一种带有混合式冷却-密封结构的锯齿冠涡轮叶片

1.本发明涉及的是一种涡轮，具体地说是涡轮的叶片。


背景技术：

2.涡轮带冠叶片因为具有诸多优点，如良好的气动性能和叶片减振作用，使得带冠叶片被广泛应用于高低压涡轮。根据叶冠形状的不同分为平行四边形叶冠和锯齿叶冠，其中锯齿冠克服了平行四边形叶冠阻尼面磨损不一致的缺点而应用更广泛。传统的锯齿叶冠如图4所示，双篦齿冠的前缘篦齿7、双篦齿冠的后缘篦齿8，形成“工”形结构，以提高叶冠的刚度。传统锯齿冠的使用，虽然提高了叶片的刚度，但是也增加了叶片的质量，导致叶片在高速旋转下的离心拉应力增大，同时可能会产生附加的离心弯矩，当超出叶片承受强度时损伤叶片，严重威胁涡轮的安全运行。由于双篦齿的特殊结构，导致叶冠之间的工作面接触面积过小，如图4中叶冠两篦齿中间的工作面2，造成局部接触应力过大，而最终导致磨损加剧而损伤叶片，也会影响涡轮的安全运行。高压涡轮中，尤其是涡轮的第一级叶片，其面临的是燃烧室流出高温、高压气流，使用叶片带冠结构，就会对对带冠叶片强度要求非常高，否则叶片强度就会因为高温燃气和高应力的侵蚀而被减弱损坏，叶冠前缘因传热不均匀和冷却不到位而掉块的现象也时常发生，最终也会严重威胁燃气涡轮发动机的安全运行。传统的锯齿冠叶片虽然很大程度上减小了叶顶间隙的泄漏流流量，但是由于间隙依然存在，泄漏流也就存在。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供克服传统叶冠质量过大、叶冠之间接触面积过小以及叶冠由于热腐蚀掉块等缺点的一种带有混合式冷却-密封结构的锯齿冠涡轮叶片。
4.本发明的目的是这样实现的：
5.本发明一种带有混合式冷却-密封结构的锯齿冠涡轮叶片，包括叶片体、叶冠，其特征是：叶冠上设置带有混合结构的单篦齿，单篦齿里设置第一进口通道和第二进口通道，第一进口通道位于单篦齿的前缘面，第二进口通道为由单篦齿底部通向单篦齿顶部，第一进口通道与第二进口通道在单篦齿内部汇合。
6.本发明还可以包括：
7.1、第二进口通道直径d1小于单篦齿齿顶部宽度c1的50％。
8.2、第一进口通道的进口孔孔径为d2，出口孔孔径为d3，且d3＜d2；进口孔与出口孔形成向下凹的形状；d2小于单篦齿前缘斜向长度c2的50％。
9.3、第二进口通道的出口与单篦齿顶部的夹角小于90
°
。
10.本发明的优势在于：单篦锯齿冠减轻了叶冠质量，从而降低了叶片在高转速的离心拉应力；工作面面积的增加，降低了工作面上的接触应力；篦齿内部气流通道，气流在压差以及气流流向的驱使下从篦齿前缘比篦齿气流通道出口面积大的进口流入(该气流引自叶冠容腔的泄漏流，没有使用外部冷气源，不会造成额外功耗)，与叶片内另一冷却通道流
出的冷气掺混，经一段距离的加速后以一定角度向机匣喷出，对篦齿顶部的泄漏流形成阻碍，减小泄漏流，最终一部分掺混气流流入叶冠前缘，一部分气流流入叶冠后缘，达到冷却叶冠的效果。
附图说明
11.图1为本发明的结构示意图；
12.图2为篦齿内部气流通道截面图；
13.图3为篦齿截面参数示意图；
14.图4为传统锯齿冠叶片(带双篦齿)的结构示意图；
15.图5为单篦齿叶冠容腔内的流动结构特征示意图。
具体实施方式
16.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
17.结合图1-5，本发明是在传统锯齿叶冠的基础上，将双篦齿改为单个篦齿，改设计减轻了叶冠的质量；且叶冠与叶冠之间的工作面由原来薄接触面变为篦齿与篦齿之间横截面的相互接触，增大了接触面积，降低接触应力，减小了摩擦损失带来的危害。在保证叶冠及篦齿强度的基础上，在篦齿内部设计气流流通通道，其中有两个进口通道，一个进口在篦齿前缘面，该通道根据叶冠容腔流场结构，在尽量不改变容腔内流场结构下设计成向下凹且外大内小的形状(该形状便于气流由一个较低的速度与压力变为相对较高速气流从篦齿顶部流出，阻碍泄漏流流动)；另一个进口为叶片内部通向篦齿的冷气通道，在篦齿内与篦齿通道汇合；最终将两股通道交汇成一个通道，与篦齿顶部形成一个夹角，其中夹角应小于90
°
，最后通向篦齿顶部。
18.在保证篦齿强度情况下，可以增加在篦齿顶部开的出口孔排数，多层气流同时阻碍泄漏，达到更好的密封效果。
19.具体的设计步骤如下：
20.(1)根据锯齿带冠叶片的结构强度以及力学原理，选择篦齿在叶冠上的合适位置，保证锯齿冠的重心与叶身的中心一致，减小由于叶冠重心偏移带来的不利影响；
21.(2)叶冠与叶冠之间相互接触的工作面是保证叶冠发挥阻尼作用的关键部分，在不增加叶冠质量前提下增大工作面的接触面积，可以减小工作面的接触应力，同时有效改善叶盘结构的振动特性，提高叶片安全性能；
22.(3)保证篦齿强度的前提下，通过调整篦齿前缘进口的大小以及结构形状(如图4所示的叶冠容腔内的泄漏流流动结构，在尽量不改变其流动前提下，将通道设计成外大内小且向下凹的结构，即d2＞d3，如图2中5所示，其中为保证篦齿结构强度，d2应小于篦齿前缘长度c2的50％，该结构可以更好的使叶冠容腔的泄漏流进入到通道内，便且随着通道孔径的变小，会对通道中的气流形成一个加速作用，使其以较高的速度从篦齿顶部喷处阻碍泄漏流泄漏)；同时将其匹配好冷气通道，使篦齿通道内的冷气与叶冠容腔内的泄漏流掺混均匀，并找到一个可以有效阻碍泄漏流流经篦齿顶部的出口通道，其中应保持冷气的进口段与掺混后的气流成相同的倾斜角，角度小于90
°
，以减少流动掺混中的损失，同时为保证篦齿结构强度，冷却通道直径d1应小于篦齿顶部宽度c1的50％；最后经篦齿喷出的气流一
部分会流向叶冠前缘，另一部分会流向叶冠后缘，这样掺混后的气流能有效冷却叶冠前后缘，增长叶冠的使用寿命。


