CN115013075A

CN115013075A - 一种防滑花纹状扰流肋及涡轮叶片

Info

Publication number: CN115013075A
Application number: CN202210953293.XA
Authority: CN
Inventors: 黄维娜; 张灵俊; 陈阿龙; 陈磊
Original assignee: AECC Sichuan Gas Turbine Research Institute
Current assignee: AECC Sichuan Gas Turbine Research Institute
Priority date: 2022-08-10
Filing date: 2022-08-10
Publication date: 2022-09-06
Anticipated expiration: 2042-08-10
Also published as: CN115013075B

Abstract

本发明公开了一种防滑花纹状扰流肋及涡轮叶片，所述扰流肋包括结构外形相同的四个叶型肋以及圆形凹槽肋，所述四个叶型肋对称分布在所述圆形凹槽肋上、下两侧，四个叶型肋和圆形凹槽肋形成防滑花纹状结构。该防滑花纹状扰流肋由多个分流肋相配合组成，其中的分流叶型肋之间在利用斜切面产生的二次纵向涡来加强扰动壁面附近的流体的同时在流动的横向方向上对流动产生导向促进流体横向的扩散和掺混，形成类似卡门涡的扰动，向下游传播达到强化传热的目的，在获得较高的传热强度的同时又很好的兼顾了流动损失，在Re数为11000‑29000范围内本发明的综合传热性能比普通二维直肋结构高出21.2%。

Description

一种防滑花纹状扰流肋及涡轮叶片

技术领域

本发明属于航空发动机涡轮叶片技术领域，具体涉及一种防滑花纹状扰流肋及涡轮叶片。

背景技术

提高涡轮进口温度是提高航空发动机推力和效率的有效途径，但涡轮进口温度的提高会使得涡轮叶片承受更大的热负荷，过高的温度和热应力可能导致涡轮叶片无法正常工作。现代高性能航空发动机的涡轮进口燃气温度已远远超过了所用材料的耐温极限，必须采用复杂的冷却技术来保证涡轮在高温条件下的正常运转。目前，高效的内部冷却技术的研发已经取得诸多成果，其中设置扰流肋是涡轮叶片内部冷却的有效措施之一。

涡轮叶片中应用最广泛的是普通二维直肋结构，其横截面为矩形，如直肋、斜肋、V型肋等。普通二维直肋结构是叶片内部冷却中常用的强化传热结构之一，它可以增加冷却气流的湍流度，增大冷却通道的换热面积，从而有效加强通道的换热能力。普通二维直肋结构通常以多个组合排列的形式布置于涡轮叶片中弦区内部通道。当冷却气体流经普通二维直肋结构时，冷却气体会产生边界层分离，从而增强气体与固体壁面间的换热效果，达到冷却涡轮叶片的目的。综上所述，普通二维直肋结构强化冷却是通过重复布置扰流肋产生流动分离，而后又将新的边界层重新附着到传热表面，从而增强内部换热强度；此外，分离的边界层增强了壁面流体与主流的掺混，来自壁面的热量可以更有效地传递到主流，从而进一步增强换热效果。

因此，从流动与换热的角度来看，现有的普通二维直肋结构主要存在以下不足之处:由于冷却气体在普通二维直肋表面会产生边界层分离现象，普通二维直肋结构后方尾迹区有明显的流动分离及涡脱落现象，使得气体产生的流动阻力较大。换言之，普通二维直肋结构强化传热的收益是以增大流动损失为代价而获得的，因此普通二维直肋结构的综合换热性能较差。

由于在进行涡轮叶片冷却结构设计时，通常需要在流动损失和强化传热之间进行平衡。因此发展和创新综合换热性能更为高效的扰流肋结构是保证涡轮叶片稳定工作的重要措施。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种防滑花纹状扰流肋及涡轮叶片，以解决现有技术中的二维直肋结构流动损失较大的问题，在获得较高传热强度的同时很好的兼顾了流动损失。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案，提供一种防滑花纹状扰流肋，所述扰流肋包括结构外形相同的四个叶型肋以及圆形凹槽肋5，所述四个叶型肋包括第一分流扰流肋1、第二分流叶型肋2、第一汇流叶型肋3和第二汇流叶型肋4，所述第一分流扰流肋1和第二分流叶型肋2水平对称分布在所述圆形凹槽肋5正上方的两侧，所述第一汇流叶型肋3和第二汇流叶型肋4水平对称分布在所述圆形凹槽肋5正下方的两侧，第一分流扰流肋1、第二分流叶型肋2、第一汇流叶型肋3、第二汇流叶型肋4和圆形凹槽肋5形成防滑花纹状结构。

