專利名稱：帶有駐渦結(jié)構(gòu)的渦輪冷卻葉柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種渦輪冷卻葉柵。
背景技術(shù)：
在自然界中裸露山脊的避風面可見到自然的駐渦，在沙丘附近也能看到 類似的駐渦。當流體流經(jīng)一個凹腔時，由于粘性作用，凹腔內(nèi)也會產(chǎn)生駐渦。 對于不同的凹腔前后吹氣位置，能夠形成雙渦和單渦兩種不同的結(jié)構(gòu)(如圖1
及圖2所示)，雙渦結(jié)構(gòu)中底部的大渦又稱為主渦，上面的小渦又稱為二次渦。 雙渦結(jié)構(gòu)的特點是，凹腔底部的大旋渦非常穩(wěn)定，凹腔上部的二次渦能使駐 渦內(nèi)氣體與主流空氣更好更快地摻混。
在國際上駐渦結(jié)構(gòu)已經(jīng)很好地用于燃燒室設(shè)計中，形成了類似駐渦穩(wěn)定 火焰和駐渦火焰穩(wěn)定技術(shù)等概念。國外對駐渦結(jié)構(gòu)的研究較早，并且取得了 較多的成果。從早期的單渦駐渦結(jié)構(gòu)研究到現(xiàn)在較為常用的雙渦駐渦結(jié)構(gòu)研 究，充分證明了駐渦特殊的兒何結(jié)構(gòu)下的流動特性對燃燒室性能的改善。主
要體現(xiàn)為以下幾方面1、駐渦區(qū)使用凹腔建立穩(wěn)定的回流區(qū)，盡管駐渦區(qū)與 主流相連，但在主流進氣速度比較高的情況下也能獲得穩(wěn)定的火焰；2、凹腔 上部的二次渦能使主流空氣和底部的熱燃氣更好更快地摻混，從而提高燃燒 性能；3、雙渦駐渦結(jié)構(gòu)帶來了更為均勻的燃燒室出口溫度，這是高性能航空 發(fā)動機所要求的重要性能指標；4、駐渦結(jié)構(gòu)可以得到相對低的燃燒室壓力損 失。綜上可以得出駐渦結(jié)構(gòu)的流動特性1、駐渦結(jié)構(gòu)中主渦在凹腔底部流動 較為穩(wěn)定且停留時間較長；2、 二次渦與主流氣體摻混更加緩和、均勻；3、 凹腔內(nèi)氣體與主流的均勻摻混，壓力損失較小。
葉片前緣區(qū)域的馬蹄渦結(jié)構(gòu)是一個復(fù)雜的多渦系結(jié)構(gòu)，各渦系之間相互 干擾(如圖3所示)。冷卻空氣在進口端壁附面層與圓柱形葉片前緣之間形成 以馬蹄渦和分離渦為主要特征的分離區(qū)，還會形成反向渦和壁角渦等復(fù)雜流 動結(jié)構(gòu)的分離區(qū)。馬蹄渦的兩分支圍繞障礙物向下游伸展，具有明顯的非周 期性不穩(wěn)定特征。在葉輪機械中葉柵繞流過程中，很多研究者發(fā)現(xiàn)馬蹄渦的壓力側(cè)分支具有較高的氣動損失。前緣馬蹄渦系的存在相對于平板流動而言，
當?shù)囟吮诘臒醾鲗?dǎo)率增大了 300%左右(參見文獻Graziani et al.， Blair, Hippensteele and Russell, Giel, et al.， Kang et al.)，高壓透平中，前緣附近高的 熱流率導(dǎo)致材料的熱疲勞，使熱障涂層剝離壁面，導(dǎo)致葉片前緣或前緣端壁 壁面燒壞。Praisner等對方形饒流體的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)特性進行了研究，給出了饒 流體前部斯坦頓數(shù)隨時間的變化，通過PIV測試，他們提出了一種相互作用 模型來解釋高RMS波動及高熱傳導(dǎo)率機理，測出了邊界層分離的位置，同時， 相對于來流邊界層，發(fā)現(xiàn)了特定位置的瞬時熱傳導(dǎo)率增加200%左右。2005 年P(guān)raisner， Smith等采用PIV流動顯示技術(shù)對馬蹄渦隨時間的瞬時演化過程 進行了詳細的研究，揭示了壁面附近熱流率增加的流動機制?？偟膩碚f馬蹄 渦的存在， 一方面對下游的通道渦形成影響，引起流動和摻混損失再分配， 從而影響葉柵的性能，另一方面，馬蹄渦的存在使葉片端壁附近及葉片表面 的換熱特性顯著，導(dǎo)致葉片前緣及葉片前緣端壁壁面燒壞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的葉柵中馬蹄渦結(jié)構(gòu)的存在引起了流動損 失和摻混損失，影響了葉柵的性能，而且葉片端壁附近及葉片表面的換熱特 性顯著，葉片前緣及葉片前緣端壁壁面極易燒壞的問題，進而提供一種帶有 駐渦結(jié)構(gòu)的渦輪冷卻葉柵。
