[发明专利]一种翼刀与气膜孔组合式涡轮转子叶片

说明书

一种翼刀与气膜孔组合式涡轮转子叶片，叶身内部设有供气通道，叶片表面设有气膜孔，供气通道与气膜孔连通；叶片表面设有翼刀，翼刀位于叶片吸力面且与叶片叶栅端壁平行，翼刀上游至少布置一个气膜孔且位于翼刀与叶根之间。当冷却气流遇到翼刀后，通道涡被束缚在翼刀与叶根之间，可使叶栅总压损失系数降低5％～8％；通过翼刀对通道涡进行抑制，可改善叶片吸力面靠近叶根的压力分布，改善叶片压力沿着叶片高度方向的均匀性，减小叶片扭矩，提高叶根区强度，可使翼刀周围应力减小并起到加固作用；翼刀在削弱通道涡强度的同时可促进流体运动，减小角区分离以降低损失；由于气流只能对翼刀与叶根之间叶片表面进行气膜冷却，可使气膜冷却效率提高10％～15％。

技术领域

本发明属于燃气轮机技术领域，特别是涉及一种翼刀与气膜孔组合式涡轮转子叶片。

背景技术

燃气轮机通过涡轮转子叶片的转动将热能转化为机械能的过程中，涡轮转子叶片则需要处于高温、高压、高转速的环境下。

一方面，涡轮转子叶片需要设计出气动损失小的叶型，以便输出更多的有用功，且现有研究表明，气动损失主要来自于边界层内小尺度涡和叶栅通道内复杂的大尺度涡系的粘性耗散，因此减小通道涡的尺度和强度，则可以在一定程度上提高涡轮叶栅气动性能。

另一方面，只有冷却效果和结构强度满足了技术要求，涡轮转子叶片才能够安全可靠工作，而苛刻的工作环境对涡轮转子叶片的冷却性能和结构强度提出了非常高的要求。

首先，叶栅通道中间区域在靠近吸力面一侧的叶根处会形成通道涡，且尺度和强度向着尾缘流动方向逐渐发展，通道涡不仅增加了叶栅通道气动损失，还导致叶片吸力面气膜孔喷出的冷气向叶顶偏移，造成叶根处冷却效果非常差。其次，通道涡使叶片吸力面靠近叶根处的压力高于中截面对应区域压力，从而增加了叶根处应力。

因此，设计一种能够降低通道涡尺度并改善吸力面叶根处气膜冷却效果的涡轮转子叶片势在必行。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种翼刀与气膜孔组合式涡轮转子叶片，当冷却气流遇到翼刀后，产生的通道涡则无法越过翼刀向叶顶发展，会被束缚在翼刀与叶根之间，可使叶栅总压损失系数降低5％～8％；通过翼刀对通道涡进行抑制，可以有效改善叶片吸力面靠近叶根的压力分布，改善叶片压力沿着叶片高度方向的均匀性，减小叶片扭矩，提高叶根区强度，翼刀的存在也会使其周围的应力减小，对整个叶片起到加固作用；翼刀在削弱通道涡强度的同时还促进了流体的运动，从而减小角区分离以降低损失，由于气流只能对翼刀与叶根之间的叶片表面进行气膜冷却，可使翼刀与叶根之间的气膜冷却效率提高10％～15％。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种翼刀与气膜孔组合式涡轮转子叶片，在叶身内部设置有供气通道，在叶片表面设置有气膜孔，所述供气通道与气膜孔相连通；在叶片表面设置有翼刀，所述翼刀位于叶片吸力面，翼刀与叶片叶栅端壁相平行，在翼刀上游至少布置一个气膜孔且位于翼刀与叶根之间。

所述翼刀采用薄片式结构，翼刀的厚度为0.2mm～0.5mm；所述翼刀的高度从中间向两端逐渐减小，且翼刀的高度最大处为叶片吸力面弧长的1/10～1/5；所述翼刀的长度为叶片吸力面弧长的1/3。

所述翼刀的起点位置根据无翼刀时通道涡发生位置进行确定且在通道涡发生位置的上游，翼刀的终点位置根据通道涡控制效果进行确定。

所述翼刀的起点位于距离叶片前缘1/3～1/2吸力面弧长处，翼刀的终点位于距离叶片尾缘1/10～1/3吸力面弧长处。

所述翼刀的前缘和尾缘形状采用圆弧形、三角形、矩形或1/4椭圆形。

所述翼刀与叶根之间的距离为1/10～1/3的叶高。

在所述翼刀的上游沿叶片吸力面的叶高方向布置至少一排气膜孔。

在所述翼刀两侧也布置有气膜孔，且翼刀两侧的气膜孔的冷气喷射方向朝向翼刀。