一种提高涡轮叶片端壁气膜冷却的空气幕冷却结构

1.本发明涉及一种提高涡轮叶片端壁气膜冷却的空气幕冷却结构，目的是为涡轮叶片端壁提供全气膜覆盖，属于航空发动机和燃气轮机叶片冷却技术领域。


背景技术：

2.为了削弱高温燃气传向涡轮叶片端壁的传热强度，叶片端壁外部一般采用气膜冷却形成冷却气膜覆盖在端壁外表面。端壁气膜冷却通常包括端壁上游的盘腔泄漏流和通道中离散气膜孔形成的气膜冷却。然而，高温燃气在叶栅通道靠近端壁的区域由于“端壁”效应会形成复杂的涡系结构，再加上由压力面指向吸力面的横向压力梯度的不利影响，端壁上游盘腔泄漏流和通道中气膜孔的冷气射流均易被扫略至端壁通道的吸力面侧，从而难以覆盖端壁通道的压力面侧，造成该区域成为工程应用中易被高温烧蚀的部位。
3.目前在端壁的冷却工程设计中，为了对端壁通道压力面侧形成有效的热防护，通常只能在端壁压力面侧的内部布置冲击孔形成冲击冷却来提高端壁的综合冷却有效度，但是冲击孔的流动损失大，采用冲击冷却会消耗更多的压气机功率，降低航空发动机和燃气轮机的性能。