本发明所提供的防滑花纹状扰流肋，还具有这样的特征，所述圆形凹槽肋5顶部设置有圆形凹槽，且所述圆形凹槽肋5的直径D为1.0-2.0mm，圆形凹槽肋5的高度H为1.2-2.5mm，圆形凹槽的深度为0.15*H-0.35*H，圆形凹槽的直径为0.6*D-0.9*D。

本发明所提供的防滑花纹状扰流肋，还具有这样的特征，所述叶型肋的底面截面为流线型叶型，底面截面分为顺次平滑连接的三个区域，三个区域包括设置在前段的半椭圆形区域8、设置在中段区域的中段圆弧形区域9以及设置在后段区域的后段圆弧形区域10，半椭圆形的长轴a是短轴b的2.65-3.85倍，中段圆弧形区域9的圆弧段半径R为1.82*a-2.65*a，中段圆弧形区域9的圆心角θ为28°-39°。

本发明所提供的防滑花纹状扰流肋，还具有这样的特征，所述叶型肋是一个斜切式结构，所述叶型肋的最大高度H_max为0.9*H-1.2*H，所述叶型肋的最小高度H_min为0.4*H-0.55H。

本发明所提供的防滑花纹状扰流肋，还具有这样的特征，第一分流扰流肋中心点O1和第二分流叶型肋中心点O2的水平距离S1为2.5*D-3.5*D,所述第一分流扰流肋1和第二分流叶型肋2的中心线夹角β1为82°-96°。

本发明所提供的防滑花纹状扰流肋，还具有这样的特征，第一分流扰流肋中心点O1与所述圆形凹槽肋中心点O的竖直距离H1为1.35*D-1.65*D。

本发明所提供的防滑花纹状扰流肋，还具有这样的特征，第一汇流叶型肋中心点O3和第二汇流叶型肋中心点O4的水平距离S2为2.5*D-3.5*D,所述第一分流扰流肋1和第二分流叶型肋2的中心线夹角β2为88°-105°。

本发明所提供的防滑花纹状扰流肋，还具有这样的特征，第一汇流叶型肋中心点O3与圆形凹槽肋中心点O的竖直距离H2为1.05* H1-1.25* H1。

本发明的另一目的在于，提供了一种涡轮叶片，所述涡轮叶片设有如前述任一项所述的防滑花纹状扰流肋。

本发明所提供的涡轮叶片，还具有这样的特征，多个防滑花纹状扰流肋阵列排布在涡轮叶片中弦区，且沿气流流动方向相邻两防滑花纹状扰流肋之间的距离S3为4-10mm，垂直于气流流动方向相邻两个防滑花纹扰流肋之间的弦向距离S4为3.5-12mm。

有益效果

本发明提供的防滑花纹状扰流肋由多个分流肋相配合组成，其中的分流叶型肋之间在利用斜切面产生的二次纵向涡来加强扰动壁面附近的流体的同时在流动的横向方向上对流动产生导向促进流体横向的扩散和掺混，形成类似卡门涡的扰动，向下游传播达到强化传热的目的，在获得较高的传热强度的同时又很好的兼顾了流动损失，在Re数为11000-29000范围内本发明防滑花纹状扰流肋的综合传热性能比普通二维直肋结构高出21.2%。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，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公开的一些实施例，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。

图1是本发明实施例中防滑花纹状扰流肋排布方式二维示意图；

图2是本发明实施例中叶型肋底截面二维示意图；

图3是本发明实施例中单个叶型肋三维结构示意图；

图4是本发明带防滑花纹状扰流肋的涡轮导向叶片结构示意图；

图5是本发明实施例中带防滑花纹状扰流肋的涡轮叶片内部气体流动的速度矢量图；

其中，1：第一分流扰流肋；2:第二分流叶型肋；3：第一汇流叶型肋；4：第二汇流叶型肋；5：圆形凹槽肋；6：涡轮叶片；7：防滑花纹状扰流肋；8：半椭圆形区域；9：中段圆弧形区域；10：后段圆弧形区域；11：斜切式结构；O：圆形凹槽肋中心点；O1：第一分流扰流肋中心点；O2：第二分流叶型肋中心点；O3：第一汇流叶型肋中心点；O4：第二汇流叶型肋中心点。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

如图1-图4所示，提供一种防滑花纹状扰流肋7，所述扰流肋包括结构外形相同的四个叶型肋以及圆形凹槽肋5，所述四个叶型肋包括第一分流扰流肋1、第二分流叶型肋2、第一汇流叶型肋3和第二汇流叶型肋4，所述第一分流扰流肋1和第二分流叶型肋2水平对称分布在所述圆形凹槽肋5正上方的两侧，所述第一汇流叶型肋3和第二汇流叶型肋4水平对称分布在所述圆形凹槽肋5正下方的两侧，第一分流扰流肋1、第二分流叶型肋2、第一汇流叶型肋3、第二汇流叶型肋4和圆形凹槽肋5形成防滑花纹状结构。

