一种用于尾缘的带凹槽扰流柱结构

1.本发明涉及燃气轮机高温部件涡轮领域，具体涉及一种用于尾缘的带凹槽扰流柱结构。


背景技术：

2.为了提高燃气涡轮发动机的性能，涡轮前温度不断提高，先进航空涡扇发动机的涡轮进口燃气温度已经达到1800k～2050k，大大超过了现有高温合金的承温能力。为了保证涡轮的安全运行，必须实施有效的冷却来降低高温涡轮叶片的金属壁温。
3.为了保护燃气涡轮发动机长期长时间安全可靠高效的工作，通常采用冲击冷却、气膜冷却、扰流柱、扰流肋等冷却结构来达到降低金属壁温温度的目的，叶片尾缘通常采用扰流柱加劈缝的冷却形式，扰流柱通常采用圆柱形扰流柱或者水滴形扰流柱叉排布置的方式。但是，采用圆柱形扰流柱存在阻力损失过大的问题，涡轮导叶的冷气从尾缘流出后还需加入主流气体参与对转子叶片做功，过大的阻力损失将会减小这一部分做功，而水滴形扰流柱虽然能大大降低阻力损失，却会造成较大的温度梯度，达不到较好的冷却性能。为了进一步提高燃气涡轮发动机的竞争力，迫切需要一种新的结构实现涡轮叶片尾缘高效冷却的同时，降低冷气的阻力损失。
4.因此现有技术中，至少存在以下技术问题：现有的冷却结构中，圆柱形扰流柱阻力损失过大，而水滴形扰流柱温度分布不均匀，从而导致冷却效果降低。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本说明书实施例提供一种用于尾缘的带凹槽扰流柱结构，用于减小冷气流经尾缘时的阻力损失，改善冷却效果。
6.本说明书实施例提供以下技术方案：一种用于尾缘的带凹槽扰流柱结构。包括：冷气腔室，具有位于内侧的冷气腔壁面；尾缘扰流柱，尾缘扰流柱是置于冷气腔室内的实心柱体，尾缘扰流柱的两端面与冷气腔壁面固定连接，尾缘扰流柱的表面开设有多个凹槽。
7.进一步地，多个凹槽沿每个尾缘扰流柱的轴向形成多个扰流排，多个所述扰流排沿尾缘扰流柱的轴向间隔均匀。
8.进一步地，每个所述扰流排均包括至少两个凹槽，且相邻两个所述扰流排之间的各凹槽呈叉排分布。
9.进一步地，所述扰流排的数量大于或者等于3个，每个所述扰流排中凹槽的数量均大于或者等于4个。
10.进一步地，每个凹槽的截面形状均为球形。
11.进一步地，每个凹槽的截面均为光滑曲面。
12.进一步地，每个凹槽的凹坑深度均为0.05mm至0.1mm。
13.进一步地，每个凹槽的凹坑深度均小于尾缘扰流柱端面直径的三分之一。
14.进一步地，相邻两个尾缘扰流柱之间呈叉排分布。
15.进一步地，所述一种用于尾缘的带凹槽扰流柱结构还包括尾缘劈缝，尾缘劈缝为冷气腔壁面与叶片尾部的连接处形成劈缝结构，经尾缘扰流柱扰流后的冷却气流能够从尾缘劈缝流出。
16.与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：通过提供一种用于尾缘的带凹槽扰流柱结构，在涡轮叶片尾缘扰流柱表面，沿周向叉排布置沿轴向间隔均匀的凹槽，形成带凹槽的阵列扰流柱，使得冷却气流流经尾缘扰流柱时，边界层被凹槽破坏，边界层分离延迟，冷却气流沿尾缘劈缝流出，从而达到减小冷气流经尾缘的阻力损失，减小冷气用量、改善冷却效果的技术目的。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
18.图1是本发明实施例的带凹槽尾缘扰流柱的涡轮叶片俯视图；
19.图2是本发明实施例的带凹槽尾缘扰流柱的涡轮叶片主视图；
20.图3是本发明实施例的凹槽结构示意图。
21.图中附图标记：1、冷气腔室；2、冷气腔壁面；3、尾缘扰流柱；4、尾缘劈缝；301、凹槽；301a、凹槽截面；301b、凹槽开口面。
具体实施方式
22.下面结合附图对本技术实施例进行详细描述。
23.以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
24.如图1所示，本发明实施例提供了一种用于尾缘的带凹槽扰流柱结构，包括冷气腔室1，具有位于内侧的冷气腔壁面2；尾缘扰流柱3，尾缘扰流柱3是置于冷气腔室1内的实心柱体，尾缘扰流柱3的两端面与冷气腔壁面2固定连接，尾缘扰流柱3的表面开设有多个凹槽301。
25.进一步地，相邻两个所述尾缘扰流柱3之间呈叉排分布。
26.具体地，本发明设计了一种用于改进燃气轮机的结构，尤其是用于减小尾缘阻力损失的带凹槽扰流柱结构，可以减小冷气的阻力损失，提高冷却效果，减小冷气消耗量，提高发动机效率。如图1所示，该结构包括冷气腔室1，冷气腔壁面2，冷气腔室1由冷气腔壁面2包围而成，所述冷气腔壁面2为金属壁面。此外，在冷气腔室1内设置了多个尾缘扰流柱3，多个尾缘扰流柱3均为实心圆柱体，在冷气腔室1内呈叉排分布。各个尾缘扰流柱3的两端面均与冷气腔壁面2固定连接，并且各个尾缘扰流柱3的表面均开有多个凹槽301。图1中带箭头
