一種帶有葉片波浪狀凹陷尾緣半劈縫冷卻結構的渦輪的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種渦輪,尤其涉及一種帶有葉片波浪狀凹陷尾緣半劈縫冷卻結構的渦輪。
【背景技術】
[0002]隨著人們對燃氣輪機可靠性和高效性的追求,提高渦輪前燃氣溫度已成為提高燃氣輪機性能的重要技術途徑。然而,渦輪前溫度提高給燃氣輪機工作帶來一系列嚴重的問題,對燃氣輪機熱端部件的高溫機械強度、熱穩定性技術指標和使用壽命提出了挑戰。葉片尾緣截面積較小,熱沉滯強,平均溫度最高,最容易出現葉片斷裂事故。因此,尋找高效可靠的方法對葉片尾緣進行有效的冷卻對燃氣輪機安全穩定的工作有著重要的意義。
[0003]渦輪葉片尾緣承受的熱負荷高,且內冷通道空間受限,因此成為葉片冷卻結構設計的難題。目前廣泛應用于葉片尾緣的冷卻結構有擾流柱、肋壁強化、半劈縫氣膜冷卻等。不過,這些結構對葉片尾緣的冷卻效果還非常有限,對渦輪葉片的氣動性能、與下游葉片的熱匹配性也有明顯影響。截至目前,還未見有關葉片尾緣的高效、高冷卻效率設計的報道。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供既能降低葉片尾緣溫度,又能均化下游葉片進口氣流溫度分布,還可改善渦輪葉片氣動性能的一種帶有葉片波浪狀凹陷尾緣半劈縫冷卻結構的渦輪。
[0005]本發明的目的是這樣實現的:包括機匣、輪轂,在機匣和輪轂之間且沿圓周方向均勻安裝有葉片,所述葉片尾緣設置有半劈縫冷卻結構,所述半劈縫冷卻結構包括尾緣壓力邊和尾緣吸力邊,在尾緣壓力邊和尾緣吸力邊的連接處并沿葉片高度方向設置有交錯式噴氣縫單元,尾緣吸力邊還設置沿葉片高度方向間隔排列的呈波浪狀的凹陷結構。
[0006]本發明還包括這樣一些結構特征:
[0007]1.所述葉片尾緣吸力邊端部形狀為橢圓形。
[0008]2.所述尾緣交錯式噴氣縫單元的寬度小于當地葉片的厚度,其高度與寬度之比為3.5?4.5,且交錯式噴氣縫單元沿葉片高度方向設置有10?15個。
[0009]3.所述波浪狀凹陷結構的波長為葉片尾緣吸力邊厚度的6?10倍,且波浪狀凹陷結構的波幅為葉片尾緣吸力邊厚度的0.6?1.4倍。
[0010]4.所述波浪狀凹陷結構與葉片表面的交界處設置圓角。
[0011]與現有技術相比,本發明的有益效果是:本發明通過在半劈縫冷卻結構中采用若干交錯式噴氣縫單元,增大了葉片尾緣部分與冷氣的換熱面積,從而進一步降低了葉片尾緣的溫度,并且通過在葉片尾緣吸力邊端部開設波浪狀凹陷結構,重新組織了冷氣出流與主流的摻混,提高了下游葉片進口氣流流動以及溫度分布的均勻性,且由于恰當的冷氣出流與主流的摻混組織了葉片喉部下游區域的激波波系,降低了激波損失,從而改善了渦輪葉片氣動性能。此外,本發明結構也比較簡單,易于工程實現。
【附圖說明】
[0012]圖1是帶有葉片波浪狀凹陷尾緣半劈縫冷卻結構的渦輪的子午視圖;
[0013]圖2是圖1所示渦輪葉片的剖視圖;
[0014]圖3是尾緣半劈縫冷卻結構的局部視圖;
[0015]圖4是波浪狀凹陷尾緣結構的局部視圖。
[0016]圖中:L為波浪狀凹陷結構的波長,W為波浪狀凹陷結構的波幅。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖與【具體實施方式】對本發明作進一步詳細描述。
