在于，侧向抽气槽的长度在8mm至16mm之间，高度在1.5mm至3.5mm之间，流向间距在15mm至30mm之间。

本发明进一步的改进在于，冷却射流劈缝高度t/H在0.5至1.5之间，劈缝倾斜角α在5°至15°之间。

本发明进一步的改进在于，冷却气体从劈缝附近的射流槽喷出，气膜吹气比M在0.2至1.5之间。

本发明进一步的改进在于，叶片尾缘冷却球窝结构为错排布置或者顺排布置，布置的流向间距为10～20mm，展向间距为7～17mm，流向包含5～9排球窝、展向包括2～4排球窝，球窝的相对深度δ/D为0.05至0.5之间。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明设计合理，结构简单，解决了在较窄的叶片尾缘内部冷却通道中布置传热结构难的问题；

2、这种具有侧向抽气槽及球窝的透平叶片尾缘冷却结构在流场中不产生凸起，布置在较薄的尾缘冷却通道中阻力损失较低，且也能起到较好的传热效果；

3、在布置这种具有侧向抽气槽及球窝的透平叶片尾缘冷却结构下，流场相互干涉，流体流经球窝结构会出现复杂的流动分离、再附、甚至提前转捩等现象，通过在冷却通道中布置球窝结构通常能产生显著的强化传热效果，且错排布置下球窝覆盖了内部热表面更多的区域，因此在通道的中心区域具有更高的传热系数；

4、在叶片尾缘冷却通道中错排布置的球窝内部，分离涡与主通道内的旋涡合并，冷却射流吸附在球窝的表面形成了质量较好的气膜层，直至离开最后一个球窝才被逐渐打破并迅速与高温主流混合，使得气膜冷却效率得到一定程度的提升，增强了尾缘叶背面侧固体处的冷却效果；

5、在叶片尾缘附近内部冷却通道及与高温主流接触的叶背外表面均布置简单的球窝传热结构，并利用侧向抽气槽连通内部与外部冷却通道，不仅具有良好的传热特性，且具有较好的加工一体性，更具可实施性。

附图说明：

图1为本发明实施例透平叶片尾缘附近内部冷却通道和外部冷却通道组合剖视图；

图2为叶片尾缘附近内部冷却通道的局部球窝布置示意图；

图3为叶片尾缘附近局部抽气槽布置示意图；

图4为叶片尾缘外部冷却通道的局部球窝布置示意图；

其中：1、冷却流体流进管，2、叶片内部冷却腔，3、叶片内部冷却腔热表面，4、叶片内部冷却腔隔板，5、叶片尾缘附近内部冷却球窝结构，6、侧向抽气槽，7、叶片尾缘劈缝处叶背面，8、叶盆唇部，9、叶片尾缘冷却球窝结构。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1至图4所示，本发明提供的具有侧向抽气槽及球窝的透平叶片尾缘冷却结构，包括冷却流体流进管1、叶片内部冷却腔2、叶片内部冷却腔热表面3、叶片内部冷却腔隔板4、叶片尾缘附近内部冷却球窝结构5、侧向抽气槽6、叶片尾缘劈缝处叶背面7、叶盆唇部8和叶片尾缘冷却球窝结构9，其中，冷却流体流进管1连通叶片内部冷却腔2，叶片内部冷却腔热表面3与多个叶片内部冷却腔隔板4组成了叶片内部U型冷却通道，叶片尾缘附近的叶片内部冷却腔热表面3上均匀布置了叶片尾缘附近内部冷却球窝结构5，侧向抽气槽6布置在尾缘附近冷却通道侧面，在叶盆唇部8附近的叶片尾缘劈缝处叶背面7处均匀布置了叶片尾缘冷却球窝结构9，叶片尾缘附近内部冷却球窝结构5为错排布置(具体地也可为顺排布置)，布置的流向间距P_s/D在0.5至2之间，展向间距P_d/D在0.5至2之间，球窝的相对深度δ/D(球窝深度/球窝直径)为0.05至0.5之间，侧向抽气槽6均匀布置在尾缘冷却通道侧面，作为尾缘劈缝处气膜的冷却射流入口，其长度在8mm至16mm之间，高度在1.5mm至3.5mm之间，流向间距在15mm至30mm之间，冷却射流劈缝高度t/H在0.5至1.5之间，劈缝倾斜角α在5°至15°之间，冷却气体从劈缝附近的侧向抽气槽6喷出，气膜吹气比M在0.2至1.5之间，决定了冷却气体相应的进口速度值，叶片尾缘冷却球窝结构9为错排布置(具体地也可为顺排布置)，布置的流向间距为10～20mm，展向间距为7～17mm，流向包含5～9排球窝、展向包括2～4排球窝，球窝的相 对深度δ/D(球窝深度/球窝直径)为0.05至0.5之间。

