一种具有提高涡轮气热性能的复合叶顶凹槽结构的制作方法

1.本发明属于燃气涡轮领域，具体涉一种具有提高涡轮气热性能的复合叶顶凹槽结构。


背景技术：

2.随着环境问题的日益突出和能源结构的调整，燃气涡轮作为热效率较高的热功转化设备而被广泛应用于发电，航空航天工业，化学工业和机械动力领域。目前，提高燃气涡轮进口的燃气温度是提高燃气涡轮功率和热效率最直接有效的方法之一。实际服役的燃气涡轮小展弦比高压动叶均采用无围带设计，这直接导致高压涡轮级动叶顶部间隙的泄漏流损失和叶顶的热负荷显著增大。动叶叶顶在高温燃气泄漏流的长时间冲刷下易导致热障涂层脱落，更严重则引起叶顶烧蚀而威胁燃气涡轮的使用寿命和运行安全。
3.由于动叶顶部间隙存在较大的泄漏损失且导致动叶叶顶具有极高的热负荷，因此需要先进的动叶叶顶设计以减小叶顶泄漏流和动叶叶顶的热负荷。实际燃气涡轮的动叶叶顶大都采用凹槽状叶顶结构来抑制叶顶间隙泄漏。在燃气涡轮运行中，高温高压的燃气在动叶叶顶两侧的压力梯度驱动下自压力面侧朝吸力面侧迁移。该部分泄漏流在狭窄的叶顶间隙中加速流动，导致叶顶的热负荷显著增大，同时高速泄漏流在吸力面侧与主流方向不一致而产生强烈掺混导致较大的气动损失。常规叶顶凹槽则在叶顶和机匣之间形成一个大的腔室与压力面侧和吸力面侧的凹槽肩壁形成类似迷宫密封的封严结构，实现动叶顶部的封严效果。研究显示：相比平叶顶，现有的叶顶凹槽结构可明显地抑制动叶顶部的泄漏流，然而被限制在前缘凹槽腔室的泄漏流在流动方向的压力梯度驱动下载凹槽内朝下游迁移，从而在叶顶凹槽前缘底部表面和再附着线附近形成带状的高热负荷区域。
4.目前实际燃气涡轮动叶1采用如图1所示的常规叶顶凹槽3来抑制高压涡轮动叶叶顶间隙2的泄漏流，相对于平叶顶可以显著减弱泄漏流。图2给出了常规叶顶凹槽 3的结构特征，该结构会引起泄漏流在叶顶凹槽前缘区域19的强烈冲击,泄漏流形成的涡系在叶顶凹槽中弦区域20和叶顶凹槽尾缘区域21发生迁移并形成两个高换热区域，分别为叶顶凹槽底部的前缘高热负荷区8和叶顶凹槽底部的带状高热负荷区9，给燃气涡轮动叶1的安全运行带来极大挑战，例如发明专利202010262320.x一种涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构及其设计方法。因此，开发具有减小热负荷的新型叶顶凹槽结构对提高燃气涡轮气动性能和延长使用寿命，保障燃气涡轮安全有效地工作具有十分重要的工程应用价值。
5.如图3所示，现有技术202011126947.9一种用于涡轮叶片带横向缝孔的间断凹槽叶顶结构，通过在叶顶上布置吸力面侧凹槽壁和压力面侧凹槽壁，并在断裂凹槽壁处布置横向缝孔，该结构的优点是间断的凹槽叶顶能够通过消除间断区域凹槽叶顶内形成的燃气再附着区域，十分有效降低叶顶前缘区域的换热系数，减弱了当地的换热的强度，提高了叶顶的冷却特性；但无法有效减弱叶顶间隙泄漏，从而无法一直凹槽内的腔室涡，因此凹槽底部表面的带状高换热区无法消除。


技术实现要素：

6.要解决的技术问题：
7.针对燃气涡轮高压涡轮叶顶间隙存在泄漏流导致叶顶表面承受极高热负荷且常规叶顶凹槽无法有效减小叶顶热负荷的特点，本发明提出一种具有减小热负荷的新型叶顶凹槽结构，通过新型的叶顶凹槽设计来抑制叶顶间隙泄漏流对叶顶表面的冲刷从而使叶顶表面热负荷减小，延长高压涡轮动叶的使用寿命并保障燃气涡轮安全有效地运行。
8.本发明的技术方案是：一种具有提高涡轮气热性能的复合叶顶凹槽结构，所述复合叶顶凹槽结构位于涡轮转子叶片的顶部，包括常规叶顶凹槽和叶顶凹槽肩壁，叶顶凹槽肩壁沿叶片顶部的周向设置；所述常规叶顶凹槽内分为三个区域，沿中弧线依次为前缘区域、中弦区域、尾缘区域；其特征在于：所述常规叶顶凹槽内设置有纵向肋片、横向截断肋片、格栅状肋片，构成复合叶顶凹槽；三种肋片均垂直于固定于复合叶顶凹槽的槽底面；
