[发明专利]一种具有气膜冷却凹槽的涡轮叶片

说明书

本发明公开一种具有气膜冷却凹槽的涡轮叶片，叶片压力面侧壁和吸力面侧壁分别在上方设置压力侧肩壁和吸力侧肩壁，压力侧肩壁和吸力侧肩壁形成叶顶凹槽，叶顶凹槽中设置叶顶前缘肋条和叶顶尾缘肋条；叶顶前缘肋条连接压力侧肩壁和吸力侧肩壁，叶顶尾缘肋条一端连接压力侧肩壁，另一端位于叶片中弦线处。带气膜冷却凹槽的叶顶结构具有抑制间隙泄露流动，降低叶顶温度和改善叶顶换热的特性，提升冷气利用率、均匀叶顶温度分布、降低叶顶换热系数，从而减小热负荷，避免叶片高温氧化和腐蚀，延长叶片的使用寿命。叶顶结构简单，与机匣的接触面积小，更能承受叶尖与机匣表面的摩擦，实现更小的叶尖间隙，从而减少叶尖泄漏流与热负荷。

技术领域

本发明涉及航空发动机涡轮叶片的冷却，尤其是一种具有气膜冷却凹槽的涡轮叶片。

背景技术

航空发动机的效率一直是设计者和使用者非常关心的一项技术参数。而发动机的整机效率受发动机部件效率的影响非常大，如压气机效率、燃烧室效率、涡轮效率等。导致发动机部件效率下降有多方面的因素，其中涡轮的叶尖间隙泄漏流就是一个很大的气动损失源，影响涡轮效率。

首先，叶尖部分主流流体从压力侧进入到间隙中，这部分流体不跟随通道主流一起膨胀，对叶片不做功，从而导致转子的输出功率下降。其次，气流在间隙中流动会产生各种损失，包括：气流绕过叶顶的压力面后可能会形成分离泡，造成分离损失；来自叶尖压力面不同区域的泄漏流在间隙中掺混而形成的损失；间隙中的气流与叶顶表面、外机匣内壁面的摩擦损失。最后，泄漏流出叶尖间隙，从吸力侧流入到叶片通道后，受通道中切向逆压力梯度以及吸力面附面层径向移动的影响而形成的泄漏涡造成损失；泄漏涡流向下游时，与通道涡相互掺混造成损失。

除气动损失外，泄漏流的发生会对叶顶附近以及整个叶栅通道的换热特性产生重要影响：泄漏流加速流入间隙时叶尖压力侧的边界层很薄，从而使更多的热量传入叶片；泄漏流本身的高速混合会在难以冷却的叶尖表面引起较高的热负荷；泄漏流流出间隙引起的泄漏涡会冲击叶片吸力面，使其表面的换热系数很高。因此，间隙泄漏流动会使部分叶尖压力边出现烧蚀现象，从而限制涡轮进口温度的提高，间隙泄漏涡与上通道涡的相互作用还会加剧叶顶吸力面的高温氧化，不利于转子叶片寿命。

采用特殊的叶顶结构设计能够有效地抑制间隙泄露流动，降低叶尖泄露流带来的气动损失和热负荷，目前已知的一些方法包括凹槽叶尖、带冠叶尖、翼梢小翼以及叶尖修型等。事实上，叶尖附近的流动除了叶尖泄漏涡之外，还有刮削涡、通道涡以及特殊叶顶结构诱导出的角涡，这些涡系都可能导致局部高换热系数。综上，现有转子叶片叶顶结构形式虽然有一定的积极作用，但仍存在局限性。

发明内容

发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种能够降低涡轮转子叶顶温度和热负荷的具有气膜冷却凹槽的涡轮叶片。

技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种具有气膜冷却凹槽的涡轮叶片，叶身主体包括叶顶面、压力面侧壁和吸力面侧壁，叶顶面位于压力面侧壁和吸力面侧壁之间，压力面侧壁和吸力面侧壁均在上方设置肩壁，肩壁包括压力侧肩壁和吸力侧肩壁，压力侧肩壁沿压力面侧壁的叶顶曲线从前缘点开始至尾缘点结束，吸力侧肩壁沿吸力面侧壁的叶顶曲线从前缘点开始至尾缘点结束，压力侧肩壁和吸力侧肩壁形成叶顶凹槽，所述叶顶凹槽中设置有叶顶肋条，叶顶肋条包括叶顶前缘肋条和叶顶尾缘肋条；所述叶顶凹槽的叶顶前缘部分至少设置一条叶顶前缘肋条，所述叶顶前缘肋条连接压力侧肩壁和吸力侧肩壁，叶顶凹槽的叶顶尾缘部分至少设置一条叶顶尾缘肋条，所述叶顶尾缘肋条一端连接压力侧肩壁，另一端位于叶片中弦线处。