一种带阻隔肋的凹槽叶顶结构的制作方法

本发明涉及燃气轮机涡轮叶片的冷却技术领域，具体涉及一种用于涡轮叶片的带阻隔肋的凹槽叶顶结构。

技术背景

间隙泄漏流会高速冲刷高压涡轮动力叶片顶部，致使涡轮叶顶区域成为航空发动机中换热系数最高的区域之一。叶顶间隙高度非常小，因此叶顶间隙内部的流场结构与通道内的高温燃气存在明显的差别，相对来说间隙泄漏流的流动状态要更加复杂。为了有效减小叶顶区域的热负荷，保护叶顶不受高温燃气的腐蚀，国内外学者针对不同的叶顶形状做了大量的实验以及数值模拟计算，研究了叶顶流动和换热机理。

叶顶结构的形状会对叶顶的换热产生很大影响，1989年metzger等人(cavityheattransferonatransversegroovedwallinanarrowflowchannel.journalofheattransfer,1989,111(1):73-79.)实验测量了带矩形凹槽的狭窄通道的换热系数，实验中发现泄漏量随着凹槽的纵横比的增加而减少。1999年bunker等人(heattransferandflowonthefirst-stagebladetipofapowergenerationgasturbine:part1-experimentalresults.journalofturbomachinery,1999,122(2):263-271.)给定具有代表性的涡轮工作条件，获得了一种大型燃气发生器涡轮叶栅叶顶的详细的换热系数分布。ahn等人(filmcoolingeffectivenessonagasturbinebladetipandshroundusingpressuresensitivepaint.asmepapergt-2003-53429.)利用压敏漆测试技术实验测量了凹槽和平顶叶顶的气膜冷却特性。bunker[31]通过实验，给定具有代表性的涡轮工作条件，获得了一种大型燃气发生器涡轮叶栅叶顶的详细的换热系数分布。2015年zhang等人(impactofcoolinginjectiononthetransonicover-tipleakageflowandsquealeraerothermaldesignoptimization.journalofengineeringforgasturbinesandpower,2015,137(6):062603-062603-7.)实验研究了跨音速条件下气膜孔分布对叶片顶部换热的影响。

合理的叶顶结构不仅可以有效减小由于间隙泄漏流造成的流动损失，而且可有效保护叶顶不被高温燃气腐蚀，延长叶片的的使用寿命，提高涡轮叶片的工作效率。

技术实现要素：

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种带阻隔肋的凹槽叶顶结构；该凹槽叶顶结构可有效减小由于间隙泄漏流造成的流动损失，提高叶顶中弦和尾缘区域的气膜覆盖面积，延长叶片的的使用寿命，有效提高涡轮叶片的工作效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括涡轮叶片、前缘除尘孔、肋间除尘孔、肋下游除尘孔、上游阻隔肋、下游阻隔肋、凹槽叶顶、中弦冷却通道、前缘冷却通道，其特征在于在凹槽叶顶上分别设有上游阻隔肋和下游阻隔肋，并且分别在靠近叶顶前缘部位设置前缘除尘孔，在上游阻隔肋和下游阻隔肋中间设置肋间除尘孔，在下游阻隔肋的下游布置肋下游除尘孔，除尘孔的两端分别形成气流的出口和入口，且与叶片中弦冷却通道、前缘冷却通道相通；前缘除尘孔、肋间除尘孔和肋下游除尘孔分别位于凹槽叶顶叶顶的中弧线上，且肋间除尘孔与上游阻隔肋和下游阻隔肋的距离相同，涡轮叶片的凹槽叶顶的槽深与上游阻隔肋和下游阻隔肋的肋高相同；

