專利名稱：一種旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下具有非對(duì)稱肋片參數(shù)的渦輪葉片內(nèi)冷通道的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫部件的冷卻設(shè)計(jì)很大程度上決定了整機(jī)性能和可靠性。本 發(fā)明涉及一種具有非對(duì)稱肋片參數(shù)的冷卻通道，該冷卻通道主要應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦 輪葉片中部。其整體冷卻效果將比當(dāng)前渦輪葉片所普遍釆用的對(duì)稱肋冷卻通道提高 15%以上。
背景技術(shù)：
提高燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和推重比的最有效方法就是提高渦輪前溫度。當(dāng)前 渦輪前溫度最高已經(jīng)超過(guò)2100K，如此高的溫度已經(jīng)遠(yuǎn)超現(xiàn)有金屬材料的允許溫度。 不僅如此，渦輪葉片在高轉(zhuǎn)速下工作(轉(zhuǎn)速通常可達(dá)lOOOOrpm以上)，處于非常高 的離心力場(chǎng)中。在如此惡劣的工作環(huán)境下要保證葉片正常、可靠、長(zhǎng)期的工作，就必 須對(duì)渦輪葉片進(jìn)行有效的冷卻，保持最佳的熱應(yīng)力狀態(tài)。在現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中， 高壓渦輪葉片內(nèi)部的冷卻通道從結(jié)構(gòu)上一般分成三個(gè)部分(附

圖1):在葉片前緣， 采用了沖擊和氣膜冷卻形式；在葉片中部，采用帶肋的回轉(zhuǎn)通道(5) (6)使冷卻氣 體與葉片節(jié)進(jìn)行對(duì)流換熱；在葉片尾緣，冷卻氣體經(jīng)擾流柱后排向燃?xì)馔ǖ?。渦輪葉 片冷卻的原則是熱端部件的總體溫度盡可能低以及熱端部件內(nèi)部的溫差盡量小。就轉(zhuǎn) 子葉片中部?jī)?nèi)冷通道而言，旋轉(zhuǎn)使得其內(nèi)部的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的非對(duì)稱性。 從優(yōu)化設(shè)計(jì)的角度講，如果把換熱面的流動(dòng)和溫度條件作為約束條件，換熱效果作為 目標(biāo)函數(shù)，換熱面的換熱結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，那么非對(duì)稱的流動(dòng)與溫度分 布對(duì)應(yīng)的優(yōu)化換熱結(jié)構(gòu)也必然是非對(duì)稱的。目前真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)冷通道的換熱 結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)參數(shù)仍然釆用對(duì)稱結(jié)構(gòu)。這種對(duì)稱布局并不能滿足熱端部件總體溫度低的 原則，也無(wú)助于減小熱端部件的內(nèi)部溫差。 發(fā)明 內(nèi) 容
本發(fā)明的目的是提供一種適用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的內(nèi)冷通道，包括相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸而言的徑向出氣段(6)、相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸而言的徑向進(jìn)氣段(5)，相對(duì)于旋 轉(zhuǎn)方向而言的通道前緣(3)、相對(duì)于旋轉(zhuǎn)方向而言的通道后緣(4)、肋片(2)。本 發(fā)明內(nèi)冷通道的新特點(diǎn)在于徑向出氣段后緣面的肋片間距p與肋高e之比小于前 緣面，徑向進(jìn)氣段前緣面的肋片間距p與肋高e之比小于后緣面。該冷卻通道徑向 出氣段(6)前緣面(3)的肋間距-肋高比p/e在7 12之間，后緣面(4)的肋間 距-肋高比p/e在3 6之間；徑向進(jìn)氣段(5)前緣面(3)的肋間距-肋髙比p/e在 3~6之間，后緣面(4)的肋間距-肋高比p/e在7 12之間。而且，其肋片形式不 限于直肋結(jié)構(gòu)，其他形式的肋片，只要前后緣采用了不同的肋片間距，都可以認(rèn)為是 本發(fā)明的內(nèi)容，如斜肋、V肋等。
