本發(fā)明屬于燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片冷卻
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體地說，涉及一種帶有陣列針肋的渦輪葉片尾緣擾流半劈縫冷卻結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
：提高渦輪進(jìn)口溫度是提高燃?xì)廨啓C(jī)推力和效率的有效途徑，但渦輪進(jìn)口溫度的提高會(huì)使得渦輪葉片承受更大的熱負(fù)荷，過高的溫度和熱應(yīng)力可能導(dǎo)致渦輪葉片無法正常工作?，F(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)的進(jìn)口溫度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了所用材料的耐溫極限，因此必須采用復(fù)雜的冷卻技術(shù)來保證渦輪在高溫的條件下正常運(yùn)轉(zhuǎn)。而渦輪葉片的尾緣處往往是高溫部位，也最容易受熱腐蝕而損壞，其冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度更為突出，主要原因是葉片后部燃?xì)鈧?cè)流動(dòng)往往已發(fā)展為湍流，使該部位外表面的換熱強(qiáng)度很大，同時(shí)葉片吸力面的氣膜冷卻往往在前部，對(duì)后部產(chǎn)生的影響已經(jīng)很小，在葉片內(nèi)部，冷卻氣體經(jīng)途中吸熱到達(dá)尾部時(shí)溫度也相對(duì)較高，冷卻作用也相對(duì)較小。因此設(shè)計(jì)高效的尾緣氣膜冷卻結(jié)構(gòu)是保證渦輪葉片穩(wěn)定工作的重要措施。在專利cn203214109u中公開了“一種渦輪葉片尾緣冷卻結(jié)構(gòu)”，該結(jié)構(gòu)通過對(duì)高溫燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片尾緣采用雙列排氣縫冷卻結(jié)構(gòu)，在葉片尾緣實(shí)現(xiàn)外表面氣膜冷卻和內(nèi)表面強(qiáng)迫對(duì)流冷卻的復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，從而解決葉片尾緣壁面溫度偏高的技術(shù)問題。雖然該結(jié)構(gòu)采用復(fù)合冷卻來改善渦輪葉片尾緣冷卻問題，但是從渦輪葉片氣動(dòng)性能的角度來看，在強(qiáng)度允許的條件下，葉片尾緣厚度應(yīng)盡量地薄，以減小渦輪葉片的尾跡損失。受加工工藝的約束，該種雙列排氣縫冷卻結(jié)構(gòu)要求渦輪葉片尾緣必須有足夠的厚度才可以實(shí)現(xiàn)。在文獻(xiàn)“渦輪葉片尾緣劈縫氣膜冷卻特性實(shí)驗(yàn)研究”(《工程熱物理學(xué)報(bào)》，2016年，第37期，1988頁—1993頁)中，采用熱色液晶瞬態(tài)傳熱測(cè)量，研究了直肋和倒斜角肋兩種不同的分隔肋結(jié)構(gòu)對(duì)尾緣層板冷卻結(jié)構(gòu)劈縫氣膜冷卻特性的影響，雖然其結(jié)論表示葉片尾緣半劈縫的氣膜冷效受到分隔肋的形狀的影響，但是隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁囟鹊牟粩嗵岣?，傳統(tǒng)半劈縫結(jié)構(gòu)的冷卻能力逐漸地趨于極限，高壓渦輪葉片尾緣燒蝕現(xiàn)象時(shí)常出現(xiàn)在葉片尾緣的吸力面?zhèn)?