一种带有截断肋的尾缘半劈缝的涡轮叶片结构
技术领域
本实用新型属于燃气轮机涡轮叶片冷却技术领域，具体涉及一种带有截断肋的尾缘半劈缝的涡轮叶片结构。
背景技术
涡轮作为燃气涡轮发动机的重要部件，其推力特性以及循环效率可以通过提高燃气涡轮前温度进行有效地改善。研究报告表明，在保持发动机尺寸不变的情况下，涡轮进口温度每提高56℃，发动机推力能够增加8～13％，发动机循环效率能够提高2～4％，因此不断地提高涡轮前温度是燃气轮机的发展方向之一，为了保证涡轮叶片在超限高温服役环境下有足够的安全可靠性和服役寿命，必须对其采取高效的冷却措施。
由于压力面与吸力面的燃气速度在涡轮叶片尾缘部位都达到了相当高的值，而且都处于湍流状态，从而使得尾缘部位的燃气对流换热强度非常大。但是随着航空发动机燃气温度的不断提高，传统半劈缝结构的冷却能力逐渐地趋于极限，高压涡轮叶片尾缘烧蚀现象时常出现。因此发展和创新涡轮叶片尾缘高效冷却结构，在不增加冷气用量的基础上进一步提升冷却效果，对于先进高性能航空发动机的研制是非常有必要和有意义的。
在文献“扰流柱对叶片尾缘对流换热特性的影响”(航空动力学报，2007年，第10期，18-22页)中，作者使用红外测温技术测量了布有四种不同扰流柱(圆柱形，椭圆形，水滴型I，水滴型II)的内冷通道对涡轮叶片尾缘换热系数的影响，研究结果表明在大吹风下，圆柱型扰流柱的叶片尾缘气膜冷却对流换热系数最大。尽管在内部冷却通道布置圆柱形扰流柱可以加强涡轮叶片尾缘的换热系数，但日渐提高的涡轮前温度要求叶片尾缘需要更高效的冷却结构，因此在不增加冷气用量的基础上，发展更为高效的尾缘冷却结构是非常有必要的。
发明内容
为了进一步提升叶片尾缘的冷却效果，本实用新型提供了一种带有截断肋的尾缘半劈缝的涡轮叶片结构。
本实用新型的技术方案为：
所述一种带有截断肋的尾缘半劈缝的涡轮叶片结构，包括叶片前缘，叶片吸力面，叶片压力面，冷流进口，叶片内部冷却腔，尾缘半劈缝表面，分隔肋和唇板；
在叶片尾缘区域切除部分压力侧壁面，保留叶片尾缘区域吸力侧壁面，并与分隔肋形成多个尾缘半劈缝结构；
用于冷却尾缘半劈缝表面的低温气体由叶片内部冷却腔通过冷流进口供给，低温气体能够从分隔肋之间形成的矩形出口喷出，喷出的气体覆盖在布置有分隔肋的半劈缝表面，能够将从叶片压力面上方流经半劈缝表面的高温燃气与半劈缝表面隔离开来，同时通过热传导对叶片吸力侧壁面进行冷却；
半劈缝结构中的唇板高度与分隔肋之间形成的矩形出口的高度比为0.2～1.5，半劈缝结构中压力侧的主流方向与冷气流动方向夹角为5～15°；
其特征在于：在尾缘半劈缝壁面上设置有若干截断肋，截断肋的长度方向垂直于低温气体来流方向；沿截断肋长度方向，由若干截断肋构成一排截断肋；单个截断肋的长度为冷气矩形出口宽度的1/4～1/3，截断肋的高度为冷气矩形出口高度的1/5～1/2；沿低温气体来流方向，相邻两排截断肋之间的间距与截断肋度比值为4～10。
进一步的，沿低温气体来流方向，截断肋在半劈缝表面布置的总排数为四排，排布方式为顺排或者交错排。
有益效果
