阵列的凹腔射流改善叶顶泄漏流动及换热的涡轮动叶片

摘要

本发明提供了一种阵列的凹腔射流改善叶顶泄漏流动及换热的涡轮动叶片，包括叶片本体，在叶片本体的叶顶从叶片本体的前缘到尾缘设有若干个凹腔射流结构，每个凹腔射流结构均包括棱柱型凹腔和射流管，所述的射流管设置在棱柱型凹腔的底面，射流管连通外部的棱柱型凹腔和叶片本体内部的冷却气体通道，射流管与相应的棱柱型凹腔底面之间设有夹角，所述棱柱型凹腔的最大高度与叶片本体高度的比值为0.5％‑4％。本发明相比于具有凹腔结构的涡轮动叶栅的叶顶，能够进一步抑制叶顶间隙泄漏流动，削弱叶栅吸力面一侧的泄露涡强度，降低由叶顶间隙泄漏引起的能量损耗；这种自冷却的凹腔射流结构也能够有效改善凹腔侧壁和叶顶表面的换热特性。

说明书

技术领域

本发明创造属于涡轮叶片领域，尤其是涉及一种阵列的凹腔射流改善叶顶泄漏流动及换热的涡轮动叶片。

背景技术

航空发动机的高性有赖于提高涡轮进口的燃气温度，却恶化了涡轮第一级导/动叶片的热环境。涡轮动叶片与机匣之间的叶顶间隙提供了叶片离心运动和受热膨胀所需的径向裕度，有效保障了涡轮动叶片和机匣之间近乎无摩擦的相对运动。通道内的高温流体在叶顶横向压力梯度驱使下加速进入间隙，在间隙内发生分离、再附等过程后，从吸力面一侧流出并参与形成泄露涡。泄漏流动增加了流经涡轮动叶片的燃气能量损耗，是造成涡轮动叶气动损失的重要来源。而加速进入间隙的通道内高温流体进一步恶化了叶顶附近的换热条件，增大了叶顶区域的热负荷。因此，如何降低叶顶间隙泄漏流量和叶顶热负荷已成为涡轮动叶叶顶造型的关键评价指标。

对于无围带涡轮动叶片，降低叶顶间隙泄漏流量和叶顶热负荷的主要控制手段有：叶顶几何造型、迷宫密封、叶顶射流等。叶顶几何造型和迷宫密封都是削弱无围带动叶叶顶间隙泄漏的重要方法。其中，凹槽叶顶造型与迷宫密封的作用相似，已得到广泛的应用和研究。该结构能降低间隙泄漏量和叶顶区域的热负荷，提高涡轮效率。利用叶顶射流来控制叶顶间隙泄漏流动的研究是在涡轮动叶叶顶表面布置冷气射流管，在叶顶表面施加的具有与泄漏流动方向相反的射流能够抑制叶顶间隙泄漏流动。而叶顶射流和凹槽叶顶结构的主被动组合控制技术既降低了间隙泄漏流量和能量损耗，也有助于改善叶顶区域的换热性能。但上述控制技术很难保证均衡叶顶的泄漏流量控制和换热性能改善，关于高性能涡轮动叶的叶顶造型需要进一步研究。

我们课题组在涡轮动叶栅叶顶布置棱柱凹腔及组合式凹腔结构的研究表明，将这种应用在涡轮动叶片叶顶的近似密封结构能够降低涡轮叶顶间隙泄漏流量，减小流经涡轮叶栅的气体能量损耗。在真实涡轮叶顶的恶劣高热负荷环境下，这种凹腔结构的侧壁表面直接受到泄漏流体的冲击，强化的换热环境使得凹腔侧壁极易被烧蚀损坏，严重影响了这种涡轮动叶栅叶顶造型在真实高性能涡轮动叶片中的应用价值。因此，需要发展一种既对叶顶表面和凹腔侧壁有效冷却，又不损坏凹腔抑制泄漏流动的主动流动控制技术。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在提出一种阵列的凹腔射流改善叶顶泄漏流动及换热的涡轮动叶片，能够进一步抑制叶顶间隙泄漏流动和降低流经叶栅的气体能量损耗，并通过冷却射流对凹腔内部结构实现有效的自冷却效果。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种阵列的凹腔射流改善叶顶泄漏流动及换热的涡轮动叶片，包括叶片本体，在所述的叶片本体的叶顶从叶片本体的前缘到尾缘设有若干个凹腔射流结构，每个所述的凹腔射流结构均包括棱柱型凹腔和射流管，所述的射流管设置在棱柱型凹腔的底面，所述的射流管连通外部的棱柱型凹腔和叶片本体内部的冷却气体通道，所述的射流管与相应的棱柱型凹腔底面之间设有夹角αc，所述棱柱型凹腔的最大高度d与叶片本体高度H的比值为0.5％-4％。