所述凹槽叶顶的槽深h，取值范围为0.7～1.1mm，凹槽叶顶的槽边宽度w,取值范围为0.5～0.7mm，凹槽叶顶的叶片轴向弦长g,取值范围为32～48mm；

所述前缘除尘孔为圆柱形孔，前缘除尘孔孔径i,取值范围为0.8～1.2mm，前缘除尘孔的孔中心到前缘点的距离l,取值范围为3i～5i；

所述肋间除尘孔和肋下游除尘孔均为圆柱孔，肋间除尘孔、肋下游除尘孔的孔径i,取值范围为1～1.2mm，所述肋下游除尘孔到下游阻隔肋的距离n，取值范围为2i～4i；

所述上游阻隔肋与中轴线的夹角α，取值范围为65～75°，上游阻隔肋距前缘点的距离m,取值范围为7i～10i。

所述上游阻隔肋与下游阻隔肋的距离m，取值范围为4i～6i。

有益效果

本发明提出的一种带阻隔肋的凹槽叶顶结构，通过在凹槽叶顶上布置上游阻隔肋和下游阻隔肋，并分别在靠近叶顶前缘区域布置前缘除尘孔，在上游阻隔肋和下游阻隔肋中间布置肋间除尘孔，在下游阻隔肋的下游布置肋下游除尘孔。前缘除尘孔、肋间除尘孔和肋下游除尘孔位于叶顶的中弧线上。该结构的特点是凹槽叶顶中加入两个阻隔肋可以明显减小由于间隙泄漏流产生的流动损失，有效提高涡轮叶片效率，而且两个阻隔肋可以减小凹槽叶顶靠近前缘区域的高换热区域。在靠近前缘的中弧线上布置除尘孔可以对叶顶前缘形成有效的气膜覆盖，避免由于叶顶前缘的高换热区造成叶片热腐蚀，延长叶片的使用寿命。由于阻隔肋的加入会造成肋后形成一个高换热区，因此在阻隔肋后布置除尘孔，从而在肋后形成有效的气膜保护，有效提升了叶片顶部的传热性能，延长叶片的的使用寿命，提高涡轮叶片的工作效率。除此之外带阻隔肋的凹槽叶顶结构还具有加工简单，成本低的特点。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种带阻隔肋的凹槽叶顶结构作进一步详细说明。

图1为本发明带阻隔肋的凹槽叶顶结构示意图

图2为本发明带阻隔肋的凹槽叶顶结构俯视图

图3为本发明带阻隔肋的凹槽叶顶结构前视图

图4为本发明凹槽叶顶结构的除尘孔供气通道示意图

图中

1.涡轮叶片2.前缘除尘孔3.肋间除尘孔4.肋下游除尘孔5.上游阻隔肋6.下游阻隔肋7.凹槽叶顶8.中弦冷却通道9.前缘冷却通道

a.中弦通道内的冷气b.前缘通道内的冷气c.出流冷气d.出流冷气e.出流冷气f.中弧线g.叶片轴向弦长h.凹槽叶顶的槽深i.前缘除尘孔的孔径i.肋间除尘孔和肋下游除尘孔的孔径j.阻隔肋的肋高k.中轴线l.前缘除尘孔的孔中心到前缘点的距离m.上游阻隔肋到前缘点的距离m.上游阻隔肋到下游阻隔肋的距离n.肋下游除尘孔到下游阻隔肋的距离o.前缘点w.叶顶凹槽的槽边宽度α.上游阻隔肋与中轴线的夹角β.下游阻隔肋与中轴线的夹角

具体实施方式

本实施例是一种带阻隔肋的凹槽叶顶结构。

参阅图1、图2、图3、图4，本实施例带阻隔肋的凹槽叶顶结构，由涡轮叶片1、前缘除尘孔2、肋间除尘孔3、肋下游除尘孔4、上游阻隔肋5、下游阻隔肋6、凹槽叶顶7、中弦冷却通道8、前缘冷却通道9组成。在凹槽叶顶7上分别设有上游阻隔肋5和下游阻隔肋6，并且分别在靠近叶顶前缘部位设置前缘除尘孔2，在上游阻隔肋5和下游阻隔肋6中间设置肋间除尘孔3，在下游阻隔肋6的下游布置肋下游除尘孔4，除尘孔的两端分别形成气流的出口和入口，且与叶片中弦冷却通道8、前缘冷却通道9相通。前缘除尘孔2、肋间除尘孔3和肋下游除尘孔4分别位于凹槽叶顶7叶顶的中弧线上，且肋间除尘孔3与上游阻隔肋5和下游阻隔肋6的距离相同，涡轮叶片1的凹槽叶顶的槽深与上游阻隔肋5和下游阻隔肋6的肋高相同。