本实用新型的优点：通过在半劈缝表面布置截断肋结构可以使得尾缘半劈缝表面，在不增加冷气用量的前提下，通过扰流结构增大换热面积，同时增大对流体的扰动作用，来提高半劈缝表面的对流换热效果，同时也保证了半劈缝表面的气膜冷却效率下降量较小，从而有效的降低了叶片压力侧与吸力侧在尾缘处的表面温度，最终实现了提高尾缘半劈缝冷却结构的综合冷却效果的目的。同时，本实用新型提出的截断肋扰流结构的新型涡轮叶片尾缘冷却结构，在半劈缝表面上仅仅布置简单的截断肋，这使得其具有良好的加工实施性，可方便其应用于各种涡轮叶片的尾缘冷却设计中。
本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本实用新型一种带有截断肋的尾缘半劈缝的涡轮叶片结构轴测图。
图2为本实用新型一种带有截断肋的尾缘半劈缝的涡轮叶片结构的尾缘区域局部放大图。
图3为布有截断肋扰流结构的扰流半劈缝表面与光滑半劈缝表面的努塞尔数比值分布云图。
图4为布有截断肋扰流结构的扰流半劈缝表面速度分布云图及流线图。
图中：1叶片前缘，2叶片吸力面，3叶片压力面，4叶片内部冷却腔，5尾缘区域，6冷气进口，7截断肋，8半劈缝表面。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
实施例1：
本实施例是一种带有截断肋的尾缘半劈缝的涡轮叶片结构。参阅图1～图4，本实施例中带有截断肋的尾缘半劈缝的涡轮叶片结构应用于涡轮叶片的尾缘区域中，包括叶片前缘，叶片吸力面，叶片压力面，叶片内部冷却腔，尾缘区域，冷气进口，截断肋，半劈缝表面，分隔肋，唇板。
为了减少尾缘厚度，在叶片尾缘区域切除部分压力侧壁面，保留叶片尾缘区域吸力侧壁面，并与分隔肋形成多个尾缘半劈缝结构；用于冷却尾缘半劈缝表面的低温气体由叶片内部冷却腔供给，低温气体能够从分隔肋之间形成的矩形出口喷出，喷出的气体覆盖在布置有分隔肋的半劈缝表面，能够将从叶片压力面上方流经半劈缝表面的高温燃气与半劈缝表面隔离开来，防止高温燃气烧蚀尾缘，同时叶片吸力侧壁面受高温燃气的影响，该壁面温度会高于半劈缝表面温度，所以通过热传导对叶片吸力侧壁面进行冷却。
半劈缝结构中的唇板高度与分隔肋之间形成的矩形出口的高度比为0.5，半劈缝结构中压力侧的主流方向与冷气流动方向夹角为15°。
在单个矩形出口对应的尾缘半劈缝壁面上设置有4排截断肋，截断肋的长度方向垂直于低温气体来流方向；排布方式为交错排布，每排截断肋由1到2个截断肋组成；单个截断肋的长度为冷气矩形出口宽度的1/4，截断肋的高度为冷气矩形出口高度的1/5；沿低温气体来流方向，相邻两排截断肋之间的间距与截断肋度比值为5。
在本实施例中，来自叶片内部冷却腔的低温气体经冷气进口进入，从由分隔肋形成的矩形出口喷出，在布有截断肋的半劈缝表面与经过叶片压力面的高温燃气发生掺混现象。通过在尾缘半劈缝表面上布置截断肋，使得半劈缝表面上的冷却流体发生流动分离，及流体的再次附着，截断肋的存在使得半劈缝表面的近壁面流动结构发生变化，同时也增大了半劈缝表面的换热面积，从而增强了半劈缝表面与冷却流体的对流换热系数，提高了尾缘的综合冷却效果。
