一種適用於燃氣渦輪發動機的梯形交錯肋冷卻葉片的製作方法

2023-10-07 19:17:19

專利名稱：一種適用於燃氣渦輪發動機的梯形交錯肋冷卻葉片的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種適用於燃氣渦輪發動機的梯形交錯肋冷卻葉片，該冷卻葉片的冷卻通道由原始的矩形交錯肋通道改變成梯形的交錯肋通道。

背景技術：
在燃氣渦輪發動機中的渦輪葉片緊挨著燃燒室，其所處環境溫度局部高達2000K。為了改善燃氣渦輪發動機的熱效率，一般採用提高渦輪前溫度，隨之帶來的是渦輪部件熱負荷的增加。另外，渦輪葉片(工作葉片)在高轉速下工作(轉速可達15000rpm以上)，處於非常高的離心力場當中。在如此惡劣的工作環境中，要保證葉片正常、可靠、長期的工作，就必須對渦輪葉片進行有效的冷卻，保持最佳的熱應力狀態。冷卻的原則是使用最少的冷氣量來保證葉片可靠工作。目前使用中的渦輪冷卻葉片有很多種，其中以俄羅斯為代表的是多腔複合交錯肋冷卻通道。其通道上的交錯肋一般為矩形交錯肋(9)(請參見圖1所示)。其結構參數一共有7個，分別為描述通道結構的通道寬度W、通道高度H、通道長度L，以及描述肋結構的肋高度e、肋寬度t、肋間距p以及肋傾角β。其結構見圖3--7。一旦這些參數確定，則交錯肋通道可以唯一確定。當肋高e＝H/2時，上下兩列肋片相接觸，此時整個通道被肋片分割成許多小的網格，這是交錯肋通道中的一種特殊形式，被稱為網格通道(LatticeworkChannel)。上下交錯的肋片形成許多副通道，冷卻氣流流入網格通道後，將沿著各副通道流動，在流至通道側端壁(11)時則會發生2β的偏轉，進而在通道內不斷翻折，這樣一來增加了冷卻氣體在通道內的流動距離，而且由於在側壁氣流發生大的翻折，形成的二次流可以對換熱起到增強作用。圖2給出了交錯肋通道內部空氣的流動情況。再者，由於通道被劃分為很多小的網格，氣流除了按照上述規律流動外，勢必會在各網格之間發生摻混，這樣形成的不規則二次流也有助於破壞覆面層，增強換熱效果。此外，大量的肋片也增加了通道內的換熱面積，這對於通道內部的換熱效果也起著積極的作用。
可見這種結構的冷卻使葉片冷卻效果好，熱載荷小，溫度分布均勻，熱應力小。但是該結構的不足也非常明顯如壓力損失比較大，冷氣利用率不高、質量大。


發明內容
本發明的目的是提供一種適用於燃氣渦輪發動機的梯形交錯肋冷卻葉片，其葉片內部的原始矩形交錯肋冷卻通道被改成梯形交錯肋冷卻通道，雖然使結構較未改之前換熱下降，但流阻較未改前下降頗多，綜合換熱效果(Nu/Cf1/3)大為提高；合理的梯形設計(選取恰當的梯形交錯肋截面底角α，γ；選取合適的肋高與肋間距比e/t)，在換熱和流阻之間尋找一個恰當的組合點，從而使綜合換熱效果(Nu/Cf1/3)最佳。
這種用於燃氣渦輪發動機渦輪葉片內部冷卻的梯形交錯肋冷卻通道，高H寬W冷卻通道的冷卻腔被高e寬t傾斜角為β和-β的兩組交錯肋(2)分隔成多個小的副流體通道(6)，其中e為H的一半，本發明其新特徵在於葉片內部的冷卻通道的冷卻腔被梯形交錯肋(8)分隔成多個小的副流體通道(10)，梯形頂端位於通道中心位置、底端位於通道壁面(12)處，使得肋的寬度離壁面(12)越遠則肋的寬度越小，梯形截面應滿足的形狀為45＜α＜80，45＜γ＜80，0.5＜e/t＜2，0＜t＜0.3L，其中α，γ表示梯形截面的兩個底角，e表示肋的高度，t表示梯形截面的底邊長，L表示葉片的弦向長度，α，γ取值相等。梯形交錯肋的葉片內部的冷卻通道的比擬係數Nu/Cf1/3為努塞爾數Nu和阻力係數Cf1/3之比，其比原矩形交錯肋的葉片內部的冷卻通道的比擬係數提高了10～50％，且質量比原矩形交錯肋冷卻通道減小。
本發明梯形交錯肋冷卻葉片的優點在於(1)採用梯形交錯肋通道替原有葉片中的矩形交錯肋通道，雖然換熱較原始通道弱化，但交錯肋通道的擴展，使得改進後通道流阻大幅度降低，從而綜合換熱效果(Nu/Cf1/3)增加4到5倍。(2)採用梯形交錯肋通道代替原有葉片的矩形交錯肋通道，改進後通道的質量大大減小。