本实施例中，凹槽叶顶7的槽深为h，取值范围为0.7～1.1mm；凹槽叶顶7的槽边宽度为w,取值范围为0.5～0.7mm；凹槽叶顶7的叶片轴向弦长为g,取值范围为32～48mm。前缘除尘孔2为圆柱形孔，前缘除尘孔2的孔径i,取值范围为0.8～1.2mm，前缘除尘孔2的孔中心到前缘点的距离l,取值范围为3i～5i。肋间除尘孔3和肋下游除尘孔4均为圆柱孔，肋间除尘孔3、肋下游除尘孔4的孔径i,取值范围为1～1.2mm。肋下游除尘孔4到下游阻隔肋的距离n，取值范围为2i～4i。上游阻隔肋5与中轴线的夹角为α，取值范围为65～75°，上游阻隔肋5距前缘点的距离m,取值范围为7i～10i。上游阻隔肋5与下游阻隔肋6的距离m，取值范围为4i～6i。

实施例一

本实施例带阻隔肋的凹槽叶顶结构，其在于凹槽叶顶7上布置上游阻隔肋5和下游阻隔肋6，并分别在靠近叶顶前缘区域布置前缘除尘孔2，在上游阻隔肋5和下游阻隔肋6中间布置肋间除尘孔3，在下游阻隔肋6的下游布置肋下游除尘孔4。前缘除尘孔2、肋间除尘孔3和肋下游除尘孔4均位于叶顶的中弧线f上，且前缘除尘孔2、肋间除尘孔3和肋下游除尘孔4均为圆柱孔。肋间除尘孔3与上游阻隔肋5和下游阻隔肋6的距离相同，上游阻隔肋5和下游阻隔肋6的肋高j与凹槽叶顶7的槽深h相同。凹槽叶顶7的槽深h取值为1.1mm。凹槽的槽边宽度w的取值范围为0.7mm。凹槽叶顶7的叶片轴向弦长g取值为40mm。前缘除尘孔2的孔径i取值为0.8mm。肋间除尘孔3和肋下游除尘孔4孔径均为i,取值为1mm。上游阻隔肋5与中轴线k的夹角为α，取值为65°。下游阻隔肋6与中轴线k的夹角为β，取值为65°。前缘除尘孔2的孔中心到前缘点的距离为l,取值范围为4i。上游阻隔肋5到前缘点的距离为m,取值为10i。上游阻隔肋5和下游阻隔肋6的距离为m，取值为6i。肋下游除尘孔4位于下游阻隔肋6下游距离n处，取值为3i。本实施例中，由于凹槽叶顶的槽深h较深，通过增加上游阻隔肋5到前缘点的距离，可有效减少间隙泄漏流引起的气动损失，同时使得靠近前缘处的高换热区域减小；避免由于叶顶前缘的高换热区造成叶片热腐蚀，延长叶片的使用寿命。前缘除尘孔2，肋间除尘孔3和肋下游除尘孔4可在叶顶形成有效的气膜覆盖，有效提升叶片顶部的传热性能。

