一种带热障涂层的涡轮叶片横向槽气膜冷却结构

1.本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种带热障涂层的涡轮叶片横向槽气膜冷却结构。


背景技术：

2.提高涡轮进口温度是改善燃气涡轮发动机热力循环效率和经济性的基本技术途径，但同时也导致热端部件面临着日益尖锐的热防护需求和技术挑战，为保障热端部件能够在更严酷的热环境中安全稳定地工作，关键的应对策略是不断发展耐高温材料体系和高效热防护技术。
3.如中国专利cn108979734b所公开的一种带有旋流的涡轮叶片多通道冷却结构和装置，其第二冷却通道和第三冷却通道通过切向槽/横向槽形成旋流通道，增大了涡轮叶片冷却传热系数，改善了冷却通道的传热不均匀性，极大地提高了涡轮叶片的冷却效果，然而在其使用时还存在以下问题：
4.由于目前的叶片冷却结构的综合冷却效率较低，高温热量容易向涡轮叶片传导，导致整体的隔热效果较差。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种带热障涂层的涡轮叶片横向槽气膜冷却结构，解决了上述背景技术中提出的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种带热障涂层的涡轮叶片横向槽气膜冷却结构，包括涡轮叶片本体，所述涡轮叶片本体的内部设置有冷气腔一和冷气腔二两个部分，所述涡轮叶片本体的外表面设置有热障涂层，所述涡轮叶片本体上开设有横向槽，所述涡轮叶片本体的一侧设置有叶片前缘，所述涡轮叶片本体的另一侧设置有吸力面和压力面，所述吸力面和压力面上开设有若干排气膜孔。
7.所述冷气腔一和冷气腔二通过设置的排气膜孔与涡轮叶片本体的外部环境连通，所述冷气腔一和冷气腔二与涡轮叶片本体的外表面形状相适配，所述冷气腔一和冷气腔二与涡轮叶片本体外表面之间的距离为1mm。
8.优选的，所述排气膜孔与涡轮叶片本体外表面之间的夹角θ为35
°
。
9.优选的，所述排气膜孔的内径d为0.6mm，所述排气膜孔的长径比为3d，所述排气膜孔之间的间距为2d。
10.优选的，所述横向槽的宽径比wc/d为2.5d，所述横向槽的深径比hc/d为0.25-0.75d。
11.优选的，所述热障涂层制备的横向槽的宽度中心与排气膜孔的顶部出口中心相互对齐，所述排气膜孔的顶部出口中心线与涡轮叶片本体表面垂直设置。
12.优选的，所述横向槽沿涡轮叶片本体厚度方向的几何形状相同。
13.优选的，所述热障涂层具有双层结构，所述双层结构包括中间层和陶瓷顶层。
14.优选的，所述中间层的下方设置有金属粘结表面，所述中间层附着于金属粘结表面上。
15.与相关技术相比较，本发明提供的一种带热障涂层的涡轮叶片横向槽气膜冷却结构具有如下有益效果：
16.1、本发明提供一种带热障涂层的涡轮叶片横向槽气膜冷却结构，通过涂敷热障涂层实现将排气膜孔埋入横向槽的制备，在冷却气体由冷气腔流出排气膜孔后，横向槽结构使得冷却气体与主流充分掺混，形成具有良好展向均匀性及贴壁性的气流，这样一方面有利于冷却气体流动带走叶片表面的热量，另一方面可以在叶片表面形成一层气膜，阻隔高温主流向叶片的热量传导，从而极大地提高了气膜冷却效率，本发明的高效叶片冷却结构能够有效降低叶片在服役过程中的温度，为涡轮进口前燃气温度的提升做出巨大贡献，为高效的燃气轮机及航空发动机的发展提供了坚实的基础。
17.2、本发明提供一种带热障涂层的涡轮叶片横向槽气膜冷却结构，通过设置的热障涂层具有双层结构，热障涂层的隔热效果有效地阻止了主流热量向叶片的传导，为叶片热防护提供重要的支持，提高涡轮叶片整体的隔热效果，且本发明的冷却结构将使燃气轮机及航空发动机的输出功率大幅度提高。
附图说明
18.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