9.所述纵向肋片沿着叶顶中弧线设置，并位于复合叶顶凹槽中弦区域的带状高热负荷区；4个所述横向截断肋片沿垂直于叶顶中弧线的方向设置，并垂直于带状高热负荷区布置，将叶顶中弧线均分为5段，从前缘到尾缘依次为第一、第二、第三、第四横向截断肋片；
10.所述复合叶顶凹槽的前缘高热负荷区设置有格栅状肋片，用于阻断叶顶前缘泄漏流对凹槽底部表面的冲刷。
11.本发明的进一步技术方案是：4个所述横向截断肋片的一端均与位于吸力面的叶顶凹槽肩壁内壁无缝连接，另一端均与位于压力面的叶顶凹槽肩壁内壁无缝连接；第一、第二横向截断肋片和叶顶凹槽肩壁围成的区域为前缘区域，该区域位于复合叶顶凹槽的前缘高热负荷区；第二、第三、第四横向截断肋片和叶顶凹槽肩壁围成的区域为中弦区域；第四横向截断肋片和叶顶凹槽肩壁围成的区域为尾缘区域。
12.本发明的进一步技术方案是：所述纵向肋片位于第二个横向截断肋片和第四个横向截断肋片之间的中弧线上，且两端分别与第二、第四个横向截断肋片无缝连接。
13.本发明的进一步技术方案是：所述格栅状肋片包括横向格栅截断肋片和纵向格栅肋片；多个所述横向格栅截断肋片沿叶顶中弧线的弧长方向布置，多个所述纵向格栅肋片沿前缘横向截断肋片的长度方向布置。
14.本发明的进一步技术方案是：所述第一横向截断肋片和叶顶凹槽肩壁构成第一前缘区域，取第一前缘区域内吸力面和压力面弧线的交点为第一分界点，第一前缘区域内吸力面弧线的中点为第二分界点；第一前缘区域内设置有2个横向格栅截断肋片和 3个纵向格栅肋片；
15.2个横向格栅截断肋片的一端与位于压力面的叶顶凹槽肩壁内壁无缝连接，两个连接点将第一分界点和第一横向截断肋片之间的区域等分；另一端与位于吸力面的叶顶凹槽肩壁内壁无缝连接，两个连接点将第二分界点和第一横向截断肋片之间的区域等分；
16.3个纵向格栅肋片的一端与位于吸力面的叶顶凹槽肩壁内壁无缝连接，三个连接点将第一分界点和第二分界点之间的区域等分；另一端与第一横向截断肋片无缝连接，三个连接点将第一横向截断肋片等分。
17.本发明的进一步技术方案是：所述第一、第二横向截断肋片和叶顶凹槽肩壁构成第二前缘区域，第二前缘区域内设置有3个横向格栅截断肋片和3个纵向格栅肋片；
18.3个横向格栅截断肋片的一端与位于压力面的叶顶凹槽肩壁内壁无缝连接，三个
连接点将第一、第二横向截断肋片之间的区域等分；另一端与位于吸力面的叶顶凹槽肩壁内壁无缝连接，三个连接点将第一、第二横向截断肋片之间的区域等分；
19.3个纵向格栅肋片的一端与第一横向截断肋片无缝连接，三个连接点将第一横向截断肋片等分；另一端与第二横向截断肋片无缝连接，三个连接点将第二横向截断肋片等分。
20.本发明的进一步技术方案是：所述纵向肋片、横向截断肋片、格栅状肋片的高度均与叶顶凹槽肩壁高度h0相等。
21.本发明的进一步技术方案是：所述纵向肋片、横向截断肋片的宽度与叶顶凹槽肩壁的宽度w0相等。
22.本发明的进一步技术方案是：所述格栅截断肋片、纵向格栅肋片的宽度是叶顶凹槽肩壁的宽度w0的0.5倍。
23.有益效果
24.本发明的有益效果在于：本发明沿叶顶凹槽中弧线及垂直于中弧线方向布置肋片，抑制叶顶间隙自压力面侧流向吸力面侧的泄漏流和叶顶凹槽腔室内涡系朝下游的迁移，同时在叶顶凹槽前缘区域布置横向格栅截断肋片和纵向格栅肋片，阻断叶顶前缘泄漏流对凹槽底部表面的冲刷。具体分析如下：