的实线代表了燃气涡轮发动机中主流燃气的流动路线，而带箭头的虚线为冷却气流的流动路线。由图1可知，高温燃气在涡轮叶片的外壁面与冷气腔壁面2发生对流换热，使得冷气腔壁面2的温度上升，因此常常需要通过冷却的方式来降低壁面金属温度。当冷气从冷气腔室1流向尾缘扰流柱3时，尾缘扰流柱3可以增强对冷气腔室1中冷却气流的扰动，增大强迫对流换热系数，从而达到降低冷气腔壁面2温度的目的。而带凹槽301的尾缘扰流柱3可以使得在增强扰动的同时降低冷气流的阻力损失，在保证相同冷效的同时节约冷气用量，有效地利用了冷却气流。综上所述的一种新型的带凹槽的尾缘扰流柱结构，减小了冷气流的阻力损失，大大提高了涡轮叶片尾缘附近的冷却效果，降低了冷却气体的用量，对提高发动机的性能和效率有积极的帮助作用。
27.进一步地，多个凹槽301沿每个尾缘扰流柱3的轴向形成多个扰流排，多个所述扰流排沿尾缘扰流柱3的轴向间隔均匀。
28.进一步地，每个所述扰流排均包括至少两个凹槽301，且相邻两个所述扰流排之间的各凹槽301呈叉排分布。
29.具体地，图2是应用带凹槽尾缘扰流柱的涡轮叶片主视图，示出了带凹槽尾缘扰流柱3的结构和布置位置。如图1和图2所示，尾缘扰流柱3的表面开有多个凹槽301。如图2中的坐标方向示意，其中，沿y轴方向为尾缘扰流柱3的轴向方向；沿绕y轴旋转的方向为尾缘扰流柱3的周向方向。沿尾缘扰流柱3的轴向，凹槽301通过轴向分布形成多个扰流排，每个扰流排包括多个凹槽301，且多个扰流排沿y轴方向间隔均匀。其中，每个扰流排中至少包括两个凹槽301，并且相邻两个扰流排之间的各凹槽301呈叉排分布，即沿着尾缘扰流柱3的周向方向，凹槽301呈间错、叉排式分布。
30.优选地，所述扰流排的数量大于或者等于3个，每个所述扰流排中凹槽301的数量均大于或者等于4个。
31.具体地，沿尾缘扰流柱3的轴向，凹槽301所组成的扰流排的数量优选为大于等于3个，其中，沿尾缘扰流柱3的周向，每个扰流排中凹槽301的数量优选为大于等于4个。
32.优选地，每个凹槽301的截面形状均为球形。
33.优选地，每个凹槽301的截面均为光滑曲面。
34.具体地，如图3所示，本发明实施例中，凹槽301优选为圆形凹槽，即凹槽301的截面301a为球形。在另外的实施方式中，凹槽301的截面301a的形状可以为矩形。凹槽301的开口301b面的直径大小根据尾缘扰流柱量端面的直径确定。此外，每个凹槽301的截面301a为光滑曲面，以保证冷气主要经过尾缘劈缝出流。本技术实施例中，多个凹槽301均通过电加工成形的方式加工而成，相比水滴形扰流柱，带圆形凹槽的扰流柱结构更易于加工。
35.优选地，每个凹槽301的凹坑深度均为0.05mm至0.1mm。
36.进一步地，每个凹槽301的凹坑深度均小于尾缘扰流柱3端面直径的三分之一。
37.具体地，每个凹槽301均为浅型槽，且凹槽深度不应超过圆柱形尾缘扰流柱3的端面直径的1/3。本技术实施例中，凹坑深度优选为0.05mm至0.1mm。对于凹槽深度的限定，保证了扰流柱的强度不会受到影响且冷气不会在凹槽内滞留，从而进一步保证了良好冷却效果的实现。
38.进一步地，一种用于尾缘的带凹槽扰流柱结构还包括尾缘劈缝4，尾缘劈缝4为冷气腔壁面2与叶片尾部的连接处形成劈缝结构，经尾缘扰流柱3扰流后的冷却气流能够从尾
缘劈缝4流出。
39.具体地，如图1和图2所示，冷气腔壁面2与叶片尾缘的连接处形成多个劈缝，多个劈缝构成尾缘劈缝4，在冷却气流流经尾缘扰流柱3时，边界层被凹槽301破坏，导致边界层分离延迟，使得冷却气流最终沿尾缘劈缝流出。通过带凹槽的尾缘扰流柱3的结构与尾缘劈缝4相互配合，减小了冷气流经尾缘的阻力损失。
40.综上所述，本技术实施例中所提供的一种用于尾缘的带凹槽扰流柱结构，与现有技术相比所能够实现的技术效果至少包括：
41.1.冷却气流经带凹槽的尾缘扰流柱从尾缘劈缝流出，边界层被扰流柱上的凹槽所破坏，阻力损失降低；
42.2.相比水滴形扰流柱，带圆形凹槽的扰流柱结构更易于加工；
43.3.由于带圆形凹槽的扰流柱结构可降低阻力损失，在保证同样冷却效果的条件下，比光滑扰流柱更加节约冷气用量。
44.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。