在部分实施例中，所述圆形凹槽肋5顶部设置有圆形凹槽，且所述圆形凹槽肋5的直径D为1.0-2.0mm，圆形凹槽肋5的高度H为1.2-2.5mm，圆形凹槽的深度为0.15*H-0.35*H，圆形凹槽的直径为0.6*D-0.9*D。

在部分实施例中，所述叶型肋的底面截面为流线型叶型，底面截面分为顺次平滑连接的三个区域，三个区域包括设置在前段的半椭圆形区域8、设置在中段区域的中段圆弧形区域9以及设置在后段区域的后段圆弧形区域10，所述半椭圆的长轴a是短轴b的2.65-3.85倍，中段圆弧形区域9的圆弧段半径R为1.82*a-2.65*a，中段圆弧形区域9的圆心角θ为28°-39°。如图2所示，封闭曲线A-B-C-G-E-F-A是叶型肋的底面截面示意图，该底面界面的对称轴为AG直线，F-A-B段曲线为半椭圆形区域8，M为半椭圆形的中心；B-C/F-E两段圆弧为设置在中段的中段圆弧形区域，两者分别与半椭圆形区域8相切于B点和F点；P点为B-C段圆弧的圆心，P点在线段B-M-F的延长线上；C-G-E段形成设置在后段的后段圆弧形区域10。

在部分实施例中，所述叶型肋是一个斜切式结构11，所述叶型肋的最大高度Hmax为0.9*H-1.2*H，所述叶型肋的最小高度Hmin为0.4*H-0.55H。

在部分实施例中，第一分流扰流肋中心点O1和第二分流叶型肋中心点O2的水平距离S1为2.5*D-3.5*D,所述第一分流扰流肋1和第二分流叶型肋2的中心线夹角β1为82°-96°。

在部分实施例中，第一分流扰流肋中心点O1与圆形凹槽肋中心点O的竖直距离H1为1.35*D-1.65*D。第二分流叶型肋的中心点O2与圆形凹槽肋中心点O的竖直距离与H1相等。

在部分实施例中，第一汇流叶型肋中心点O3和第二汇流叶型肋中心点O4的水平距离S2为2.5*D-3.5*D,所述第一分流扰流肋1和第二分流叶型肋2的中心线夹角β2为88°-105°。

在部分实施例中，第一汇流叶型肋中心点O3与圆形凹槽肋中心点O的竖直距离H2为1.05* H1-1.25* H1。第二汇流叶型肋的中心点O4与圆形凹槽肋中心点O的竖直距离与H2相等。

在部分实施例中，提供一种涡轮叶片6，所述涡轮叶片6设有多个前述任一项所述的防滑花纹状扰流肋7。

在部分实施例中，多个防滑花纹状扰流肋7阵列排布在涡轮叶片中弦区，且沿气流流动方向相邻两防滑花纹状扰流肋之间的距离S3为4-10mm，垂直于气流流动方向相邻两个防滑花纹扰流肋之间的弦向距离S4为3.5-12mm。

本发明实施例所提供的防滑花纹状扰流肋的强化传热机理如下：

1)第一分流扰流肋1和第二分流叶型肋2的作用不仅仅是利用斜切面产生的二次纵向涡来加强扰动壁面附近的流体，破坏壁面的流动边界层，更主要的是在流动的横向方向对流动有明显的导向作用，使流体向两侧产生分流效应，促进流体横向的扩散和掺混。

2）圆形凹槽肋5对流体形成的扰动较为复杂，不仅在凹槽肋前缘部位根部产生马蹄涡效应，在圆形凹槽肋5的顶部会还产生后台阶效应，以及在圆形凹槽肋5的后部产生卡门涡街效应，最终往往会在通道内沿壁面法向在产生较大的螺旋型向前流动的通道涡，这会引起两种附加作用：一方面使流体对通道壁面形成一定的冲刷作用，达到强化传热的效果；另一方面可以将通道中心区域的流体带向传热壁面，使通道内更多的流体都有与传热壁面接触的机会，从而强化传热。

3）第一汇流叶型肋3和第二汇流叶型肋4的的作用主要是在流动的横向方向对流动有明显的汇聚作用，使得两侧的流体不断地向中间区域聚集，一方面可以削弱圆形凹槽肋5后部的漩涡区的范围，另一方面可以汇聚两侧更多气流对下游的圆形凹槽肋5产生冲击作用强化换热强度。

如图5所示，给出了本申请实施例所提供的带防滑花纹状扰流肋的涡轮叶片内部气体流动的速度矢量图，与普通二维直肋相比，在防滑花纹状扰流肋的前、后台阶扰动效应较弱，主要是在流动的横向方向对流动有一个扰动作用，形成类似卡门涡的扰动，向下游传播，达到一定的强化传热的目的。防滑花纹状扰流肋的强化传热机理与二维直肋有一定的区别，流动中主要是促进流体横向的扰动与掺混。