25.首先，将常规叶顶凹槽按照凹槽内的泄漏流和涡结构的相互作用划分成三个区域，由于叶顶凹槽沿泄漏方向宽度不同导致这三个区域的泄漏特性不同；然后，沿着叶顶中弧线布置肋片，抑制泄漏流在凹槽上方机匣附近刮削涡的挤压下朝凹槽底部表面冲刷，从而实现对凹槽底部表面的保护；再沿叶顶中弧线垂直方向布置截断肋片以截断凹槽腔室内沿中弧线方向自上游朝下游迁移的强烈涡系，实现对下游叶顶凹槽表面的保护；最后，针对叶顶凹槽底部前缘存在高热负荷区，在叶顶凹槽前缘区域布置横向格栅截断肋片和纵向格栅肋片。其中，沿叶顶凹槽中弧线布置肋片以阻断朝叶顶凹槽底部表面冲刷的高温泄漏流，一方面可抑制了自压力面侧朝吸力面侧迁移的泄漏流，另一方面减弱了高温泄漏流对叶顶凹槽底部表面的直接冲刷，对叶顶起到保护作用。截断肋片阻断了叶顶凹槽腔室内沿中弧线方向自上游朝下游迁移的腔室涡，可减弱腔室涡对叶顶凹槽底部表面的冲刷。叶顶凹槽前缘区域的横向格栅截断肋片和纵向格栅肋片阻断了叶顶前缘泄漏流对凹槽底部表面的冲刷。
26.1.本发明中采用4个横向截断肋片将叶顶中弧线均分为5段，形成5个区域。根据数值模拟研究发现在沿前缘至中弧线20％弦长的前缘区域的叶顶凹槽主要受前缘泄漏流冲击的影响而产生叶顶凹槽底部的前缘高热负荷区，在沿中弧线20％
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40弦长的前缘区域主要受前缘泄漏流冲击后形成的腔室涡冲刷而产生带状高热符合区域。此外，在沿中弧线40％
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80％弦长的中弦凹槽底部表面主要受腔室涡与横向泄漏流冲刷而形成带状高热符合区域。在沿中弧线80％
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100％弦长的中弦凹槽底部表面，由于凹槽腔室宽度小，腔室体积小而导致泄漏流无法直接冲刷至底部表面，因此该区域的热负荷较小。鉴于此，本发明沿叶顶凹槽中弧线布置4个肋片将凹槽腔室沿中弧线五等分。
27.2.本发明中采用横向格栅截断肋片和纵向格栅肋片两端的连接点将连接区域等分的结构。在设置叶顶凹槽前缘区域的横向格栅截断肋片和纵向格栅肋片时，考虑到加工制造的工艺难度，本发明均采用横向格栅截断肋片和纵向格栅肋片的连接点为等分结构，
一方面降低了制造难度，另一方面在实际运行的燃气涡轮叶顶凹槽前缘处存在从吸力面侧摄入的高温燃气与泄漏流掺混形成腔室涡朝下游迁移，因此采用该结构形式不但抑制了从压力面侧朝吸力面侧迁移的泄漏流，还能抑制从叶顶前缘吸力面侧摄入的高温燃气。
28.3.本发明中纵向肋片、横向截断肋片、格栅截断肋片、纵向格栅肋片的高度均与叶顶凹槽肩壁高度相等。即h1＝h2＝h3＝h4＝h0，这是因为叶顶间隙高度极小，一般为0.5％的叶片高度，一般为最小间隙高度以保证最佳的气动性能。肋片高度高于叶顶凹槽肩壁则易引起肋片与机匣的剐蹭，导致叶片损坏。肋片高度小于叶顶凹槽肩壁高度则引起泄漏流的增强，因此本发明的肋片高度均与叶顶凹槽肩壁高度相等。此外，纵向肋片、横向截断肋片要要经受叶顶间隙泄漏流和腔室涡的强烈冲刷，同时考虑到设计的复杂性，将其宽度设定与叶顶凹槽肩壁宽度相等，即承受主要的气动热负荷。然而，格栅截断肋片、纵向格栅肋片主要集中在叶顶凹槽前缘区域，其主要作用是阻断前缘泄漏流和吸力面侧摄入的高温燃气对叶顶凹槽底部表面的强烈冲刷作用，旨在通过布置肋片形成多个小腔室产生格栅密封的效果，因此希望格栅截断肋片、纵向格栅肋片的宽度较小，同时考虑到设计和加工难度，本发明设置格栅截断肋片、纵向格栅肋片为叶顶凹槽肩壁宽度的0.5倍。
29.如图6(b)所示，沿带状高热负荷区布置的纵向肋片和横向截断肋片可使叶顶凹槽底部的带状高热负荷区消失，叶顶凹槽前缘区域的横向格栅截断肋片和叶顶凹槽前缘区域的纵向格栅肋片使叶顶凹槽底部的前缘高热负荷区消失。
30.如图7是现有技术和本发明复合叶顶凹槽的传热系数分布对比图，对比结果为本发明的叶顶凹槽能够显著地降低了叶顶的热负荷。