，因此發(fā)展和創(chuàng)新渦輪葉片尾緣高效冷卻結(jié)構(gòu)，在不增加冷氣用量的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升綜合冷卻效果，對(duì)于先進(jìn)高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制是非常有必要和有意義的。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為了避免現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出一種帶有陣列針肋的渦輪葉片尾緣擾流半劈縫冷卻結(jié)構(gòu)，將陣列針肋應(yīng)用到半劈縫壁面，在不增加氣膜出流量的前提下，通過擾流結(jié)構(gòu)提高氣膜對(duì)流換熱系數(shù)以及換熱面積、增強(qiáng)半劈縫氣膜冷卻的對(duì)流換熱強(qiáng)度，從而提高葉片尾緣的綜合冷卻效果。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:包括葉片尾緣吸力面、葉片尾緣壓力面、尾緣半劈縫壁面、分隔肋、陣列針肋，其特征是在葉片尾緣壓力面切除部分壁面，保留葉片尾緣吸力面一側(cè)的壁面與間隔的分隔肋形成多個(gè)半劈縫結(jié)構(gòu)，半劈縫結(jié)構(gòu)的唇板厚度t與冷氣出流縫高度s的比值為0.2～1.5，半劈縫傾斜角為0～15°,冷卻氣流從冷流出口中噴射出覆蓋在尾緣半劈縫壁面上形成冷卻氣膜；所述陣列針肋均布設(shè)置在冷流出口部位的尾緣半劈縫壁面，且位于兩個(gè)分隔肋之間錯(cuò)排排布或順排排布；所述陣列針肋的針肋柱高h(yuǎn)與冷氣出流縫高度s比值為0.1～0.5，針肋柱截面直徑d與針肋柱高h(yuǎn)的比值為0.5～2，流向間距x與針肋柱截面直徑d的比值為1.5～5，展向間距y與針肋柱截面直徑d的比值為1.5～5。所述陣列針肋由若干針肋柱組成，陣列針肋為等高陣列或梯級(jí)陣列。所述陣列針肋的排數(shù)和列數(shù)根據(jù)半劈縫壁面的流向長(zhǎng)度l、陣列針肋的流向間距x、展向間距y確定。有益效果本發(fā)明提出的一種帶有陣列針肋的渦輪葉片尾緣擾流半劈縫冷卻結(jié)構(gòu)，將陣列針肋應(yīng)用于半劈縫壁面，在不增加氣膜出流量的前提下，通過擾流結(jié)構(gòu)提高氣膜對(duì)流換熱系數(shù)以及換熱面積、增強(qiáng)半劈縫氣膜冷卻的對(duì)流換熱強(qiáng)度，從而提高葉片尾緣的綜合冷卻效果。帶有連續(xù)陣列針肋的渦輪葉片尾緣擾流半劈縫冷卻結(jié)構(gòu)，是在葉片尾緣壓力面切除部分壁面，保留葉片尾緣吸力面一側(cè)的壁面與間隔的分隔肋形成多個(gè)半劈縫結(jié)構(gòu)，冷卻氣流從冷流出口中噴射出覆蓋在尾緣劈縫壁面上形成冷卻氣膜。在半劈縫壁面布置簡(jiǎn)單的陣列針肋結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)合理，且有效地降低吸力面的最高溫度和平均溫度，克服了渦輪葉片的吸力面高溫?zé)g的問題。本發(fā)明帶有陣列針肋的渦輪葉片尾緣擾流半劈縫冷卻結(jié)構(gòu)，不僅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、良好的傳熱特性，而且具有較好的加工可實(shí)施性；可應(yīng)用于各種渦輪葉片中。