一种具有提高冷却效率的叶顶结构及叶片

本发明涉及燃气涡轮叶片冷却，具体为一种涡轮转子叶顶结构及叶片。

背景技术：

1、近年来随着航空工业的迅速发展，航空发动机的各方面性能都面临着更高的要求，为了提高推重比和降低油耗，必须提高涡轮前进口温度来提高热效率，但这也给发动机的正常运行带来一系列严重的问题，涡轮进口温度的提高速度远远高于叶片材料耐温性能的发展速度，特别是对高压涡轮的第一级叶片，叶尖长期处于高温环境中会产生氧化和腐蚀现象，进而影响到叶片的性能与寿命。

2、凹槽叶顶结构可以有效减少泄露损失，目前在涡轮动叶叶顶上使用较多，现有的叶顶凹槽结构相比平叶顶可显著抑制动叶顶部的泄漏流，但是泄漏流会导致叶尖端区壁面产生较高的温度和热负荷，进而威胁到涡轮尖区的可靠性和寿命，为了防止涡轮叶片叶顶区域受到高温燃气侵腐，降低叶顶热负荷，提高叶片的使用寿命，必须使用有效的冷却措施对涡轮叶片进行保护。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种具有提高冷却效率的叶顶结构及叶片，通过在涡轮动叶顶部结构进行造型设计，可以有效减少叶顶泄漏造成的气动损失同时改善叶顶区域的换热特性，延长叶片的使用寿命，提高涡轮叶片的工作效率。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种具有提高冷却效率的叶顶结构，包括形成在叶顶间隙泄漏流流动区域的凹槽，凹槽自叶尖向叶尾延伸，凹槽的内壁自下而上向叶片的中弧线倾斜，叶片的冷却孔的出口位于凹槽的内壁上，冷却孔输出的冷却工质的流向与泄漏流流动方向相同，用于对凹槽底面进行冲击冷却。

4、优选的，所述凹槽的前端和后端为平面，并垂直与叶片的中弧线。

5、优选的，所述凹槽的压力侧或/和吸力侧内壁自下而上向叶片的中弧线倾斜。

6、优选的，所述冷却孔5的出口位于凹槽的压力侧或/和吸力侧内壁上。

7、优选的，所述凹槽的压力侧内壁自下而上向叶片的中弧线倾斜，凹槽的吸力侧内壁垂直与凹槽底面。

8、优选的，所述冷却孔设置在压力侧内壁上。

9、优选的，所述凹槽底面与侧壁的夹角为为15°～75°。

10、优选的，所述凹槽的上肩壁宽度为2～4g，凹槽的上肩壁宽度为0.5～1.5g，g为叶顶间隙高度。

11、9.一种叶片，其特征在于，该叶片的顶部设置有上述具有提高冷却效率的叶顶结构。

12、一种涡轮发动机，该涡轮发动机的转子叶片上设置有上述具有提高冷却效率的叶顶结构。

13、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

14、本发明提供的一种具有提高冷却效率的叶顶结构，在叶片的叶顶间隙泄漏流流动区域设计凹槽，凹槽的内壁的上端向中弧线方向倾斜，同时将冷却孔的出口设置在凹槽的内壁上，使冷却工质的流向与泄漏流流动方向相同，该叶顶结构将燕尾式凹槽与冷却孔结合，凹槽的内壁抑制了压力侧角涡的形成，减少近压力面侧的换热系数，冷却孔可以将冷却工质直接输出至叶顶高换热区域进行冲击冷却，冷却工质冲击冷却后在压差作用下向吸力面侧流动对壁面冷却，提升冷却工质的利用率，能够均匀叶顶温度分布降低叶顶换热系数，同时，高速冷却射流形成近似周向肋结构，起到气动封严作用，抑制泄漏流向下游发展，减少叶顶泄漏量，提高了叶顶区域的气热特性；该叶顶结构能够抑制叶顶间隙泄漏流动和降低泄漏流量，并通过冷却射流冲击凹槽底面实现有效冷却效果，延长高压涡轮动叶的使用寿命并保障燃气涡轮安全有效地运行。

15、其次，凹槽前端和后端垂直与叶顶中弧线，使凹槽整体形成近似矩形结构阻断了凹槽腔室涡的发展，改善了叶顶中弦至尾缘处的换热特性。

技术特征：

1.一种具有提高冷却效率的叶顶结构，其特征在于，包括形成在叶顶间隙泄漏流流动区域的凹槽，凹槽自叶尖向叶尾延伸，凹槽的内壁自下而上向叶片的中弧线倾斜，叶片的冷却孔的出口位于凹槽的内壁上，冷却孔输出的冷却工质的流向与泄漏流流动方向相同，用于对凹槽底面进行冲击冷却。

2.根据权利要求1所述的一种具有提高冷却效率的叶顶结构，其特征在于，所述凹槽的前端和后端为平面，并垂直与叶片的中弧线。

3.根据权利要求1所述的一种具有提高冷却效率的叶顶结构，其特征在于，所述凹槽的压力侧或/和吸力侧内壁自下而上向叶片的中弧线倾斜。

4.根据权利要求1所述的一种具有提高冷却效率的叶顶结构，其特征在于，所述冷却孔5的出口位于凹槽的压力侧或/和吸力侧内壁上。

5.根据权利要求1所述的一种具有提高冷却效率的叶顶结构，其特征在于，所述凹槽的压力侧内壁自下而上向叶片的中弧线倾斜，凹槽的吸力侧内壁垂直与凹槽底面。

6.根据权利要求5所述的一种具有提高冷却效率的叶顶结构，其特征在于，所述冷却孔设置在压力侧内壁上。

7.根据权利要求1所述的一种具有提高冷却效率的叶顶结构，其特征在于，所述凹槽底面与侧壁的夹角为为15°～75°。

8.根据权利要求1所述的一种具有提高冷却效率的叶顶结构，其特征在于，所述凹槽的上肩壁宽度为2～4g，凹槽的上肩壁宽度为0.5～1.5g，g为叶顶间隙高度。

9.一种叶片，其特征在于，该叶片的顶部设置有权利要求1-8任一项所述的具有提高冷却效率的叶顶结构。

10.一种涡轮发动机，其特征在于，该涡轮发动机的转子叶片上设置有权利要求1-8任一项所述的一种具有提高冷却效率的叶顶结构。

技术总结
本发明公开了一种具有提高冷却效率的叶顶结构及叶片，包括形成在叶顶间隙泄漏流流动区域的凹槽，凹槽的内壁向叶片的中弧线倾斜，叶片的冷却孔的出口位于凹槽的内壁上，冷却孔输出的冷却工质的流向与泄漏流流动方向相同，将燕尾式凹槽和冷却孔结合，燕尾式凹槽抑制了压力侧角涡的形成，减少近压力面侧的换热系数；冷却孔将冷气直接吹出至叶顶高换热区域进行冲击冷却，冷气冲击冷却后在压差作用下向吸力面侧流动对壁面冷却，提升冷气利用率、均匀叶顶温度分布；另一方面，高速冷却射流形成近似周向肋结构，起到气动封严作用，抑制泄漏流向下游发展，减少叶顶泄漏量，提高了叶顶区域的气热特性，延长高压涡轮动叶的使用寿命并保障燃气涡轮安全有效地运行。

技术研发人员：杜昆,李远涌,王旭博,周淳,黄小杨,崔亭亭,刘存良
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14