31.本发明提供的具有减小热负荷的新型叶顶凹槽结构能够明显减小叶顶表面的热负荷，保证高压燃气涡轮安全高效地运行。本发明的新型叶顶凹槽结构对目前减小高压燃气涡轮中的动叶叶顶间隙泄漏流和叶顶热负荷具有普遍适用性。
附图说明
32.图1是背景技术中带有叶顶凹槽的高压涡轮级子午面剖视图；
33.图2是背景技术中带有常规凹槽和小翼的动叶叶顶示意图；
34.图3是背景技术中带有带横向缝孔的间断凹槽叶顶结构示意图；
35.图4是本发明带有复合叶顶凹槽的高压涡轮级子午面剖视图；
36.图5是本发明复合叶顶凹槽结构的俯视图；
37.图6(a)是不同弦长位置处常规叶顶凹槽内的泄漏流和涡系结构，6(b)是不同弦长位置处复合叶顶凹槽内的泄漏流和涡系结构；
38.图7是现有技术和本发明复合叶顶凹槽的传热系数分布对比图；(a)是常规叶顶凹槽内的传热系数分布图，(b)是本发明叶顶凹槽的传热系数分布图。
39.附图标记说明：1
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燃气涡轮动叶，2
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叶顶间隙，3
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常规叶顶凹槽，4
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轮缘密封， 5
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燃气涡轮静叶，6
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叶顶凹槽肩壁，7
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叶顶前缘，8
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叶顶凹槽底部的前缘高热负荷区，9
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叶顶凹槽底部的带状高热负荷区，10
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叶顶凹槽中弧线，11
‑
复合叶顶凹槽，12
‑
沿带状高热负荷区布置的纵向肋片，13
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横向截断肋片，14
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叶顶凹槽前缘区域的横向格栅截断肋片，15
‑
叶顶凹槽前缘区域的纵向格栅肋片，16
‑
叶顶前缘吸力面侧肩壁,17
‑ꢀ
叶顶前缘的凹槽底部表面,18
‑
叶顶前缘压力面侧肩壁，19
‑
叶顶凹槽前缘区域，20
‑ꢀ
叶顶凹槽中弦区域，21
‑
叶顶凹
槽尾缘区域，22
‑
叶顶吸力面侧角涡，23
‑
叶顶机匣，24
‑ꢀ
叶顶间隙刮削涡，25
‑
叶顶压力面侧角涡，26
‑
叶片压力面侧，27
‑
叶片吸力面侧，28
‑ꢀ
叶顶凹槽前缘区域的纵向格栅肋片h4，29
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叶顶凹槽前缘区域的纵向格栅肋片宽度w4， 30
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叶顶凹槽前缘区域的纵向格栅肋片高度h3，31
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叶顶凹槽前缘区域的横向格栅截断肋片宽度w3，32