进一步的，所述棱柱型凹腔为正棱柱型凹腔或斜棱柱型凹腔。

进一步的，所述棱柱型凹腔的布置方向为棱柱的边或角正对叶片几何进气角方向、叶栅压力面型线方向或叶栅吸力面型线方向。

进一步的，叶顶间隙高度为h，棱柱型凹腔的底面边长L为1.25-2.5h，棱柱型凹腔的高度d不大于4.0h，射流管的管径Dc不大于0.5h。

进一步的，所述夹角αc在30°-90°范围内。

进一步的，所述棱柱型凹腔为正六棱柱凹腔，所述正六棱柱凹腔的底面边长L为2h，所述的正六棱柱凹腔高度d为h，所述的射流管的管径Dc为0.5h，所述的射流管的轴线与正六棱柱凹腔底面之间的夹角αc为30°。

相对于现有技术，本发明创造所述的阵列的凹腔射流改善叶顶泄漏流动及换热的涡轮动叶片具有以下优势：

本发明所述的阵列的凹腔射流改善叶顶泄漏流动及换热的涡轮动叶片，射流流体可参与并强化叶顶凹腔内的旋涡运动，使得腔内旋涡对流经凹腔上方的泄漏流体的阻碍作用增强。相比于具有凹腔结构的涡轮动叶栅的叶顶，叶顶间隙泄漏流量进一步下降，从而抑制叶栅吸力面一侧的泄露涡的初期形成和发展，改变叶栅上通道内二次流动结构的空间布局。同时，削弱叶栅吸力面一侧的泄露涡强度，降低由叶顶间隙泄漏引起的能量损耗。凹腔射流结构可有效针对凹腔侧壁中局部恶劣的换热条件，依靠射流流体与底层泄漏流体在腔内旋涡作用下的充分掺混，降低覆盖在凹腔侧壁和叶顶表面的气体温度，这种自冷却的凹腔射流结构能有效改善凹腔侧壁和叶顶表面的换热特性。

本发明所述的阵列的凹腔射流改善叶顶泄漏流动及换热的涡轮动叶片，将叶顶实心叶片变为带有若干凹腔的叶片，可以增强叶顶的可磨耗性，实现更小的间隙允许值。另外，凹腔叶顶还可以减小涡轮动叶片叶顶的重量。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1本发明的涡轮叶栅子午视图；

图2为凹腔射流结构的几何示意图；

图3为凹腔射流结构的几何对称剖面图；

图4为布置了凹腔射流结构的涡轮动叶栅示意图；

图5A为具有平顶涡轮动叶栅的叶栅机匣的静压系数分布图；

图5B为布置了凹腔结构的涡轮动叶栅的叶栅机匣的静压系数分布图；

图5C为布置了凹腔射流结构的涡轮动叶栅的叶栅机匣的静压系数分布图；

图6A为平顶涡轮动叶栅的叶栅出口总压损失系数分布图；

图6B为布置了凹腔结构的涡轮动叶栅的叶栅出口总压损失系数分布图；

图6C为布置了凹腔结构的涡轮动叶栅的叶栅出口总压损失系数分布图；

图7对比了三种具有不同叶顶结构的涡轮动叶栅的泄漏流量、出口流量平均总压损失、叶顶表面和凹腔侧壁的换热系数柱状图。

附图标记说明：

1-机匣，2-轮毂，3-叶片本体，4-凹腔射流结构，5-前缘线，6-尾缘线，101-棱柱型凹腔，102-射流管，103-叶顶。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。

如图1-图2所示，本发明应用在涡轮动叶片中，叶片本体3安装在轮毂2上，机匣1与轮毂2之间形成叶栅流道，5、6分别表示叶片本体3的前缘线和尾缘线，在叶片本体3的叶顶103从叶片本体3的前缘到尾缘设有若干个凹腔射流结构4，每个所述的凹腔射流结构4均包括棱柱型凹腔101和射流管102，所述的射流管102设置在棱柱型凹腔101的底面，所述的射流管102连通外部的棱柱型凹腔101和叶片本体3内部的冷却气体通道，所述的射流管102与相应的棱柱型凹腔101底面之间设有夹角αc，所述棱柱型凹腔101的最大高度d与叶片本体3高度H的比值为0.5％-4％。