本發(fā)明的技術(shù)方案是帶有駐渦結(jié)構(gòu)的渦輪冷卻葉柵包括壁和葉片，所 述葉片配置在壁上，所述葉片靠近葉片前緣的壓力面上、葉片靠近葉片前緣 的吸力面上及壁的葉片前緣端壁上均幵有成列排布的多個長槽，葉片靠近葉 片前緣的壓力面上的每個長槽和葉片靠近葉片前緣的吸力面上的每個長槽均 沿葉片的高度方向開設(shè)，壁的葉片前緣端壁上的每個長槽均沿壁的寬度方向 開設(shè)，所述每個長槽的一個側(cè)壁上沿長槽的長度方向開有多個冷氣噴射孔， 且冷氣噴射孔的開設(shè)位置靠近長槽的底部。
本發(fā)明具有以下有益效果 一、降低了前緣馬蹄渦的空間尺度，減小了 馬蹄渦對葉柵內(nèi)部通道渦的影響，降低了流道內(nèi)部的流動損失；二、區(qū)別于 端壁氣膜孔噴出的冷氣，長槽內(nèi)噴射出的冷卻氣體避免了與主流的直接沖擊，
減少了兩個不同流速氣流較強的摻混損失；三、對于長槽內(nèi)部形成的雙渦結(jié)構(gòu)，長槽底部的大渦較為穩(wěn)定，停留時間較長，因此由冷卻氣體組成的大渦 能夠給葉片端壁及葉片表面提供較佳的熱防護作用，有效保護葉片前緣附近
端壁及葉片表面的高溫區(qū)；四、長槽結(jié)構(gòu)延長了冷卻氣體在流道內(nèi)和壁面附
近的駐留時間，避免冷卻氣體過早地與主流摻混而升溫，對提高冷卻氣流的 冷氣利用率、減少冷氣利用量是有利的。


圖1是駐渦結(jié)構(gòu)中的單渦示意圖(一表示氣體的流動)，圖2是駐渦結(jié)構(gòu) 中的雙渦示意圖(一表示氣體的流動)，圖3是葉片前緣馬蹄渦系拓撲結(jié)構(gòu)示 意圖(一表示氣體的流動)，圖4是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5是圖4的a處 局部放大圖，圖6是圖4的b處局部放大圖，圖7是圖4的c處局部放大圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一結(jié)合圖4 圖7說明本實施方式，本實施方式的帶有駐 渦結(jié)構(gòu)的渦輪冷卻葉柵包括壁1和葉片2，所述葉片2配置在壁1上，所述葉 片2靠近葉片前緣2-1的壓力面2-2上、葉片2靠近葉片前緣2-1的吸力面2-3 上及壁1的葉片前緣端壁1-1上均開有成列排布的多個長槽3，葉片2靠近葉 片前緣2-1的壓力面2-2上的每個長槽3和葉片2靠近葉片前緣2-1的吸力面 2-3上的每個長槽3均沿葉片2的高度方向開設(shè)，壁1的葉片前緣端壁1-1上 的每個長槽3均沿壁1的寬度方向開設(shè)，所述每個長槽3的一個側(cè)壁上沿長 槽3的長度方向開有多個冷氣噴射孔4，且冷氣噴射孔4的開設(shè)位置靠近長槽 3的底部。采用長槽內(nèi)部噴射冷卻氣體，避免了冷卻氣流對主燃氣氣流的直接 沖擊，對減小冷氣與主燃氣氣流的摻混損失是有利的，除了避免了冷卻氣流 直接沖擊主燃氣氣流外，還能提供較好的冷卻效果，因為長槽底部的大渦主 要由冷卻空氣組成，是一個溫度相對較低的低溫區(qū)域，能給下部的固體壁面 提供較佳的熱防護作用，采用駐渦結(jié)構(gòu)進行冷卻，冷卻氣體在長槽內(nèi)旋渦的 誘導(dǎo)下巻繞，延長了冷卻氣體在流道內(nèi)和壁面附近的駐留時間，避免冷卻氣 體過早地與主流摻混而升溫，對提高冷卻氣流的冷氣利用率、減少冷氣利用 量是有利的；冷卻氣體在長槽底部由冷氣噴射孔噴射出來， 一方面避免了冷 卻氣流對主燃氣氣流的擾動，另一方面，冷卻氣體撞擊到對面的壁面上，高 速核心區(qū)域分散開來，在長槽道內(nèi)形成駐渦流動結(jié)構(gòu)進行巻繞的同時，沿該壁面隨駐渦流動被帶出長槽，能更好地在壁面上形成薄層狀的冷卻氣膜，避 免了單純孔型噴氣形成的高溫燃氣或低溫冷氣沿流動方向帶狀相間存在局部 冷卻不到的問題，對駐渦的強弱以及薄層狀氣膜的覆蓋效果形成影響。
具體實施方式
二結(jié)合圖4 圖7說明本實施方式，本實施方式的葉片2