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横向截断肋片宽度w2，33
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横向截断肋片宽度h2，34
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沿带状高热负荷区布置的纵向肋片高度h1，35
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沿带状高热负荷区布置的纵向肋片宽度w1，36
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叶顶凹槽肩壁宽度w0，37
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叶顶凹槽肩壁高度h0，38
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叶顶凹槽尾缘腔室涡，39
‑
横向缝孔。
具体实施方式
40.下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
41.本发明公开了一种具有提高涡轮气热性能的复合叶顶凹槽结构11，该复合叶顶凹槽结构11是在常规叶顶凹槽3底部布置横向截断肋片13和沿凹槽底部表面带状高热负荷区布置的纵向肋片12，同时引入叶顶凹槽前缘区域的横向格栅截断肋片14和叶顶凹槽前缘区域的纵向格栅肋片15从而在凹槽前缘区域形成格栅状肋片布置。叶顶凹槽底部的前缘高热负荷区8和叶顶凹槽底部的带状高热负荷区9在给定条件下通过实验或数值模拟获得。横向截断肋片13沿垂直带状高热负荷区布置，同时沿带状高热负荷区布置纵向肋片12。
42.实际服役的燃气涡轮中，常规叶顶凹槽3结构对叶顶泄漏流的抑制作用有限，其内存在三个泄漏特性不同的区域即靠近前缘的大凹槽腔室区，在该区域的压力面侧和吸力面侧肩壁处各形成一个角涡且两个角涡影响区域大小相同，泄漏流则在凹槽上方机匣附近刮削涡的挤压下冲向凹槽底部表面，从而在叶顶凹槽底部表面形成带状高热负荷区。具体为叶顶底部表面在前缘冲击流和凹槽中间腔室处的再附着流的强烈冲刷下形成了叶顶凹槽底部的前缘高热负荷区8和叶顶凹槽底部的带状高热负荷区9。中间弦长的凹槽宽度比前缘附近凹槽有所减小，因此该区域的吸力面侧肩壁处的角涡被压制而泄漏流冲击形成的带状高热负荷区朝吸力面侧移动。在靠近尾缘处，凹槽宽度显著减小导致泄漏流无法冲击凹槽底部表面而直接流向吸力面侧，此时压力面侧和吸力面侧角涡融合在凹槽内形成一个大的回流涡。
43.根据实验和数值研究发现：叶顶间隙泄漏流在从压力面侧朝吸力面侧的压力梯度和从前缘朝下游的压力梯度共同作用下发生迁移。与此同时还有从叶顶前缘吸力面侧肩壁16摄入主流高温气体。为了能够最大程度地抑制在驱动压差作用下产生的叶顶间隙泄漏流并且减小因泄漏流而引起的常规凹槽底部表面热负荷增大，针对叶顶凹槽前缘区域19，叶顶凹槽中弦区域20，叶顶凹槽尾缘区域2泄漏流流动结构的不同，本发明在常规叶顶凹槽3底部布置截断肋片14和沿凹槽底部表面带状高热负荷区布置的纵向肋片15，可显著减弱再附着泄漏流对凹槽底部表面的冲刷，同时可限制从上游至下游的发展的涡系。此外，本发明的新型复合叶顶凹槽结构12在叶顶凹槽前缘区域19引入叶顶凹槽前缘区域的横向格栅截断肋片14和叶顶凹槽前缘区域的纵向格栅肋片15从而在凹槽前缘区域形成格栅状肋片布置，显著抑制了泄漏流对叶顶凹槽前缘底部表面的冲刷，同时削弱了从叶顶前缘吸力面侧肩壁16摄入主流高温气体。