本發(fā)明充分考慮了在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下通道內(nèi)流動(dòng)、換熱區(qū)別與靜止?fàn)顟B(tài)下的特性，實(shí) 現(xiàn)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下葉片帶肋內(nèi)冷通道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)在于(1)適當(dāng)縮小了哥氏力 所指面(徑向出氣段后緣面和徑向進(jìn)氣段前緣面)的肋片間距-高度比p/e，利用了 哥氏力對(duì)肋間渦的壓縮作用實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)換熱的目的；(2)適當(dāng)增加了哥氏力所背離面 (徑向出氣段前緣面和徑向進(jìn)氣段后緣面)的肋片間距-高度比p/e，利用了哥氏力 對(duì)肋間渦的擴(kuò)張作用實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)換熱的目的；(3)前后緣面的肋片參數(shù)都針對(duì)其所處 近壁流場(chǎng)條件進(jìn)行了獨(dú)立優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)了整體換熱的增強(qiáng)。 附圖說(shuō) 明
圖1是典型渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)。
圖2是徑向出氣段常規(guī)肋片布局與本發(fā)明的肋片布局對(duì)比圖。
圖3是徑向進(jìn)氣段常規(guī)肋片布局與本發(fā)明的肋片布局對(duì)比圖。
圖中 l.葉片前緣 2.肋片 3.通道前緣 4.通道后緣
5.徑向進(jìn)氣段6.徑向出氣段 7.葉片尾緣 8.肋間渦 p.肋間距 e.肋高
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
參見(jiàn)圖1所示，本發(fā)明主要應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片中部冷卻通道，其中既包
括徑向出氣段(6)，也包括徑向進(jìn)氣段(5)。渦輪葉片冷卻通道的前緣(4)和后緣 (4)的定義與葉片本體的前緣(1)和尾緣(7)的定義有所不同，其區(qū)別如圖l所 示。在本說(shuō)明中除非特別指明，所提及的前緣和后緣皆表示冷卻通道的前緣(3)和 后緣(4)。
本發(fā)明所提供的冷卻通道增強(qiáng)換熱的基本原理如下
當(dāng)流體經(jīng)過(guò)肋片時(shí)，將在肋尖發(fā)生分離，并在肋后形成大尺度的肋間渦(8)。 當(dāng)相鄰肋片之間的距離足夠大時(shí)，肋間渦長(zhǎng)度可延伸至肋后6-8倍肋高，主流區(qū)流 體則在該位置以后再附著于肋間表面，加強(qiáng)了附著區(qū)域的換熱。如果沒(méi)有新的擾動(dòng)而 使邊界層重新建立起來(lái)，換熱能力將會(huì)下降；當(dāng)相鄰肋片之間的距離小于8以后， 主流體將無(wú)法再附著于肋間表面，肋間漩渦結(jié)構(gòu)緊湊而穩(wěn)定，與主流的質(zhì)量和能量的 交換同樣也會(huì)減小。從強(qiáng)化換熱的角度，最優(yōu)的肋片間距，應(yīng)該剛好使得主流體在肋 間形成再附著區(qū)，而下游肋片卻可以阻礙流場(chǎng)的進(jìn)一步發(fā)展?；谏鲜龇治隹芍?，最 優(yōu)肋片間距取決于肋間渦延伸的長(zhǎng)度。本發(fā)明通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算表明，在旋 轉(zhuǎn)狀態(tài)下，哥氏力壓縮了徑向出氣段后緣和徑向進(jìn)氣段前緣的肋間渦尺度；增加了徑 向進(jìn)氣段前緣的肋間渦尺度。常規(guī)的對(duì)稱肋通道無(wú)法適應(yīng)旋轉(zhuǎn)對(duì)冷卻通道內(nèi)流場(chǎng)的這 種影響。以圖2為例，旋轉(zhuǎn)使得徑向出氣段后緣面肋間距大于肋間渦的尺度，前緣 面肋間距小于肋間渦尺度，前后緣均未能達(dá)到最優(yōu)的換熱效果。