附圖說明下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明一種帶有陣列針肋的渦輪葉片尾緣擾流半劈縫冷卻結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1為本發(fā)明帶有陣列針肋的渦輪葉片尾緣擾流半劈縫冷卻結(jié)構(gòu)軸測(cè)圖。圖2為本發(fā)明帶有陣列針肋的渦輪葉片尾緣擾流半劈縫冷卻結(jié)構(gòu)俯視圖。圖3為本發(fā)明圖2的a-a剖視圖。圖4為本發(fā)明帶有陣列針肋的渦輪葉片尾緣擾流半劈縫冷卻結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。圖5為應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片示意圖。圖6為二維尾緣半劈縫傳熱模型示意圖。圖7為擾流半劈縫冷卻結(jié)構(gòu)與常規(guī)尾緣半劈縫結(jié)構(gòu)的半劈縫壁面的展向平均氣膜冷卻效率對(duì)比曲線。圖8為擾流半劈縫冷卻結(jié)構(gòu)與常規(guī)尾緣半劈縫結(jié)構(gòu)的半劈縫壁面的展向平均換熱系數(shù)對(duì)比曲線。圖中:1.葉片尾緣壓力面2.分隔肋3.尾緣半劈縫壁面4.陣列針肋5.冷流出口6.葉片尾緣吸力面7.冷流入口8.尾緣區(qū)域具體實(shí)施方式本實(shí)施例是一種帶有陣列針肋的渦輪葉片尾緣擾流半劈縫冷卻結(jié)構(gòu)。參閱圖1～圖6，本實(shí)施例帶有陣列針肋的渦輪葉片尾緣擾流半劈縫冷卻結(jié)構(gòu)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片中，該擾流半劈縫冷卻結(jié)構(gòu)應(yīng)用在渦輪葉片的尾緣區(qū)域8，由葉片尾緣吸力面6、葉片尾緣壓力面1、尾緣半劈縫壁面3、分隔肋2、陣列針肋4、冷流出口5、冷流入口7組成；其中，在葉片尾緣壓力面1切除部分壁面，保留葉片尾緣吸力面6一側(cè)的壁面與間隔的分隔肋2形成多個(gè)半劈縫結(jié)構(gòu)；半劈縫結(jié)構(gòu)的唇板厚度t與冷氣出流縫高度s的比值為0.2～1.5，半劈縫傾斜角為0～15°,冷卻氣流從冷流出口5中噴射出覆蓋在尾緣半劈縫壁面3上形成冷卻氣膜。陣列針肋4均布設(shè)置在冷流出口部位的尾緣半劈縫壁面3，且位于兩個(gè)分隔肋2之間錯(cuò)排排布或順排排布。陣列針肋4的針肋柱高h(yuǎn)與冷氣出流縫高度s比值為0.1～0.5，針肋柱截面直徑d與針肋柱高h(yuǎn)的比值為0.5～2，流向間距x與針肋柱截面直徑d的比值為1.5～5，展向間距y與針肋柱截面直徑d的比值為1.5～5。陣列針肋4由若干針肋柱組成，陣列針肋4為等高陣列或梯級(jí)陣列。陣列針肋4的排數(shù)和列數(shù)根據(jù)半劈縫壁面的流向長(zhǎng)度l、陣列針肋的流向間距x、展向間距y確定。本實(shí)施例中，來自葉片內(nèi)部冷卻腔的冷卻氣流從冷流入口7進(jìn)入尾緣區(qū)域8，從冷流出口5中沿尾緣劈縫壁面3吹出，并與葉片尾緣壓力面1的高溫主流混合，在對(duì)應(yīng)的尾緣劈縫壁面3形成冷卻氣膜。通過在尾緣劈縫壁面3上布置陣列針肋4，使得該區(qū)域的冷卻氣膜發(fā)生流動(dòng)、分離、再附，壁面擾流結(jié)構(gòu)的加入對(duì)半劈縫氣膜射流的近壁流動(dòng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，改變尾緣表面的對(duì)流換熱強(qiáng)度。半劈縫冷卻結(jié)構(gòu)對(duì)于葉片尾緣壓力面1是氣膜冷卻，對(duì)于葉片尾緣吸力面6則是內(nèi)部冷卻，冷氣膜一方面要隔絕葉片尾緣壓力面1的燃?xì)鈱?duì)尾緣區(qū)域8的加熱，另一方面還要吸收葉片尾緣吸力面6的燃?xì)馔ㄟ^尾緣壁導(dǎo)入的熱量。