44.实施例：
45.参照图4、5所示，本发明一种具有提高涡轮气热性能的复合叶顶凹槽结构，所述复合叶顶凹槽结构位于涡轮转子叶片的顶部，包括常规叶顶凹槽3和叶顶凹槽肩壁6，叶顶凹槽肩壁6沿叶片顶部的周向设置；所述常规叶顶凹槽3内分为三个区域，沿中弧线依次为前缘区域、中弦区域、尾缘区域；常规叶顶凹槽3内设置有纵向肋片、横向截断肋片、格栅状肋片，构成复合叶顶凹槽；三种肋片均垂直于固定于复合叶顶凹槽的槽底面；
46.所述纵向肋片沿着叶顶中弧线设置，并位于复合叶顶凹槽中弦区域的带状高热负荷区；4个所述横向截断肋片沿垂直于叶顶中弧线的方向设置，并垂直于带状高热负荷区布置，将叶顶中弧线均分为5段，从前缘到尾缘依次为第一到第四横向截断肋片；4个所述横向截断肋片的一端均与位于吸力面的叶顶凹槽肩壁内壁无缝连接，另一端均与位于压力面的叶顶凹槽肩壁内壁无缝连接；第一、第二横向截断肋片和叶顶凹槽肩壁围成的区域为前缘区域，该区域位于复合叶顶凹槽的前缘高热负荷区；第二、第三、第四横向截断肋片和叶顶凹槽肩壁围成的区域为中弦区域；第四横向截断肋片和叶顶凹槽肩壁围成的区域为尾缘区域。所述纵向肋片位于第二个横向截断肋片和第四个横向截断肋片之间的中弧线上，且两端分别与第二、第四个横向截断肋片无缝连接。
47.所述复合叶顶凹槽的前缘高热负荷区设置有格栅状肋片，用于阻断叶顶前缘泄漏流对凹槽底部表面的冲刷。所述格栅状肋片包括横向格栅截断肋片和纵向格栅肋片；多个所述横向格栅截断肋片沿叶顶中弧线的弧长方向布置，多个所述纵向格栅肋片沿前缘横向截断肋片的长度方向布置。
48.所述第一横向截断肋片和叶顶凹槽肩壁构成第一前缘区域，取第一前缘区域内吸力面和压力面弧线的交点为第一分界点，第一前缘区域内吸力面弧线的中点为第二分界点；第一前缘区域内设置有2个横向格栅截断肋片和3个纵向格栅肋片；2个横向格栅截断肋片的一端与位于压力面的叶顶凹槽肩壁内壁无缝连接，两个连接点将第一分界点和第一横向截断肋片之间的区域等分；另一端与位于吸力面的叶顶凹槽肩壁内壁无缝连接，两个连接点将第二分界点和第一横向截断肋片之间的区域等分；3个纵向格栅肋片的一端与位于吸力面的叶顶凹槽肩壁内壁无缝连接，三个连接点将第一分界点和第二分界点之间的区域等分；另一端与第一横向截断肋片无缝连接，三个连接点将第一横向截断肋片等分。
49.所述第一、第二横向截断肋片和叶顶凹槽肩壁构成第二前缘区域，第二前缘区域内设置有3个横向格栅截断肋片和3个纵向格栅肋片；3个横向格栅截断肋片的一端与位于压力面的叶顶凹槽肩壁内壁无缝连接，三个连接点将第一、第二横向截断肋片之间的区域等分；另一端与位于吸力面的叶顶凹槽肩壁内壁无缝连接，三个连接点将第一、第二横向截断肋片之间的区域等分；3个纵向格栅肋片的一端与第一横向截断肋片无缝连接，三个连接点将第一横向截断肋片等分；另一端与第二横向截断肋片无缝连接，三个连接点将第二横向截断肋片等分。
50.参见图6(a)所示，在靠近前缘和中间弦长的常规叶顶凹槽内存在吸力面侧肩壁角涡22和叶顶刮削涡24以及压力面侧肩壁角涡25，在这三个涡的作用下泄漏流从压力面侧朝叶顶凹槽底部表面冲刷形成了带状高热负荷区9。靠近尾缘附近的叶顶凹槽宽度减小，叶顶凹槽内压力面侧肩壁角涡25吸力面侧肩壁角涡22融合形成回流涡38，靠近尾缘附近的叶顶凹槽底部表面的带状高热负荷区9消失。
51.参见图6(b)，本发明新型叶顶凹槽结构在常规凹槽内沿带状高热负荷区布置的纵