图3和图4展示了布有截断肋扰流结构的扰流半劈缝表面与光滑半劈缝表面的努塞尔数比值分布云图和表面速度分布云图及流线图，由图可知，射流流经肋间断段，近壁面气流由于流通面积的减小，大部分气流收缩汇聚从肋间断段或截断段的缺口流出，从而射流速度加快，加速后的射流下游绕后移段截断肋，并在肋后产生了较大的展向回流涡，随着后移段截断肋长度的减小，导致其对肋间断带缺口流出射流的扰流作用较弱，从而换热效果减弱。对于截断肋肋端壁面由于壁面气流的直接冲击和扰流的作用，换热强度较高，肋端后部的区域为高换热区。半劈缝表面的中心线附件的换热系数相对较低，随着后移段截断肋的长度的增大，肋端后部的高换热区的换热系数逐渐增强，且范围扩大。从努塞尔数比值分布云图可以看，布置有截断肋的半劈缝表面的的换热系数的确高于光滑半劈缝结构的换热系数，由此可见带有截断肋扰流结构的新型涡轮叶片尾缘冷却结构的确可以提升尾缘的综合冷却效果。
实施例2：
本实施例是一种带有截断肋的尾缘半劈缝的涡轮叶片结构。本实施例中带有截断肋的尾缘半劈缝的涡轮叶片结构应用于涡轮叶片的尾缘区域中，包括叶片前缘，叶片吸力面，叶片压力面，叶片内部冷却腔，尾缘区域，冷气进口，截断肋，半劈缝表面，分隔肋，唇板。
为了减少尾缘厚度，在叶片尾缘区域切除部分压力侧壁面，保留叶片尾缘区域吸力侧壁面，并与分隔肋形成多个尾缘半劈缝结构；用于冷却尾缘半劈缝表面的低温气体由叶片内部冷却腔供给，低温气体能够从分隔肋之间形成的矩形出口喷出，喷出的气体覆盖在布置有分隔肋的半劈缝表面，能够将从叶片压力面上方流经半劈缝表面的高温燃气与半劈缝表面隔离开来，防止高温燃气烧蚀尾缘，同时叶片吸力侧壁面受高温燃气的影响，该壁面温度会高于半劈缝表面温度，所以通过热传导对叶片吸力侧壁面进行冷却。
半劈缝结构中的唇板高度与分隔肋之间形成的矩形出口的高度比为0.2，半劈缝结构中压力侧的主流方向与冷气流动方向夹角为10°。
在单个矩形出口对应的尾缘半劈缝壁面上设置有4排截断肋，截断肋的长度方向垂直于低温气体来流方向；排布方式为顺排，每排截断肋由2个截断肋组成；单个截断肋的长度为冷气矩形出口宽度的1/3，截断肋的高度为冷气矩形出口高度的1/2；沿低温气体来流方向，相邻两排截断肋之间的间距与截断肋度比值为4。
实施例3：
本实施例是一种带有截断肋的尾缘半劈缝的涡轮叶片结构。本实施例中带有截断肋的尾缘半劈缝的涡轮叶片结构应用于涡轮叶片的尾缘区域中，包括叶片前缘，叶片吸力面，叶片压力面，叶片内部冷却腔，尾缘区域，冷气进口，截断肋，半劈缝表面，分隔肋，唇板。
为了减少尾缘厚度，在叶片尾缘区域切除部分压力侧壁面，保留叶片尾缘区域吸力侧壁面，并与分隔肋形成多个尾缘半劈缝结构；用于冷却尾缘半劈缝表面的低温气体由叶片内部冷却腔供给，低温气体能够从分隔肋之间形成的矩形出口喷出，喷出的气体覆盖在布置有分隔肋的半劈缝表面，能够将从叶片压力面上方流经半劈缝表面的高温燃气与半劈缝表面隔离开来，防止高温燃气烧蚀尾缘，同时叶片吸力侧壁面受高温燃气的影响，该壁面温度会高于半劈缝表面温度，所以通过热传导对叶片吸力侧壁面进行冷却。
半劈缝结构中的唇板高度与分隔肋之间形成的矩形出口的高度比为1.5，半劈缝结构中压力侧的主流方向与冷气流动方向夹角为5°。
在单个矩形出口对应的尾缘半劈缝壁面上设置有4排截断肋，截断肋的长度方向垂直于低温气体来流方向；排布方式为交错排列，每排截断肋由1到2个截断肋组成；单个截断肋的长度为冷气矩形出口宽度的1/3，截断肋的高度为冷气矩形出口高度的1/3；沿低温气体来流方向，相邻两排截断肋之间的间距与截断肋度比值为10。
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
