[发明专利]一种涡轮叶片前缘带肋旋流-气膜复合冷却结构

说明书

一种涡轮叶片前缘带肋旋流‑气膜复合冷却结构，包括设置在涡轮叶片内部的旋流腔，旋流腔为圆柱形，位于涡轮叶片前缘处，旋流腔内设置有若干螺旋肋片，若干射流孔在涡轮叶片压力面侧与旋流腔切向连通以实现冷气的切向入射，若干前缘气膜孔在涡轮叶片前缘与旋流腔连通，若干叶顶气膜孔在叶顶与旋流腔连通，冷气由射流孔进入旋流腔形成切向旋流，增强附近壁面热交换。螺旋肋片增大周向旋流强度，并增大旋流腔前缘壁面换热面积，部分冷气由前缘气膜孔流出并覆盖在叶片前缘壁面，形成气膜冷却，同时改善腔内流动情况。其余冷气经叶顶气膜孔流出，在叶顶处形成气膜冷却。本发明能改善涡轮叶片前缘换热均匀性，提高叶片前缘换热性能，降低叶片前缘温度。

技术领域

本发明属于涡轮叶片冷却、换热技术领域，涉及航空发动机高温涡轮叶片的冷却、换热，特别涉及一种涡轮叶片前缘带肋旋流-气膜复合冷却结构。

背景技术

燃气轮机的比功率是衡量其热力性能的关键性指标，而热效率又与透平的进口温度直接相关。而透平进口温度的升高会导致其热端部件(叶片等)的热负荷升高，甚至超出材料承受范围而失效。而叶片前缘是叶片热负荷最高的区域之一，也是最容易烧蚀的部位之一。因而需要更加高效可靠的叶片冷却技术，使叶片能安全长久运行。

旋流冷却技术以高传热强度和小流动阻力等优点，成为叶片前缘内部冷却的重要研究课题。旋流冷却通过改变射流孔进气位置，使冷却气流切向射入旋流腔室，并沿着圆弧靶面形成横向大尺度涡，增强流体湍动能，从而增强叶片内部换热。气膜冷却通过在叶片表面布置离散空，使冷却气流覆盖在叶片表面，隔绝高温燃气，从而起到对叶片的保护作用。

然而目前关于旋流冷却结构的研究等仍停留在简单的改变几何结构参数等方面，并没有对改善内部旋流、减小启动损失等方向开展进一步工作。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，解决目前旋流冷却在换热强度、换热均匀性、气动性能等方面存在的问题，本发明的目的在于提供一种涡轮叶片前缘带肋旋流-气膜复合冷却结构，在采用旋流冷却结构的基础上改变其旋流腔内部几何结构，进一步增强圆弧形壁面附近的旋流强度，增强内部换热，同时通过前缘气膜孔的不同方式组合，进一步改善叶片内部流场，提高叶片内部、外部冷却特性，从而提高叶片抗热负荷能力。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种涡轮叶片前缘带肋旋流-气膜复合冷却结构，包括设置在涡轮叶片内部的旋流腔，旋流腔为圆柱形，位于涡轮叶片前缘处，所述旋流腔内设置有若干螺旋肋片，若干射流孔在涡轮叶片压力面侧与旋流腔切向连通以实现冷气的切向入射，若干前缘气膜孔在涡轮叶片前缘与旋流腔连通，若干叶顶气膜孔在叶顶与旋流腔连通，完成冷气的叶顶出流。

在一个实施例中，所述射流孔沿旋流腔的轴向(即涡轮叶片的径向)均匀分布，各射流孔相互独立控制，射流孔的孔截面为矩形，沿旋流腔的轴向，相邻射流孔的孔间距P与旋流腔直径D的比值P/D＝1.5-6，射流孔的段高H与D的比值H/D＝0.6-1，射流孔的孔长R与D的比值R/D＝0.3-0.8，射流孔的宽δ与D的比值δ/D＝0.02-0.1。

在一个实施例中，所述若干螺旋肋片布置在涡轮叶片前缘位置，前缘布置角度θ＝90-180°。

在一个实施例中，所述若干螺旋肋片分为多组，每组螺旋肋片沿旋流腔的轴向布置在相邻射流孔之间。

在一个实施例中，相邻每组螺旋肋片的螺距Φ与旋流腔直径D的比值Φ/D＝0.5-1，肋片高度h与D的比值h/D＝0.05-0.2，肋片厚度w与D的比值w/D＝0.05-0.2，所述每组螺旋肋片的肋片个数为单肋、双肋或三肋，当为双肋或三肋时，组内肋片的间距Δ与D的比值Δ/D＝0.5-2。

在一个实施例中，所述若干前缘气膜孔分为多组，每组前缘气膜孔沿旋流腔的轴向布置在相邻射流孔之间，且连通于旋流肋片的下游位置。