技术实现要素：

4.为了在更小的冷气流动损失下，解决涡轮叶片端壁通道压力面侧难冷却的技术难题，本发明公开了一种提高涡轮叶片端壁气膜冷却的空气幕冷却结构，在相同冷气量下，仅通过端壁外侧的气膜冷却为端壁提供全冷气覆盖，提高端壁的总体气膜冷却有效度。
5.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
6.一种提高涡轮叶片端壁气膜冷却的空气幕冷却结构，包括涡轮叶片1和带端壁气膜冷却结构的端壁2。
7.所述的端壁气膜冷却结构由端壁上游的盘腔泄漏流槽缝4、端壁叶栅通道吸力面侧气膜孔3、端壁叶栅通道压力面侧气膜孔9以及空气幕冷却结构6组成。
8.所述空气幕冷却结构6包括多排气膜孔，多排气膜孔位于叶栅通道进口，且靠近叶片压力面侧。
9.优选的，所述空气幕冷却结构6包括两排气膜孔，两排气膜孔叉排布置或顺排布置，两排气膜孔之间的距离为气膜孔直径的3～5倍，同一排相邻气膜孔之间的距离为气膜孔直径的2～4倍。
10.优选的，所述空气幕冷却结构6的气膜孔为圆柱形气膜孔，并由独立的供气腔(5)供气，目的是增大冷气流经空气幕冷却结构(6)的射流动量，克服叶栅通道中二次流的不利影响。
11.优选的，所述端壁叶栅通道吸力面侧气膜孔3为一排气膜孔，气膜孔个数为3～5个，靠近叶片吸力面曲率最大的肩部区域沿叶片型线布置，或者沿着叶片前缘马蹄涡的迁移轨迹布置。
12.所述端壁叶栅通道压力面侧气膜孔9包括2～6排气膜孔，每排气膜孔的个数为2～5个，位于端壁叶栅通道靠近叶片的压力面侧，气膜孔沿轴向布置或沿等马赫数线布置，气膜孔形状为圆柱形或者扇形。
13.所述端壁叶栅通道压力面侧气膜孔9的供气腔7中布置有冲击孔8，目的是在端壁叶栅通道压力面侧气膜孔9的内侧形成冲击冷却。
14.与现有技术相比，本发明采用以上技术方案具有如下有益效果：
15.(1)本发明公开的空气幕冷却结构能够通过气膜冷却有效保护端壁叶栅通道的压力面及角区，与端壁的其它气膜冷却结构一起为整个叶片端壁提供全气膜覆盖，进而提高叶片端壁的气膜冷却效果。
16.(2)空气幕冷却结构靠近叶片前缘，空气幕冷却结构的冷气射流动量大，可以有效抑制前缘马蹄涡，削弱叶栅通道中的通道涡，减小叶栅的气动损失。
17.(3)空气幕冷却结构对冷气的供气压力需求更小，结构更简单，有效减轻了端壁冷却结构的重量，经济性更好。
附图说明
18.图1为本发明的三维结构示意图。
19.图2为本发明的俯视图。
20.图3为本发明优化实施例的俯视图。
21.图4中的(a)和(b)分别为叶片端壁表面无空气幕冷却结构和布置空气幕冷却结构后气膜冷却有效度的实验测量结果。
22.图5为布置空气幕前后端壁表面横向平均气膜冷却有效度的实验对比结果。
23.其中：1-涡轮叶片，2-叶片端壁，3-叶栅通道吸力面侧气膜孔，4-端壁上游盘腔泄漏流槽缝，5-空气幕冷却结构供气腔，6-空气幕冷却结构，7-叶栅通道压力面侧气膜孔供气腔，8-供气腔中的冲击孔，9-叶栅通道压力面侧气膜孔。
具体实施方式
24.下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。本实施例根据上述技术方案给出了详细的实施方式，但本实施例仅为本发明的一个具体实施方式，凡是基于本发明的技术原理做出的等同变化均属于本发明权利要求的保护范围。
25.遵从上述技术方案，本实施例给出了一种提高涡轮叶片端壁气膜冷却的空气幕冷却结构，如图1和图2所示，在相同冷气量下，通过有效冷却叶栅通道端壁的压力面侧来为叶片端壁表面提供全气膜覆盖，在提高叶片端壁总体气膜冷却有效度的同时，对冷气的供气压力需求更小。
26.本发明一种提高涡轮叶片端壁气膜冷却的空气幕冷却结构，包括涡轮叶片1和带端壁气膜冷却结构的叶片端壁2。端壁气膜冷却结构包括端壁上游盘腔泄漏流槽缝4、端壁叶栅通道吸力面侧气膜孔3、端壁叶栅通道压力面侧气膜孔9以及空气幕冷却结构6组成。
27.所述空气幕冷却结构6由位于叶栅通道进口靠近叶片压力面侧的两排气膜孔组成；第一排气膜孔的数量为7个，第二排气膜孔的数量为6个，两排气膜孔为叉排布置，两排气膜孔之间的距离为气膜孔直径的3倍，同一排相邻气膜孔之间的距离为气膜孔直径的3
倍。
28.所述端壁叶栅通道吸力面侧气膜孔3为一排气膜孔，沿叶片前缘马蹄涡迁移轨迹布置，气膜孔个数为4个。
29.所述端壁叶栅通道压力面侧气膜孔9包括四排气膜孔，气膜孔形状为扇形，位于端壁通道靠近叶片的压力面侧，其中第一排气膜孔为2个，第二排和第三排为3个，第四排为4个，每排气膜孔沿叶栅主流区的等马赫数线布置；端壁叶栅通道压力面侧气膜孔9的供气腔7中布置有冲击孔8，目的是在端壁叶栅通道压力面侧气膜孔9的内侧形成冲击冷却。
30.由于空气幕冷却结构中射出的冷气可以覆盖端壁叶栅通道的压力面侧，作为本实施例的进一步优化，将压力面侧的气膜孔减少为两排，其中第一排为2个，第二排为3个，如图3所示。
31.为了验证本发明的实施效果，图4和图5对比了通过实验测量得到的无空气幕冷却结构和布置空气幕冷却结构后端壁表面的气膜冷却有效度分布和横向平均气膜冷却有效度。无空气幕冷却结构时，无论是端壁上游的槽缝泄漏流，还是通道中压力面侧和吸力面侧的气膜冷气，均在横向压力梯度的作用下朝着端壁通道的吸力面侧迁移，使得端壁压力面侧的大部分区域都没有得到有效的冷却保护；在叶片端壁上应用本发明的空气幕冷却结构后，端壁通道的压力面侧从前缘到尾缘都得到了有效的冷气覆盖，尤其是叶片前缘和叶栅通道喉部下游的区域，这些区域是常规气膜冷却设计难以冷却的区域。根据图4和图5的测量结果，总体上，本发明一种提高涡轮叶片端壁气膜冷却的空气幕冷却结构可以将端壁表面的总体气膜冷却有效度提高26.6％。
32.综上所述，为了为端壁提供全气膜覆盖，提高端壁的气膜冷却有效度，本发明提供了一种提高涡轮叶片端壁气膜冷却的空气幕冷却结构，在相同冷气量下，本发明在扩大冷气对端壁覆盖面积的同时，提高当地的气膜冷却有效度；此外，本发明对冷气的供气压力需求更小，冷却结构更简单，经济性更好。
33.除非另有定义，使用的所有术语具有本发明所属领域中普通技术人员的一般理解相同的意义。