在本发明中，冷却气流从冷却流体流进管1进入叶片内部冷却腔2，经过叶片内部冷却腔热表面3与多个叶片内部冷却腔隔板4组成的叶片内部U型冷却通道后，流入叶片尾缘附近内部冷却球窝结构5的内部冷却通道，经尾缘劈缝流入布置侧向抽气槽6的尾缘冷却通道，冷却空气沿着流动方向不断从各个侧向抽气槽6道内流出。劈缝结构连接尾缘的叶盆与叶背面，劈缝与尾缘区域相邻的叶片内部冷却腔2相通，冷却气体沿劈缝处吹出，与叶盆唇部8冲击下来的高温主流混合，在对应的叶片尾缘劈缝处叶背面7侧表面形成气膜，同时以对流传热的方式带走部分来自吸力面侧的热量，共同作用对叶片尾缘局部区域进行冷却，形成一个外部冷却和内部冷却相互结合的特殊现象。冷却气体流经与高温主流接触的布置叶片尾缘冷却球窝结构9的叶片尾缘劈缝处叶背面7，球窝腔内部形成的小分离涡将冷却射流吸附在球窝的表面，在球窝的表面形成了一层质量较好的气膜层，与高温主流隔离，接近出口的尾缘球窝表面附近的流体温度仍然较低，直至离开最后一个球窝结构，气膜层才被逐渐打破并迅速与高温主流混合，因此可以预测叶片尾缘冷却球窝结构9的布置能更好的“保护”气膜层在尾缘表面的覆盖，并与高温主流隔绝，从而得到更高的气膜冷却效率，增强了叶片尾缘劈缝处叶背面7侧固体处的冷却效果。除此之外，球窝区域的冷却气膜发生流动分离再附，也将改变尾缘表面的对流传热系数。与此同时，球窝在错排布置下流场相互干涉，且错排布置下球窝覆盖了内部冷却腔热表面和尾缘表面更多的区域，因此在通道的中心区域具有更高的传热系数。

本发明的加工工艺简单，与传统的冷却结构一样，可以采用熔模铸造的方式将叶片尾缘附近内部冷却球窝结构5，叶片尾缘冷却球窝结构9以及叶片内部冷却腔隔板4与叶片一同铸造出；但与传统的适用于尾缘冷却的结构相比，本 发明这种具有侧向抽气槽6、叶片尾缘附近内部冷却球窝结构5及叶片尾缘冷却球窝结构9的透平叶片尾缘内部冷却与外部冷却一体式的冷却结构，在流场中不产生凸起，阻力损失较低，且也能起到较好的传热效果，解决了在较窄的叶片尾缘内部冷却通道中布置传热结构难的问题；在叶片尾缘冷却通道中错排布置的叶片尾缘冷却球窝结构9内部，分离涡与主通道内的旋涡合并，冷却射流吸附在球窝的表面形成了质量较好的气膜层，直至离开最后一个球窝才被逐渐打破并迅速与高温主流混合，使得气膜冷却效率得到一定程度的提升，增强了尾缘叶背面侧7固体处的冷却效果；在布置这种带有侧向抽气槽6及叶片尾缘附近内部冷却球窝结构5、叶片尾缘冷却球窝结构9的透平叶片尾缘冷却结构下，流场相互干涉，流体流经球窝结构会出现复杂的流动分离、再附、甚至提前转捩等现象，能产生显著的强化传热效果，且错排布置下球窝覆盖了叶片内部冷却腔热表面3和叶片尾缘劈缝处叶背面7更多的区域，因此在通道的中心区域具有更高的传热系数。该冷却结构对于进一步提升透平叶片尾缘区域的冷却效果具有重要意义。