叶顶间隙高度为h，棱柱型凹腔101的底面边长L为1.25-2.5h，棱柱型凹腔101的高度d不大于4.0h，射流管102的管径Dc不大于0.5h。

射流管102的出口位置可根据间隙内部泄漏流动情况设置在凹腔底部的不同位置，图2中的射流管102被布置在棱柱型凹腔101底面中心。

如图3所示，射流管102的轴线与棱柱型凹腔101底面之间的夹角αc可根据间隙内部泄漏流动情况进行设置，一般为30°-90°。

如图4所示，为凹腔射流结构4在叶顶103上的具体排布形式，即棱柱型凹腔102的布置方向为棱柱的边或角正对叶片几何进气角方向，棱柱型凹腔为正六棱柱凹腔，正六棱柱凹腔的底面边长L为2h，凹腔高度d为h，射流管102的管径Dc为0.5h，射流管102的轴线与正六棱柱凹腔底面之间的夹角αc为30°；相邻的凹腔之间需根据材料加工强度留有一定的壁厚，并删除在平移复制过程中横跨或极为贴近叶片压/吸力面的射流凹腔单元，由此得到排布后的凹腔射流均是单独、完整的。

棱柱型凹腔102的布置方向也可以为棱柱的边或角正对叶栅压力面型线方向或叶栅吸力面型线方向。

为了验证本发明的效果，对具有平顶、布置了凹腔结构以及布置了凹腔射流结构的涡轮动叶栅开展了数值研究。此次验证工作中射流管的朝向一致，均指向靠近压力面一侧的凹腔侧壁。具体模拟参数和结果如下：

用于模拟的涡轮动叶栅和凹腔射流结构参数几何参数如下表所示：

轴向弦长Cax(mm)100弦长b/Cax1.3叶栅高度H/Cax1.6间隙高度h/H0.01叶栅几何进气角αk(°)-40.70叶栅几何出气角βk(°)67.40叶栅安装角γ(°)40.20攻角(°)0凹腔底面边长L/h2凹腔高度d/h1

叶栅叶片由LISA 1.5级涡轮动叶的叶顶型线拉伸得到，进口马赫数为0.09，基于进口速度和叶片轴向弦长的雷诺数为1.92×105。数值计算采用的湍流模型为k-ω两方程模型，计算域的进口边界位于前缘上游1.5倍的轴向弦长位置，给定来流总压、总温；出口边界位于尾缘下游2.5倍的轴向弦长位置处，给定压力。壁面采用等温无滑移条件。

图5A、图5B、图5C对比了叶顶具有平顶结构、凹腔结构和凹腔射流结构三种不同结构的涡轮动叶栅的机匣静压系数分布情况，可以发现与具有平顶和布置了凹腔结构的涡轮动叶栅相比，采用凹腔射流结构后，涡轮动叶栅的间隙内部靠近压力面一侧的低压区消失。叶顶间隙内部的静压分布能有效的阻碍通道内部流体进入叶顶间隙。

图6A、图6B、图6C对比了叶顶具有平顶结构、凹腔结构和凹腔射流结构三种不同结构的涡轮动叶栅尾缘下游0.3倍的轴向弦长位置处的截面总压损失系数分布情况，可以发现与具有平顶和布置了凹腔结构的涡轮动叶栅相比，采用凹腔射流结构后，该出口截面的总压损失分布变化明显，主要体现在泄露涡对应的损失区域面积和强度下降，而上通道涡对应的损失区域的面积略有增加。

如图7所示，对比了具有不同叶顶结构的涡轮动叶栅的泄漏流量、出口流量平均总压损失、叶顶表面和凹腔侧壁的换热系数。可以发现与具有平顶的涡轮叶栅相比，布置了凹腔结构的涡轮动叶栅的泄漏流量和总压损失均下降，但叶顶表面的换热增强；采用布置了凹腔射流结构的涡轮动叶栅的泄漏流量和总压损失进一步下降，叶顶表面和凹腔侧壁面的换热状况均得到了改善。

可见，本发明在涡轮动叶栅叶顶表面布置凹腔射流结构的设计方案，降低了涡轮动叶栅的叶顶间隙泄漏流量和出口总压损失，凹腔射流能够实现对凹腔内部空间的自冷却，改善了叶顶表面和凹腔侧壁面的换热状况。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。