[0018]結合圖1?圖4,本發明由輪轂、葉片和機匣組成,在輪轂和機匣之間沿圓周方向均勻安裝有葉片,在葉片的尾緣設有半劈縫冷卻結構,其包括尾緣壓力邊I和尾緣吸力邊2,在尾緣壓力邊I和尾緣吸力邊2的連接處沿葉片高度方向設有交錯式噴氣縫單元3,交錯式噴氣縫的橫剖圖見圖3所示,在尾緣吸力邊2設置沿葉片高度方向間隔排列的呈波浪狀的凹陷結構4。
[0019]制造本發明的帶有葉片波浪狀凹陷尾緣半劈縫冷卻結構的渦輪,首先采用傳統設計方法設計好帶有尾緣半劈縫結構的渦輪葉片。考慮到葉片尾緣厚度對摻混損失影響較大,因而為了減少葉片尾緣區域的摻混損失,所述葉片尾緣吸力邊端部形狀可為橢圓形。然后,對于給定的葉片尾緣區域冷卻和強度等要求,設計葉片波浪狀凹陷尾緣半劈縫冷卻結構。
[0020]具體的設計步驟如下:
[0021](I)根據葉片尾緣壓力邊的厚度,并根據葉片工作條件對其強度的要求,確定好交錯式噴氣縫單元的寬度,并根據交錯式噴氣縫單元的高度與寬度之比為3.5?4.5確定其高度,隨后根據葉片的高度確定交錯式噴氣縫單元的個數。
[0022](2)根據渦輪葉片尾緣的流動傳熱情況,確定葉片尾緣波浪狀凹陷結構的波長和波幅等參數。
[0023]需注意的是,所述葉片尾緣波浪狀凹陷結構的波長如果較大則對尾緣區域冷氣出流與主流的摻混的控制效果較弱,如果波長較小,凹陷結構增多,也不利于改善冷氣出流與主流的摻混。對于波浪狀凹陷結構的波幅,如果太大,對葉片尾緣自身的性能損傷較大,反之,如果太小的話,對尾緣區域冷氣出流與主流的摻混的控制效果也較弱。因此,所述波浪狀凹陷結構的波長為葉片尾緣吸力邊厚度的6?10倍,且波浪狀凹陷結構的波幅為葉片尾緣吸力邊厚度的0.6?1.4倍。
[0024]考慮到加工以及葉片尾緣區域流動對光滑壁面的要求,所述波浪狀凹陷結構與葉片尾緣表面的交界處采用圓角過渡。
[0025]值得注意的是,以上所有參數的最佳取值可借助于現有的計算流體動力學軟件數值模擬或者相關試驗獲得。
[0026]—種帶有葉片波浪狀凹陷尾緣半劈縫冷卻結構的渦輪,包括機匣、輪轂,在機匣和輪轂之間沿圓周方向均勻安裝有葉片,其特征是:在葉片尾緣設有半劈縫冷卻結構,其包括尾緣壓力邊和尾緣吸力邊,在尾緣壓力邊和尾緣吸力邊的連接處沿葉片高度方向設有交錯式噴氣縫單元,在尾緣吸力邊設置沿葉片高度方向間隔排列的呈波浪狀的凹陷結構。
[0027]本發明還可以包括:
[0028]1、所述葉片尾緣吸力邊端部形狀為橢圓形。
[0029]2、所述尾緣交錯式噴氣縫單元的寬度小于當地葉片的厚度,其高度與寬度之比為3.5?4.5,且交錯式噴氣縫單元沿葉片高度方向設置有10?15個。
[0030]3、所述波浪狀凹陷結構的波長為葉片尾緣吸力邊厚度的6?10倍,且波浪狀凹陷結構的波幅為葉片尾緣吸力邊厚度的0.6?1.4倍。
[0031]4、所述波浪狀凹陷結構與葉片表面的交界處采用圓角過渡。
[0032]本發明的目的在于提供一種帶有葉片波浪狀凹陷尾緣半劈縫冷卻結構的渦輪,包括機匣、輪轂,在機匣和輪轂之間沿圓周方向均勻安裝有葉片,在葉片尾緣設有半劈縫冷卻結構,其包括尾緣壓力邊和尾緣吸力邊,在尾緣壓力邊和尾緣吸力邊的連接處沿葉片高度方向設有交錯式噴氣縫單元,在尾緣吸力邊設置沿葉片高度方向間隔排列的呈波浪狀的凹陷結構。本發明設計的帶有葉片波浪狀凹陷尾緣半劈縫冷卻結構的渦輪不僅增大了葉片尾緣部分與冷氣的換熱面積,從而進一步降低了葉片尾緣的溫度,并且均化了下游葉片進口氣流溫度分布,還改善了渦輪葉片氣動性能。