19.图1为本发明的一种带热障涂层的涡轮叶片横向槽气膜冷却结构的结构剖面示意图；
20.图2为本发明的横向槽的结构剖面示意图；
21.图3为本发明的横向槽的结构剖面示意图；
22.图4为本发明的热障涂层的截面示意图。
23.图中：1、冷气腔一；2、冷气腔二；3、排气膜孔；4、热障涂层；401、中间层；402、陶瓷顶层；5、横向槽；6、叶片前缘。
具体实施方式
24.实施例一：
25.请参阅图1-图3，本发明提供一种技术方案：一种带热障涂层的涡轮叶片横向槽气膜冷却结构，包括涡轮叶片本体，涡轮叶片本体的内部设置有冷气腔一1和冷气腔二2两个部分，涡轮叶片本体的外表面设置有热障涂层4，其中，在保证其结构强度和使用寿命的前提下，热障涂层4也可以有多种结构和形式的选择，尽可能增强其隔热效果，涡轮叶片本体上开设有横向槽5，涡轮叶片本体的一侧设置有叶片前缘6，涡轮叶片本体的另一侧设置有吸力面和压力面，吸力面和压力面上开设有若干排气膜孔3，其中，在保证叶片结构强度的基础上，排气膜孔3可以有多种尺寸和形状的选择，尽可能提高气膜在叶片表面的覆盖能力，提高气膜冷却效率。
26.冷气腔一1和冷气腔二2通过设置的排气膜孔3与涡轮叶片本体的外部环境连通，冷气腔一1和冷气腔二2与涡轮叶片本体的外表面形状相适配，冷气腔一1和冷气腔二2与涡
轮叶片本体外表面之间的距离为1mm。
27.热障涂层4用于将排气膜孔3埋入横向槽5。
28.排气膜孔3与涡轮叶片本体外表面之间的夹角θ为35
°
，排气膜孔3的内径d为0.6mm，排气膜孔3的长径比为3d，排气膜孔3之间的间距为2d。
29.横向槽5的宽径比wc/d为2.5d，横向槽5的深径比hc/d为0.25-0.75d。
30.热障涂层4制备的横向槽5的宽度中心与排气膜孔3的顶部出口中心相互对齐，排气膜孔3的顶部出口中心线与涡轮叶片本体表面垂直设置，横向槽5沿涡轮叶片本体厚度方向的几何形状相同。
31.本实施方案中，通过内部冷却结构包括两个冷气腔一1和冷气腔二2及叶片前缘6、吸力面和压力面的若干排气膜孔3，外部利用热障涂层4实现将排气膜孔3埋入横向槽5的冷却结构：内部冷却通道、排气膜孔3出口的横向开槽以及热障涂层4共同作用，实现高温涡轮导叶的高效冷却，对于叶片上的排气膜孔3，在保证叶片结构强度的基础上，可以有多种尺寸和形状的选择，尽可能提高气膜在叶片表面的覆盖能力，提高气膜冷却效率，同理，对于表面涂敷的热障涂层4，也可以有多种结构和形式的选择，在保证其结构强度和使用寿命的前提下，尽可能增强其隔热效果。
32.实施例二：
33.请参阅图4所示，在实施例一的基础上，本发明提供一种技术方案：热障涂层4具有双层结构，热障涂层4具有高温隔热效果，双层结构包括中间层401和陶瓷顶层402，中间层401的下方设置有金属粘结表面，中间层401附着于金属粘结表面上。
34.本实施例中，通过设置的热障涂层4具有双层结构，热障涂层4的隔热效果有效地阻止了主流热量向叶片的传导，使其提高涡轮叶片整体的隔热效果，且本发明的冷却结构将使燃气轮机及航空发动机的输出功率大幅度提高。
35.工作原理：
36.在使用时，首先，通过横向槽5、排气膜孔3与热障涂层4的共同作用，实现叶片表面的大幅度温降，如图1所示，在冷却气体由冷气腔流出排气膜孔3后，横向槽5使得冷却气体与主流充分掺混，形成具有良好展向均匀性及贴壁性的气流，这样一方面有利于冷却气体流动带走叶片表面的热量，另一方面可以在叶片表面形成一层气膜，阻隔高温主流向叶片的热量传导，从而极大地提高了气膜冷却效率，该过程可为叶片表面提供80℃左右的温降；
37.同时，热障涂层4也因为其优异的隔热效果有效地阻止了主流热量向叶片的传导，能使叶片表面温度下降约60℃，该结构能使涡轮导叶片的承温极限提高约140℃，为叶片热防护提供重要的支持；
38.最后，本发明的冷却结构将使燃气轮机及航空发动机的输出功率大幅度提高。