圖1交錯肋冷卻葉片的剖視結構圖 圖2交錯肋通道內部的流動情況示意圖 圖3原始矩形交錯肋通道結構圖 圖4矩形交錯肋通道內部結構圖1 圖5矩形交錯肋通道內部結構圖2 圖6矩形交錯肋通道內部結構圖3 圖7矩形交錯肋通道平面結構示意圖 圖8本發明的梯形交錯肋通道示意圖 圖9梯形交錯肋通道內部結構圖1 圖10梯形交錯肋通道內部結構圖2 圖11梯形交錯肋通道內部結構圖3 圖12梯形交錯肋通道平面結構示意圖 圖中 1.葉根 2.葉尖 3.前緣 4.尾緣 5.梯形交錯肋 6.冷卻腔 7.隔板 8.梯形截面肋 9.矩形截面肋 10.副流體通道11.通道端壁12.通道壁面 p.兩肋間寬度 t.肋底邊寬度 β.肋傾角e.肋高度 H.通道高度 L.流向通道長度 W.通道寬度 α.梯形底角 γ.梯形底角
具體實施例方式 下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
請參見圖1所示，本發明是一種適用於燃氣渦輪發動機渦輪葉片內部冷卻的梯形交錯肋冷卻通道，該梯形交錯肋冷卻葉片的內部冷卻通道從葉根1端進冷卻氣，並從葉尖2或尾緣4出冷卻氣。其中，冷卻通道被隔板7分隔形成多個冷卻腔6。在大的中部和尾緣冷卻腔中，冷卻腔被在葉盆面和葉背面安裝的梯形交錯肋分隔成多個小的流動通道，通道內部的流動情況見圖2。
請參見圖3--圖7所示的通道簡化圖，原矩形交錯肋冷卻葉片的內部冷卻通道的結構為由多個矩形交錯肋(9)分隔成圖2所示的小通道(10)，形成了多腔回流式冷卻系統。一個通道的冷卻氣體，在由兩條矩形肋形成的通道(10)中流動，碰到端壁(11)後轉變流動方向，從另兩條矩形肋形成的通道中流動，再碰到端壁(11)後再轉向折返，直到到達葉尖後沒有壁面了就不再折返直接從葉尖流出，流體在通道中不斷的改變氣流方向，增大湍流度，增強換熱。然而，流體在通過這些矩形肋(9)形成的窄小通道時，流動損失非常大，極有可能在出口處出現回流的情況，這對於渦輪葉片來說是非常不利的，因為在工作中渦輪葉片處於高溫環境中，如果出現回流，將是高溫燃氣回流到葉片內部，使葉片的溫度超過其材料能承受的範圍。本發明的梯形交錯肋(8)冷卻葉片結構，把原先的矩形(9)交錯肋改成梯形(8)交錯肋，見圖8---圖12。使肋間的通道(10)相對於原來的矩形交錯肋形成的通道(10)增大了許多，這樣流阻損失相應地就減小了很多，換熱性能也相應的有所下降，但若從換熱和流阻綜合來考慮，這種發明還是非常有實際意義的。
本發明從傳熱學角度講，使整體熱應力分布均勻，壓力損失也遠遠低於原矩形交錯肋的冷卻葉片。
在本發明中，梯形交錯肋冷卻葉片是採用分次焊接加工成型，可以通過燃氣渦輪發動機渦輪葉片對冷卻功率的設計要求，將冷卻通道採用梯形交錯肋結構分隔成多個小的流體通道(10)，其中，梯形交錯肋(8)的單個肋的截面應滿足的形狀為45＜α＜80，45＜β＜80，0.5＜e/t＜2，0＜t＜0.3L，見圖10。
本發明的梯形交錯肋冷卻葉片，經簡化模型實驗和三維數值模擬測試其換熱性能和流動阻力，梯形交錯肋冷卻通道的比擬係數Nu/Cf1/3為努塞爾數Nu和阻力係數Cf1/3之比，其比原矩形交錯肋的葉片內部的冷卻通道的比擬係數提高了10～50％。
該梯形交錯肋的結構參數一共有8個，分別為描述通道結構的通道寬度W、通道高度H、通道長度L，肋高度e、肋寬度t、肋間距p以及肋傾角β，梯形肋傾角α、γ，具體見圖10。
權利要求
1.一種用於燃氣渦輪發動機渦輪葉片中部或者尾緣的內部冷卻梯形交錯肋通道，高H寬W冷卻通道的冷卻腔被高e寬t傾斜角為β和-β的兩組交錯肋(2)分隔成多個小的副流體通道(6)，其中斜肋(2)高e為通道高度H的一半，其特徵在於葉片內部的冷卻通道的冷卻腔被梯形交錯肋(8)分隔成多個小的副流體通道(10)，梯形頂端位於通道中心位置、底端位於通道壁面(12)處，使得肋離壁面(12)越遠的地方肋的寬度越小，斜肋(2)梯形截面應滿足的形狀為45＜γ＜80，45＜γ＜80，0.5＜e/t＜2，0＜t＜0.3L，其中α，γ表示梯形截面的兩個底角，e表示斜肋(2)的高度，t表示梯形截面的底邊長，L表示交錯肋通道沿流動方向的長度，α，γ取值相等。
全文摘要
本發明公開了一種適用於燃氣渦輪發動機的梯形交錯肋冷卻葉片，其葉片內部的交錯肋冷卻通道為多個梯形截面的肋交叉排列，並形成多個小的冷氣流道。其梯形截面的尺寸應在0＜α＜90，0＜γ＜90，0＜e/t＜10，0＜t＜L所限定的範圍內，且本發明梯形交錯肋冷卻通道的比擬係數Nu/Cf1/3為努塞爾數Nu和阻力係數Cf1/3之比，其值比原矩形交錯肋的葉片內部的冷卻通道的比擬係數提高了10～50％，其質量較原矩形交錯肋通道不同程度的減小。
文檔編號F01D5/18GK101158292SQ20071011876
公開日2008年4月9日 申請日期2007年7月13日 優先權日2007年7月13日
發明者韓樹軍, 鄧宏武, 劉傳凱, 智 陶, 丁水汀, 星 袁 申請人:北京航空航天大學