[0033]以上所述的具體描述,對發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明,所應理解的是,以上所述僅為本發明的具體實施案例,用于解釋本發明,并不用于限定本發明的保護范圍,凡在本發明的精神和原則之內,所做的任何修改、等同替換、改進等,均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種帶有葉片波浪狀凹陷尾緣半劈縫冷卻結構的渦輪,包括機匣、輪轂,在機匣和輪轂之間且沿圓周方向均勻安裝有葉片,其特征是:所述葉片尾緣設置有半劈縫冷卻結構,所述半劈縫冷卻結構包括尾緣壓力邊和尾緣吸力邊,在尾緣壓力邊和尾緣吸力邊的連接處并沿葉片高度方向設置有交錯式噴氣縫單元,尾緣吸力邊還設置沿葉片高度方向間隔排列的呈波浪狀的凹陷結構。2.根據權利要求1所述的一種帶有葉片波浪狀凹陷尾緣半劈縫冷卻結構的渦輪,其特征是:所述葉片尾緣吸力邊端部形狀為橢圓形。3.根據權利要求1或2所述的一種帶有葉片波浪狀凹陷尾緣半劈縫冷卻結構的渦輪,其特征是:所述尾緣交錯式噴氣縫單元的寬度小于當地葉片的厚度,其高度與寬度之比為3.5?4.5,且交錯式噴氣縫單元沿葉片高度方向設置有10?15個。4.根據權利要求1或2所述的一種帶有葉片波浪狀凹陷尾緣半劈縫冷卻結構的渦輪,其特征是:所述波浪狀凹陷結構的波長為葉片尾緣吸力邊厚度的6?10倍,且波浪狀凹陷結構的波幅為葉片尾緣吸力邊厚度的0.6?1.4倍。5.根據權利要求3所述的一種帶有葉片波浪狀凹陷尾緣半劈縫冷卻結構的渦輪,其特征是:所述波浪狀凹陷結構的波長為葉片尾緣吸力邊厚度的6?10倍,且波浪狀凹陷結構的波幅為葉片尾緣吸力邊厚度的0.6?1.4倍。6.根據權利要求1或2所述的一種帶有葉片波浪狀凹陷尾緣半劈縫冷卻結構的渦輪,其特征是:所述波浪狀凹陷結構與葉片表面的交界處設置圓角。7.根據權利要求3所述的一種帶有葉片波浪狀凹陷尾緣半劈縫冷卻結構的渦輪,其特征是:所述波浪狀凹陷結構與葉片表面的交界處設置圓角。8.根據權利要求4所述的一種帶有葉片波浪狀凹陷尾緣半劈縫冷卻結構的渦輪,其特征是:所述波浪狀凹陷結構與葉片表面的交界處設置圓角。9.根據權利要求5所述的一種帶有葉片波浪狀凹陷尾緣半劈縫冷卻結構的渦輪,其特征是:所述波浪狀凹陷結構與葉片表面的交界處設置圓角。
【專利摘要】本發明提供一種帶有葉片波浪狀凹陷尾緣半劈縫冷卻結構的渦輪,包括機匣、輪轂,在機匣和輪轂之間沿圓周方向均勻安裝有葉片,在葉片尾緣設有半劈縫冷卻結構,其包括尾緣壓力邊和尾緣吸力邊,在尾緣壓力邊和尾緣吸力邊的連接處沿葉片高度方向設有交錯式噴氣縫單元,在尾緣吸力邊設置沿葉片高度方向間隔排列的呈波浪狀的凹陷結構。本發明設計的帶有葉片波浪狀凹陷尾緣半劈縫冷卻結構的渦輪不僅增大了葉片尾緣部分與冷氣的換熱面積,從而進一步降低了葉片尾緣的溫度,并且均化了下游葉片進口氣流溫度分布,還改善了渦輪葉片氣動性能。
【IPC分類】F01D5/18, F01D5/14
【公開號】CN105569740
【申請號】CN201610121266
【發明人】高杰, 鄭群, 付維亮, 王付凱, 岳國強, 董平
【申請人】哈爾濱工程大學
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2016年3月3日