实施例二

本实施例带阻隔肋的凹槽叶顶结构，通过在凹槽叶顶7上布置上游阻隔肋5和下游阻隔肋6，并分别在靠近叶顶前缘区域布置前缘除尘孔2，在上游阻隔肋5和下游阻隔肋6中间布置肋间除尘孔3，在下游阻隔肋6的下游布置肋下游除尘孔4。前缘除尘孔2、肋间除尘孔3和肋下游除尘孔4均位于叶顶的中弧线f上，且前缘除尘孔2、肋间除尘孔3和肋下游除尘孔4均为圆柱孔，肋间除尘孔3与上游阻隔肋5和下游阻隔肋6的距离相同，上游阻隔肋5和下游阻隔肋6的肋高j与凹槽叶顶7的槽深h相同。凹槽叶顶7的槽深h取值为0.7mm。凹槽的槽边宽度w的取值范围为0.6mm。凹槽叶顶7的叶片轴向弦长g取值为40mm。前缘除尘孔2的孔径i取值为0.8mm。肋间除尘孔3和肋下游除尘孔4的孔径均为i,取值为1mm。上游阻隔肋5与中轴线k的夹角为α，取值为65°。下游阻隔肋6与中轴线k的夹角为β，取值为65°。前缘除尘孔2的孔中心到前缘点的距离为l,取值范围为4i。上游阻隔肋5到前缘点的距离m为8i。上游阻隔肋5和下游阻隔肋6的距离m为4i。肋下游除尘孔4位于下游阻隔肋6下游距离n处，取值为3i。本实施例中，由于凹槽叶顶的槽深h较浅，减小其上游阻隔肋到前缘点的距离，也可达到减少间隙泄漏流引起的气动损失，减小前缘处的高换热区域。考虑到槽深的变化会影响到前缘高换热区域的改变，本实施例中缩小了前缘除尘孔2到前缘点的距离，从而使得叶顶靠近前缘区域能够形成有效的气膜覆盖，避免由于叶顶前缘的高换热区造成叶片热腐蚀，延长叶片的使用寿命。

实施例三

本实施例带阻隔肋的凹槽叶顶结构，在凹槽叶顶7上布置上游阻隔肋5和下游阻隔肋6，并分别在靠近叶顶前缘区域布置前缘除尘孔2，在上游阻隔肋5和下游阻隔肋6中间布置肋间除尘孔3，在下游阻隔肋6的下游布置肋下游除尘孔4。其中前缘除尘孔2、肋间除尘孔3和肋下游除尘孔4均位于叶顶的中弧线f上，且前缘除尘孔2、肋间除尘孔3和肋下游除尘孔4均为圆柱孔，肋间除尘孔3与上游阻隔肋5和下游阻隔肋6的距离相同，上游阻隔肋5和下游阻隔肋6的肋高j与凹槽叶顶7的槽深h相同。本实施例中，凹槽叶顶7的槽深h为0.8mm。凹槽的槽边宽度w为0.6mm。凹槽叶顶7的叶片轴向弦长g为40mm。前缘除尘孔2的孔径i为1.2mm。肋间除尘孔3和肋下游除尘孔4的孔径均为i,取值为1.2mm。上游阻隔肋5与中轴线k的夹角为α，取值为65°。下游阻隔肋6与中轴线k的夹角为β，取值为65°。前缘除尘孔2的孔中心到前缘点的距离l为4i。上游阻隔肋5到前缘点的距离m为7i。上游阻隔肋5与下游阻隔肋6之间距离m为3i。肋下游除尘孔4位于下游阻隔肋6下游距离n处，取值为3i。在本实施例中，进一步缩小上游阻隔肋到前缘点的距离，可明显减小叶顶间隙泄漏流引起的气动损失，同时减小叶顶靠近前缘处的高换热区域。而且，实施例中减小了上游阻隔肋5和下游阻隔肋6之间的距离，同时增加了前缘除尘孔2、肋间除尘孔3和肋下游除尘孔4的孔径，可明显提高叶顶前缘，中弦以及尾缘处的气膜冷却效率，使得能够覆盖到叶顶的大部分区域，极大的提升其涡轮叶片叶顶区域的传热性能，延长了叶片的使用寿命。