靠近葉片尾緣2-4的壓力面2-2上和葉片2靠近葉片尾緣2-4吸力面2-3上均 開有成列排布的多個長槽3，葉片2靠近葉片尾緣2-4的壓力面2-2上的每個 長槽3和葉片2靠近葉片尾緣2-4的吸力面2-3上的每個長槽3均沿葉片2的 高度方向開設(shè)。如此設(shè)置，有效地避免了壓力面、吸力面及尾緣高溫區(qū)域的 燒壞，有效的提高了葉片的整體性能。其它組成和連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三結(jié)合圖4 圖7說明本實施方式，本實施方式的長槽3 的橫截面為方形、梯形或半圓形。如此設(shè)置，葉片整體具有多樣性，對駐渦 的強弱以及薄層狀氣膜的覆蓋效果更好。其它組成和連接關(guān)系與具體實施方 式二相同。
具體實施方式
四結(jié)合圖4 圖7說明本實施方式，本實施方式的冷氣噴 射孔4為圓型孔、長條型孔或鍵型孔。如此設(shè)置，葉片整體具有多樣性，對 駐渦的強弱以及薄層狀氣膜的覆蓋效果更好。其它組成和連接關(guān)系與具體實 施方式二或三相同。
權(quán)利要求
1、一種帶有駐渦結(jié)構(gòu)的渦輪冷卻葉柵，它包括壁(1)和葉片(2)，所述葉片(2)配置在壁(1)上，其特征在于所述葉片(2)靠近葉片前緣(2-1)的壓力面(2-2)上、葉片(2)靠近葉片前緣(2-1)的吸力面(2-3)上及壁(1)的葉片前緣端壁(1-1)上均開有成列排布的多個長槽(3)，葉片(2)靠近葉片前緣(2-1)的壓力面(2-2)上的每個長槽(3)和葉片(2)靠近葉片前緣(2-1)的吸力面(2-3)的每個長槽(3)均沿葉片(2)的高度方向開設(shè)，壁(1)的葉片前緣端壁(1-1)上的每個長槽(3)均沿壁(1)的寬度方向開設(shè)，所述每個長槽(3)的一個側(cè)壁上沿長槽(3)的長度方向開有多個冷氣噴射孔(4)，且冷氣噴射孔(4)的開設(shè)位置靠近長槽(3)的底部。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述帶有駐渦結(jié)構(gòu)的渦輪冷卻葉柵，其特征在于所 述葉片(2)靠近葉片尾緣(2-4)的壓力面(2-2)上和葉片(2)靠近葉片尾 緣(2-4)吸力面(2-3)上均開有成列排布的多個長槽(3)，葉片(2)靠近 葉片尾緣(2-4)的壓力面(2-2)上的每個長槽(3)和葉片(2)靠近葉片尾 緣(2-4)的吸力面(2-3)上的每個長槽(3)均沿葉片(2)的高度方向開設(shè)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述帶有駐渦結(jié)構(gòu)的渦輪冷卻葉柵，其特征在于所 述長槽(3)的橫截面為方形、梯形或半圓形。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述帶有駐渦結(jié)構(gòu)的渦輪冷卻葉柵，其特征在于 所述冷氣噴射孔(4)為圓型孔、長條型孔或鍵型孔。
全文摘要
帶有駐渦結(jié)構(gòu)的渦輪冷卻葉柵，它涉及一種渦輪冷卻葉柵。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的葉柵中馬蹄渦結(jié)構(gòu)的存在引起了流動損失和摻混損失，葉片前緣及葉片前緣端壁壁面極易燒壞的問題。本發(fā)明的葉片(2)靠近葉片前緣(2-1)的壓力面(2-2)上、葉片(2)靠近葉片前緣(2-1)的吸力面(2-3)上及壁(1)的葉片前緣端壁(1-1)上均開有成列排布的多個長槽(3)，每個長槽(3)的一個側(cè)壁上開有多個冷氣噴射孔(4)，且冷氣噴射孔(4)的開設(shè)位置靠近長槽(3)的底部。本發(fā)明降低了流道內(nèi)部的流動損失，減少了不同流速氣流較強的摻混損失，給葉片端壁及葉片表面提供較佳的熱防護作用，有效保護葉片前緣附近端壁及葉片表面的高溫區(qū)，提高了冷氣利用率。
文檔編號F23R3/04GK101551120SQ200910071998
公開日2009年10月7日 申請日期2009年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月11日
發(fā)明者遜 周, 王振峰, 王松濤, 韓萬金, 黃洪雁 申請人:哈爾濱工業(yè)大學