通過擾流結(jié)構(gòu)提高氣膜對(duì)流換熱系數(shù)以及換熱面積、增強(qiáng)半劈縫氣膜冷卻的對(duì)流換熱強(qiáng)度，提高尾緣的綜合冷卻效果。如圖7和圖8分別對(duì)擾流半劈縫冷卻結(jié)構(gòu)與常規(guī)尾緣半劈縫結(jié)構(gòu)的半劈縫壁面的展向平均氣膜冷卻效率和換熱系數(shù)進(jìn)行對(duì)比。兩者在相同條件下進(jìn)行模擬。在本實(shí)施例中，帶有陣列針肋4的渦輪葉片尾緣擾流半劈縫冷卻結(jié)構(gòu)中,在尾緣劈縫壁面3布置了六排陣列針肋4，陣列針肋4由等高的圓柱形針肋柱錯(cuò)排排布組成；針肋柱高h(yuǎn)為0.12mm，針肋柱截面直徑d為0.1mm，流向間距x為0.6mm，展向間距y為0.6mm。為了保證可比性，兩者在相同條件下進(jìn)行模擬，半劈縫結(jié)構(gòu)的唇板厚度t為0.4mm，尾緣壁厚度δ為1.0mm，冷流出口5高度s為0.5mm，半劈縫傾斜角為0°，吹風(fēng)比m為1.0，差異僅為尾緣劈縫壁面3是否布置陣列針肋4。通過展向平均氣膜冷卻效率對(duì)比可見，常規(guī)尾緣半劈縫結(jié)構(gòu)的冷卻效率比擾流半劈縫冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻效率高，但是差別不大，是由于陣列針肋的擾流效果造成的；通過展向平均換熱系數(shù)對(duì)比可見，擾流半劈縫冷卻結(jié)構(gòu)的換熱系數(shù)要明顯高于常規(guī)尾緣半劈縫結(jié)構(gòu)，主要得益于在半劈縫壁面布置的陣列針肋帶來的強(qiáng)化換熱效果。面積平均冷卻效率和換熱系數(shù)的結(jié)果如下表所示:擾流半劈縫冷卻結(jié)構(gòu)常規(guī)尾緣半劈縫結(jié)構(gòu)半劈縫壁面的氣膜冷卻效率0.993760.99667半劈縫壁面的對(duì)流換熱系數(shù)3150.7253w/m2·k1998.6494w/m2·k尾緣吸力面的對(duì)流換熱系數(shù)1425.490w/m2·k1258.793w/m2·k如圖6所示，半劈縫冷卻結(jié)構(gòu)對(duì)于尾緣壓力面是氣膜冷卻，對(duì)于尾緣吸力面則是內(nèi)部冷卻，冷氣膜一方面要隔絕壓力面?zhèn)热細(xì)鈱?duì)尾緣的加熱，另一方面還要吸收吸力面?zhèn)热細(xì)馔ㄟ^尾緣壁導(dǎo)入的熱量。因此尾緣吸力面?zhèn)缺跍豻w2高于半劈縫壁面溫度tw1，而尾緣的綜合冷卻效果主要取決于吸力面壁溫的降低程度。在圖6所示的邊界條件和一維傳熱過程的假設(shè)下，通過如下熱量傳遞平衡方程:式中，tg為燃?xì)鉁囟?，tc為冷氣溫度，t為半劈縫唇板厚度，s為冷流出口高度，δ為尾緣壁厚度，k為尾緣壁導(dǎo)熱系數(shù)，hg為葉片尾緣吸力面的對(duì)流換熱系數(shù)，tw2為葉片尾緣吸力面壁溫，tw1為尾緣劈縫壁面溫度，hf為尾緣劈縫壁面上的對(duì)流換熱系數(shù)，η為尾緣劈縫壁面的氣膜冷卻效率。通過式(1)可得到吸力面壁溫tw2與燃?xì)鉁囟?、冷氣溫度、氣膜冷卻效率以及兩側(cè)壁面對(duì)流換熱系數(shù)的關(guān)系式:將相應(yīng)數(shù)值帶入式(2)-(3)可得常規(guī)尾緣半劈縫結(jié)構(gòu)和擾流半劈縫冷卻結(jié)構(gòu)的葉片尾緣吸力面壁溫分別為1070.958k和1002.710k，可見帶有陣列針肋的渦輪葉片尾緣擾流半劈縫冷卻結(jié)構(gòu)能有效地降低葉片尾緣吸力面壁溫。當(dāng)前第1頁12