本發(fā)明提供了一種適用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的內(nèi)冷通道。該內(nèi)冷通道后緣 面的肋片參數(shù)都針對(duì)其所處近壁流場(chǎng)條件進(jìn)行了獨(dú)立優(yōu)化，肋間距的布置適應(yīng)了旋轉(zhuǎn) 對(duì)肋間渦尺度的影響規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)了整體換熱的增強(qiáng)。
參見(jiàn)圖2、圖3，本發(fā)明提供的葉片的內(nèi)冷通道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于通道前后緣表 面的具有不同的肋片間距-高度(p/e)比。其徑向出氣段前緣面的肋間距-肋高比在 7~12之間，后緣面的肋間距-肋高比在3 6之間；徑進(jìn)氣段前緣面的肋間距-肋高 比在3~6之間，后緣面的肋間距-肋高比在7~12之間。
參見(jiàn)圖1、 2、 3所示， 一般情況下，前后緣的肋片(2)為直肋，也可以根據(jù)需 要設(shè)計(jì)其他形式的肋片，但只要前后緣釆用了不同的肋片間距，都可以認(rèn)為是本發(fā)明 的內(nèi)容，如斜肋、v肋等。
本發(fā)明經(jīng)過(guò)了大量實(shí)驗(yàn)和三維數(shù)值模擬的驗(yàn)證，在合理選取肋片間距的情況下， 其整體換熱性能將比常規(guī)對(duì)稱布局的肋片結(jié)構(gòu)提高15%以上。
權(quán)利要求
1.一種適用于旋轉(zhuǎn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的冷卻通道，包括相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸而言的徑向出氣段(6)、相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸而言的徑向進(jìn)氣段(5)，相對(duì)于旋轉(zhuǎn)方向而言的通道前緣(3)、相對(duì)于旋轉(zhuǎn)方向而言的通道后緣(4)、肋片(2)，其特征在于徑向出氣段后緣面的肋片間距p與肋高e之比小于前緣面，徑向進(jìn)氣段前緣面的肋片間距p與肋高e之比小于后緣面，該冷卻通道徑向出氣段(6)前緣面(3)的肋間距-肋高比p/e在7～12之間后緣面(4)的肋間距-肋高比p/e在3～6之間，徑向進(jìn)氣段(5)前緣面(3)的肋間距-肋高比p/e在3～6之間后緣面(4)的肋間距-肋高比p/e在7～12之間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的帶非對(duì)稱肋冷卻葉片，其肋片形式不限 于直肋結(jié)構(gòu)，其他形式的肋片，只要前后緣采用了不同的肋片間距，都可以認(rèn)為 是本發(fā)明的內(nèi)容，如斜肋、V肋等。
全文摘要
一種旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下具有非對(duì)稱肋片參數(shù)的渦輪葉片內(nèi)冷通道的發(fā)明公開(kāi)了一種適用于旋轉(zhuǎn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的冷卻通道，該冷卻通道的特征就是其旋轉(zhuǎn)前后緣面布置有不同肋片間距-高度比p/e的肋片。在旋轉(zhuǎn)徑向出氣段，前緣面的肋間距-肋高比p/e在7～12之間，后緣面的肋間距-肋高比p/e在3～6之間。在旋轉(zhuǎn)徑向進(jìn)氣段，前緣面的肋間距-肋高比p/e在3～6之間，后緣面的肋間距-肋高比p/e在7～12之間。在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，相對(duì)于常規(guī)的對(duì)稱肋冷卻通道，本發(fā)明所采用的非對(duì)稱肋冷卻通道的整體換熱能力可提高15％以上。
文檔編號(hào)F01D5/18GK101358545SQ20081011420
公開(kāi)日2009年2月4日 申請(qǐng)日期2008年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月2日
發(fā)明者丁水汀, 劉傳凱, 宏 吳, 徐國(guó)強(qiáng), 翔 羅, 智 陶 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)