技术特征：
1.一种提高涡轮叶片端壁气膜冷却的空气幕冷却结构，其特征在于，包括涡轮叶片(1)和带端壁气膜冷却结构的叶片端壁(2)；所述的端壁气膜冷却结构由端壁上游盘腔泄漏流槽缝(4)、端壁叶栅通道吸力面侧气膜孔(3)、端壁叶栅通道压力面侧气膜孔(9)以及空气幕冷却结构(6)组成；所述的空气幕冷却结构(6)包括多排气膜孔，多排气膜孔位于叶栅通道进口，并靠近叶片压力面侧。2.根据权利要求1所述的一种提高涡轮叶片端壁气膜冷却的空气幕冷却结构，其特征在于，所述的空气幕冷却结构(6)包括两排气膜孔，两排气膜孔为叉排布置或顺排布置，两排气膜孔之间距离为气膜孔直径的3～5倍，同一排相邻气膜孔之间的距离为气膜孔直径的2～4倍。3.根据权利要求1所述的一种提高涡轮叶片端壁气膜冷却的空气幕冷却结构，其特征在于，所述的空气幕冷却结构(6)的气膜孔为圆柱形气膜孔，并由独立的供气腔(5)供气，目的是增大冷气流经空气幕冷却结构(6)的射流动量，克服叶栅通道中二次流的不利影响。4.根据权利要求1所述的一种提高涡轮叶片端壁气膜冷却的空气幕冷却结构，其特征在于，所述的端壁叶栅通道吸力面侧气膜孔(3)为一排气膜孔，气膜孔个数为3～5个，靠近叶片吸力面曲率最大的肩部区域沿叶片型线布置或者沿着叶片前缘马蹄涡的迁移轨迹布置。5.根据权利要求1所述的一种提高涡轮叶片端壁气膜冷却的空气幕冷却结构，其特征在于，所述的端壁叶栅通道压力面侧气膜孔(9)包括2～6排气膜孔，每排气膜孔的个数为2～5个，位于端壁叶栅通道靠近叶片的压力面侧，气膜孔沿轴向布置或沿等马赫数线布置，气膜孔形状为圆柱形或者扇形。6.根据权利要求1所述的一种提高涡轮叶片端壁气膜冷却的空气幕冷却结构，其特征在于，所述的端壁叶栅通道压力面侧气膜孔(9)的供气腔(7)中布置有冲击孔(8)，目的是在端壁叶栅通道压力面侧气膜孔(9)的内侧形成冲击冷却。

技术总结
本发明公开了一种提高涡轮叶片端壁气膜冷却的空气幕冷却结构，包括涡轮叶片、叶片端壁、端壁上游盘腔泄漏流槽缝、端壁叶栅通道压力面侧气膜孔、端壁叶栅通道吸力面侧气膜孔以及通道进口空气幕冷却结构；空气幕冷却结构由多排气膜孔组成，位于通道进口靠近叶片压力面侧，高动量的冷气射流从空气幕冷却结构的射出后可以克服叶栅通道中二次流的不利影响，覆盖端壁通道的压力面侧及角区。本发明解决了叶栅通道中气膜孔的冷气射流和上游盘腔泄漏流无法冷却端壁通道压力面角区的技术难点，实验结果表明，与无空气幕冷却结构的端壁相比，本发明在相同冷气量下，可以有效冷却端壁压力面及角区，为端壁提供全气膜覆盖，从而将端壁气膜冷却有效度总体上提高26.6％。冷却有效度总体上提高26.6％。冷却有效度总体上提高26.6％。


技术研发人员：杨星 吴航 丰镇平
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/5/30