技术特征：
1.一种带有混合式冷却-密封结构的锯齿冠涡轮叶片，包括叶片体、叶冠，其特征是：叶冠上设置带有混合结构的单篦齿，单篦齿里设置第一进口通道和第二进口通道，第一进口通道位于单篦齿的前缘面，第二进口通道为由单篦齿底部通向单篦齿顶部，第一进口通道与第二进口通道在单篦齿内部汇合。2.根据权利要求1所述的一种带有混合式冷却-密封结构的锯齿冠涡轮叶片，其特征是：第二进口通道直径d1小于单篦齿齿顶部宽度c1的50％。3.根据权利要求1所述的一种带有混合式冷却-密封结构的锯齿冠涡轮叶片，其特征是：第一进口通道的进口孔孔径为d2，出口孔孔径为d3，且d3＜d2；进口孔与出口孔形成向下凹的形状；d2小于单篦齿前缘斜向长度c2的50％。4.根据权利要求1所述的一种带有混合式冷却-密封结构的锯齿冠涡轮叶片，其特征是：第二进口通道的出口与单篦齿顶部的夹角小于90
°
。

技术总结
本发明的目的在于提供一种带有混合式冷却-密封结构的锯齿冠涡轮叶片，包括叶片体、叶冠，叶冠上设置带有混合结构的单篦齿，单篦齿里设置第一进口通道和第二进口通道，第一进口通道位于单篦齿的前缘面，第二进口通道为由单篦齿底部通向单篦齿顶部，第一进口通道与第二进口通道在单篦齿内部汇合。本发明在篦齿内部设计了特有的气流通道，对带冠叶片进行冷却以及加强篦齿的密封效果，该结构提高了涡轮的气动性能和叶冠的使用寿命；同时单篦齿减轻了传统带冠叶片的整体质量，减小高速转动下的离心应力；单篦齿也增加了工作面的接触面积，从而减小了接触应力，减小接触面的摩檫力，最终减小叶冠工作时的磨损，提高叶片的安全性能。提高叶片的安全性能。提高叶片的安全性能。


技术研发人员：高杰 周成 周志涛 武思宇 王杰 鄢强
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2021.12.27
技术公布日：2022/4/26