[发明专利]一种涡轮动叶尾缘的冷却结构

说明书

本发明公开了一种涡轮动叶尾缘的冷却结构，涉及涡轮冷却技术领域，包括尾缘、叶型根部和叶顶；涡轮动叶尾缘内部设有用于冷却空气流动的空腔；涡轮动叶尾缘的截面厚度从叶型根部截面到叶顶截面逐渐变小；涡轮动叶尾缘上开设有扩张孔；所述扩张孔包括全缝扩张孔和半劈缝扩张孔，且扩张孔通过空腔贯穿涡轮动叶尾缘的外表面；全缝扩张孔和半劈缝扩张孔的切向截面形状包括平直段和扩张段；扩张段靠近涡轮动叶尾缘外表面，平直段靠近涡轮动叶尾缘的空腔。本发明提出的涡轮动叶尾缘组合冷却结构在动叶尾缘上部较薄区域为半劈缝扩张孔冷却结构，能够使动叶尾缘上部较薄区域尾缘厚度尽量地薄，从而减小涡轮动叶的尾迹损失。

技术领域

本发明涉及涡轮冷却技术领域，尤其是涉及一种涡轮动叶尾缘的冷却结构。

背景技术

涡轮动叶的尾缘作为涡轮动叶上需要冷却的关键部位之一，一是由于尾缘的结构完整性对于涡轮动叶的气动性能以及寿命可靠性至关重要；二是由于压力面与吸力面的燃气速度在涡轮动叶尾缘部位都达到了相当高的值，而且都处于湍流状态，从而使得尾缘部位的燃气对流换热强度非常大。因此为了保证尾缘的结构完整性可以在燃气轮机服役期间内不被高温燃气烧蚀破坏，必须对其进行高效冷却。

为了避免涡轮动叶尾缘烧蚀现象，在不增加冷气用量的基础上进一步提升冷却效果，对于燃气轮机的研制是非常有必要和有意义的。涡轮动叶尾缘冷却结构在有限空间内高效冷却的研究，其冷却结构主要有全缝冷却结构、离散直孔冷却结构和半劈缝冷却结构三种形式。从涡轮动叶气动性能的角度来看，在强度允许的条件下，动叶尾缘厚度应尽量地薄，以减小涡轮动叶的尾迹损失。受制造工艺的约束，全缝冷却结构与离散直孔冷却结构要求涡轮动叶尾缘必须有足够的厚度才可以实现，相对于这两种冷却结构，半劈缝冷却结构只有单侧壁面，而且有分隔肋的加强作用，因此可以将尾缘设计得比较薄。对于全缝和半劈缝冷却结构来说，由于缝的开口面积较大，进入涡轮动叶的冷气约有超过40％是通过涡轮动叶尾缘缝流出，冷气消耗量较大，容易造成较大的尾缘冷气掺混损失，从而降低了燃气轮机整机效率，同时，较大的缝的开口面积会降低涡轮动叶尾缘的强度，降低涡轮动叶的使用寿命。对于离散直孔冷却结构，孔出口的气膜受涡系影响不易附着在尾缘的表面，冷却效果较低，同时较大的直孔孔径也不利于涡轮动叶尾缘的强度。

中国专利CN 111412020 A提供了一种透平叶片尾缘冷却结构，包括：位于透平叶片尾缘内部的尾缘腔室，以及多个扩张孔构成的阵列，所述扩张孔经所述尾缘腔室贯穿尾缘外表面；其中，所述扩张孔沿轴向分为平直段与扩张段，所述扩张段靠近所述尾缘外表面，所述平直段靠近所述尾缘腔室，所述扩张段的横截面积大于所述平直段的横截面积，所述尾缘腔室内的冷气经所述扩张孔流出后，形成覆盖所述透平叶片尾缘的气膜。本公开提供的透平叶片尾缘冷却结构，可以提高透平叶片的冷却效果、减少透平叶片的气动损失，并提高透平叶片的结构强度。但是本发明在叶片尾缘存在较薄区域的情况时，该扩张孔难以加工实现。

中国专利CN 106593544 A公开了一种涡轮转子叶片的尾缘冷却结构及具有其的发动机，涉及发动机技术领域。所述涡轮转子叶片的尾缘冷却结构的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。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。但是本发明中由于劈缝的开口面积较大，该结构会导致冷气在叶型叶型根部截面流出较多，从而使叶片叶顶截面冷却效果较差。

中国专利CN112177683B涉及一种念珠式涡轮叶片尾缘劈缝冷却结构。所述的冷却结构包括空心涡轮叶片、内腔冷气通道和尾缘排气劈缝通道，所述空心涡轮叶片内部设有内腔冷气通道，供低温冷却气体在叶片内部流动，对叶片进行冷却。空心涡轮叶片尾缘沿弦向开有多个离散的念珠式尾缘排气劈缝通道，以供冷却气排出叶片。本发明的念珠式尾缘排气劈缝具有反复收扩的通道结构，可以吹除边界层并抑制其增厚，从而强化换热。但是针对多种组合的冷却结构的情况下，其不易控制和实现较好的冷却效果。

发明内容