在部分实施例中，结合某型发动涡轮导向叶片结构参数和冷气流动参数设计带肋壁面平板通道模型，并在此基础上通过三维数值仿真对普通二维直肋结构和本发明防滑花纹状扰流肋进行了内部冷却气体流动状态和换热性能的对比研究，为了综合比较两种类型肋的换热性能，本发明定义了综合换热性能参数η，其表示单位压降所对应的传热强度，综合传热性能指标参数η具体公式如下：

式中，f₀=0.507*Re^-0.3，f=Δp/(0.5*ρ*U²)。f₀为普通二维直肋结构的压力损失系数，f为本发明防滑花纹扰流肋的压力损失系数。

其中，无量纲努赛尔数定义如下：

式中，h为换热系数，D为特征长度，λ为导热系数，Re为进口雷诺数，Pr为普朗特数。

三维仿真计算结果表明，在Re数为11000-29000范围内，本发明防滑花纹状扰流肋的综合换热性能比普通二维直肋（矩形横截面）结构高出21.2%。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种防滑花纹状扰流肋，其特征在于，所述扰流肋包括结构外形相同的四个叶型肋以及圆形凹槽肋（5），所述四个叶型肋包括第一分流扰流肋（1）、第二分流叶型肋（2）、第一汇流叶型肋（3）和第二汇流叶型肋（4），所述第一分流扰流肋（1）和第二分流叶型肋（2）水平对称分布在所述圆形凹槽肋（5）正上方的两侧，所述第一汇流叶型肋（3）和第二汇流叶型肋（4）水平对称分布在所述圆形凹槽肋（5）正下方的两侧，第一分流扰流肋（1）、第二分流叶型肋（2）、第一汇流叶型肋（3）、第二汇流叶型肋（4）和圆形凹槽肋（5）形成防滑花纹状结构。

2.根据权利要求1所述的防滑花纹状扰流肋，其特征在于，所述圆形凹槽肋（5）顶部设置有圆形凹槽，且所述圆形凹槽肋（5）的直径D为1.0-2.0mm，圆形凹槽肋（5）的高度H为1.2-2.5mm，圆形凹槽的深度为0.15*H-0.35*H，圆形凹槽的直径为0.6*D-0.9*D。

3.根据权利要求1所述的防滑花纹状扰流肋，其特征在于，所述叶型肋的底面截面为流线型叶型，底面截面分为顺次平滑连接的三个区域，三个区域包括设置在前段的半椭圆形区域（8）、设置在中段区域的中段圆弧形区域（9）以及设置在后段区域的后段圆弧形区域（10），半椭圆形的长轴a是短轴b的2.65-3.85倍，中段圆弧形区域（9）的圆弧段半径R为1.82*a-2.65*a，中段圆弧形区域（9）的圆心角θ为28°-39°。

4.根据权利要求2所述的防滑花纹状扰流肋，其特征在于，所述叶型肋是一个斜切式结构，所述叶型肋的最大高度H_max为0.9*H-1.2*H，所述叶型肋的最小高度H_min为0.4*H-0.55H。

5.根据权利要求2所述的防滑花纹状扰流肋，其特征在于，第一分流扰流肋的中心点（O1）和第二分流叶型肋的中心点（O2）的水平距离S1为2.5*D-3.5*D,所述第一分流扰流肋（1）和第二分流叶型肋（2）的中心线夹角β1为82°-96°。

6.根据权利要求2所述的防滑花纹状扰流肋，其特征在于，第一分流扰流肋中心点（O1）与圆形凹槽肋中心点（O）的竖直距离H1为1.35*D-1.65*D。

7.根据权利要求2所述的防滑花纹状扰流肋，其特征在于，第一汇流叶型肋中心点（O3）和第二汇流叶型肋中心点（O4）的水平距离S2为2.5*D-3.5*D,所述第一分流扰流肋（1）和第二分流叶型肋（2）的中心线夹角β2为88°-105°。

8.根据权利要求2所述的防滑花纹状扰流肋，其特征在于，第一汇流叶型肋中心点（O3）与圆形凹槽肋中心点（O）的竖直距离H2为1.05* H1-1.25* H1。

9.一种涡轮叶片，其特征在于，所述涡轮叶片设有多个如权利要求1-8任一项所述的防滑花纹状扰流肋。

10.根据权利要求9所述的涡轮叶片，其特征在于，多个防滑花纹状扰流肋阵列排布在涡轮叶片中弦区，且沿气流流动方向相邻两防滑花纹状扰流肋之间的距离S3为4-10mm，垂直于气流流动方向相邻两个防滑花纹状扰流肋之间的弦向距离S4为3.5-12mm。