[发明专利]一种涡轮转子叶片的尾缘冷却结构及具有其的发动机

说明书

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，具体涉及一种涡轮转子叶片的尾缘冷却结构及具有其的发动机。

背景技术

当前，燃气涡轮发动机的燃气温度已经达到1800K以上，远超涡轮转子叶片基体金属的熔化温度，通常需要从压气机抽取高压空气作为冷气，在通入叶片内腔后，利用其较低的温度对叶片进行冷却，降低壁面温度。叶片一般都会设计成空心结构，在内腔布置多个冷却通道，并根据叶片与燃气接触的外壁面不同区域换热强度的差异，采取不同的强化冷却措施，针对性地使用不同的冷却结构对叶片进行冷却，保证叶片壁面温度在安全范围内，并且尽量均匀。目前，涡轮转子叶片已经使用了复杂的内部冷却结构，目的是使用尽可能少的冷气，达到尽可能高的冷却效果，从而提高发动机的整机效率。涡轮转子叶片叶身按区域可分为前缘、排气边、叶盆和叶背。对于叶片而言，尾缘区域承受很高的热负荷，但是由于涡轮气动设计的限制，尾缘区域非常狭窄，不能布置太复杂的冷却结构，因此需要采用合适的方式加强尾缘区的冷却。

现有技术中通常有两种方法对涡轮转子叶片的尾缘区域进行冷却。

第一种方法是在尾缘区域的内腔设置冷却通道，通入冷气对其进行简单的对流冷却，但是这种方法冷却效果较低，尾缘能够达到的温降有限，只能应用于燃气温度相对较低的情况。

第二种方法采用劈缝冷却结构对尾缘进行强化冷却。在这种结构中，在尾缘区域沿径向设置多个离散的水平劈缝，水平劈缝和内腔的冷气通道在轴向连通。工作时，在冷气和燃气的压差作用下，冷气流经内腔的冷气通道，并且从水平劈缝流出，在叶片尾缘区域形成气膜状的冷气覆盖。这种冷却结构可以使用较大流量的冷气对进行强化冷却，相对之前采用的简单对流冷却，能够获得较高的冷却效果。但是其缺点也比较明显，冷气由劈缝流出时，在水平劈缝引起的漩涡作用下，不能很好地对叶片尾缘形成冷气覆盖；冷气流出时，由于较大的冷气和燃气压差，冷气的速度明显高于燃气流速，因此在性能上会带来较大的掺混损失。

发明内容

本发明的目的是提供一种涡轮转子叶片的尾缘冷却结构及具有其的发动机，以解决或至少减轻背景技术中所存在的至少一处的问题。

为了达到较高的气动性能，叶片的尾缘一般都很薄，因此不适合在尾缘设置比较复杂的冷却结构；燃气在尾缘区域由层流转捩为湍流，导致尾缘区域叶片外壁面的对流换热系数很高，因此需要对该区域进行精细的冷却结构设计，强化其冷却能力。

本发明采用的技术方案是：提供一种涡轮转子叶片的尾缘冷却结构，叶片的尾缘在叶片高度方向设置有多个相互独立的扩张型冷却劈缝，所述扩张型冷却劈缝是指劈缝在叶片高度方向的开口宽度从叶片的内腔向叶片外表面方向逐渐扩大。

优选地，多个所述扩张型冷却劈缝通过隔肋隔开，所述隔肋包含进气圆弧面和与排气圆弧面，所述进气圆弧面设置在叶片内腔，所述排气圆弧面靠近叶片外表面与所述进气圆弧面相对设置，所述进气圆弧面的半径大于所述排气圆弧面的半径。

优选地，所述进气圆弧面的两边与所述排气圆弧面的两边通过两个连接面分别连接，所述连接面为平面或圆弧面或曲面，所述连接面的两端分别与所述进气圆弧面及排气圆弧面相切。

优选地，所述扩张型冷却劈缝包含一个喉道，所述喉道从叶片的内腔向叶片表面沿燃气流向设置，使扩张型冷却冷气出口角度与燃气气流角度一致。

优选地，多个所述扩张型冷却劈缝设置在尾缘的叶盆面上均布设置，相邻两个所述隔肋在叶片高度方向的间距相等。

优选地，叶片设置有多个内腔，靠近尾缘的内腔设置有独立的进气通道。

本发明还提供了一种发动机，所述发动机上的转子叶片包含如上所述的涡轮转子叶片的尾缘冷却结构。

本发明的有益效果在于：本发明叶片尾缘在叶片高度方向设置有多个相互独立的扩张型冷却劈缝，一方面扩张型的劈缝增加了冷气的覆盖面积，另一方面，使用渐扩代替了突扩，降低了冷气出口漩涡的强度，减弱了由于漩涡的挤压使得冷气脱体的程度，可以增强冷气的覆盖，提高其冷却效果，进一步降低了叶片尾缘的壁面温度。

扩张型冷却劈缝包含一个喉道，所述喉道从叶片的内腔向叶片表面沿燃气流向设置，使扩张型冷却劈缝冷气出口角度与燃气气流角度一致，可以减小冷气和燃气掺混时的性能损失。

多个扩张型冷却劈缝之间的隔肋采用流线外表面，流线形的隔肋可以降低冷气在劈缝中流动时的压力损失。

附图说明

图1是包含本发明涡轮转子叶片的尾缘冷却结构的叶片示意图。

图2是图1所示叶片的截面示意图。