向肋片12和横向截断肋片13，同时引入叶顶凹槽前缘区域的横向格栅截断肋片14 和叶顶凹槽前缘区域的纵向格栅肋片15。具体而言，复合叶顶凹槽11结构中沿垂直带状高热负荷区布置的截断肋片高度h233和沿带状高热负荷区布置的肋片高度34h1，沿叶顶凹槽前缘区域的横向格栅截断肋片高度28h4和叶顶凹槽前缘区的纵向格栅肋片高度30h3(30)均与叶顶凹槽肩壁高度h037相等，即h1＝h2＝h3＝h4＝h0；沿垂直带状高热负荷区布置的截断肋片宽度32w2和沿带状高热负荷区布置的肋片宽度 35w1与叶顶凹槽肩壁高度37w0相等，即w1＝w2＝w0；沿叶顶凹槽前缘区域的横向格栅截断肋片宽度31w3和叶顶凹槽前缘区域的纵向格栅肋片宽度29w430为叶顶凹槽肩壁高度w037的0.5倍，即w3＝w4＝0.5w0。
52.本发明在实施中，首先通过给定的叶栅几何、流动条件进行建模和模拟，再根据常规叶顶凹槽时叶顶间隙流动结构和叶顶凹槽底部表面的热负荷分布特征来确定本发明的沿带状高热负荷区布置的纵向肋片12和横向截断肋片13，同时引入叶顶凹槽前缘区域19的横向格栅截断肋片14和叶顶凹槽前缘区域的纵向格栅肋片15。沿带状高热负荷区布置的纵向肋片12和横向截断肋片13可使叶顶凹槽底部的带状高热负荷区 9消失，叶顶凹槽前缘区域19的横向格栅截断肋片14和叶顶凹槽前缘区域的纵向格栅肋片15使叶顶凹槽底部的前缘高热负荷区8消失。复合叶顶凹槽11结构中沿垂直带状高热负荷区布置的截断肋片高度33h2和沿带状高热负荷区布置的肋片高度34h1，沿叶顶凹槽前缘区域的横向格栅截断肋片高度28h4和叶顶凹槽前缘区的纵向格栅肋片高度30h3均与叶顶凹槽肩壁高度37h0相等，即h1＝h2＝h3＝h4＝h0；沿垂直带状高热负荷区布置的截断肋片宽度32w2和沿带状高热负荷区布置的肋片宽度35w1与叶顶凹槽肩壁高度37w0等，即w1＝w2＝w0；沿叶顶凹槽前缘区域的横向格栅截断肋片宽度31w3和叶顶凹槽前缘区域的纵向格栅肋片宽度29w4为叶顶凹槽肩壁高度 37w0的0.5倍，即w3＝w4＝0.5w0。
53.本发明的技术原理如下：
54.参见图1，在燃气涡轮中，采用常规的叶顶凹槽3来减小动叶顶间隙2的泄漏。如图6(a)所示常规的叶顶凹槽3和机匣23构成了类似迷宫密封的封严结构，泄漏流进入叶顶间隙，在叶顶凹槽与机匣之间的腔室内形成强烈的吸力面侧肩壁角涡22 和叶顶刮削涡24及压力面侧肩壁角涡25。泄漏流对叶顶凹槽底部表面冲刷会形成叶顶凹槽底部的前缘高热负荷区8和叶顶凹槽底部的带状高热负荷区9，威胁叶顶的运行安全和使用寿命。数值模拟研究表明：高热负荷区域只存在叶顶凹槽前缘区域19 和叶顶凹槽中弦区域20，而叶顶凹槽尾缘区域21热负荷较低。根据图6(a)可知泄漏涡在叶顶间隙2与机匣23的共同作用下形成叶顶刮削涡24，导致泄漏流朝凹槽底部表面冲刷，产生的高热负荷区。本发明提出在常规叶顶凹槽3的底部表面沿带状高热负荷区布置的纵向肋片12和横向截断肋片13，同时引入叶顶凹槽前缘区域19的横向格栅截断肋片14和叶顶凹槽前缘区域的纵向格栅肋片15。一方面，削弱叶顶间隙泄漏流并减弱了泄漏流对叶顶前缘的凹槽底部表面17的冲刷，同时横向截断肋片13 抑制叶顶凹槽内腔室涡自前缘朝尾缘迁移；另一方面，叶顶凹槽前缘区域19的横向格栅截断肋片14和叶顶凹槽前缘区域的纵向格栅肋片15所形成的的格栅结构，可阻断叶顶前缘泄漏流对凹槽底部表面的冲刷，最终减小叶顶热负荷。
55.本发明的复合叶顶凹槽11通过在常规叶顶凹槽3的底部表面沿带状高热负荷区布置的纵向肋片12和横向截断肋片13，同时引入叶顶凹槽前缘区域19的横向格栅截断肋片14和叶顶凹槽前缘区域的纵向格栅肋片15，显著减弱叶顶泄漏流对叶顶表面的冲刷，减小叶
顶的热负荷。
56.数值模拟结果已初步证明了本发明的新型叶顶凹槽(11)能够显著地降低了叶顶的热负荷(如图7所示)。
57.申请人对国内外相关的减小叶顶热负荷专利检索结果显示，未发现与本发明结构特征相近的新型叶顶凹槽结构。
58.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。