技术特征：
1.一种带热障涂层的涡轮叶片横向槽气膜冷却结构，包括涡轮叶片本体，其特征在于：所述涡轮叶片本体的内部设置有冷气腔一(1)和冷气腔二(2)两个部分，所述涡轮叶片本体的外表面设置有热障涂层(4)，所述涡轮叶片本体上开设有横向槽(5)，所述涡轮叶片本体的一侧设置有叶片前缘(6)，所述涡轮叶片本体的另一侧设置有吸力面和压力面，所述吸力面和压力面上开设有若干排气膜孔(3)；所述冷气腔一(1)和冷气腔二(2)通过设置的排气膜孔(3)与涡轮叶片本体的外部环境连通，所述冷气腔一(1)和冷气腔二(2)与涡轮叶片本体的外表面形状相适配，所述冷气腔一(1)和冷气腔二(2)与涡轮叶片本体外表面之间的距离为1mm。2.根据权利要求1所述的一种带热障涂层的涡轮叶片横向槽气膜冷却结构，其特征在于：所述排气膜孔(3)与涡轮叶片本体外表面之间的夹角θ为35
°
。3.根据权利要求1所述的一种带热障涂层的涡轮叶片横向槽气膜冷却结构，其特征在于：所述排气膜孔(3)的内径d为0.6mm，所述排气膜孔(3)的长径比为3d，所述排气膜孔(3)之间的间距为2d。4.根据权利要求3所述的一种带热障涂层的涡轮叶片横向槽气膜冷却结构，其特征在于：所述横向槽(5)的宽径比wc/d为2.5d，所述横向槽(5)的深径比hc/d为0.25-0.75d。5.根据权利要求1所述的一种带热障涂层的涡轮叶片横向槽气膜冷却结构，其特征在于：所述热障涂层(4)制备的横向槽(5)的宽度中心与排气膜孔(3)的顶部出口中心相互对齐，所述排气膜孔(3)的顶部出口中心线与涡轮叶片本体表面垂直设置。6.根据权利要求1所述的一种带热障涂层的涡轮叶片横向槽气膜冷却结构，其特征在于：所述横向槽(5)沿涡轮叶片本体厚度方向的几何形状相同。7.根据权利要求1所述的一种带热障涂层的涡轮叶片横向槽气膜冷却结构，其特征在于：所述热障涂层(4)具有双层结构，所述双层结构包括中间层(401)和陶瓷顶层(402)。8.根据权利要求7所述的一种带热障涂层的涡轮叶片横向槽气膜冷却结构，其特征在于：所述中间层(401)的下方设置有金属粘结表面，所述中间层(401)附着于金属粘结表面上。

技术总结
本发明公开了一种带热障涂层的涡轮叶片横向槽气膜冷却结构，涉及燃气轮机技术领域，包括涡轮叶片本体，所述涡轮叶片本体的内部设置有冷气腔一和冷气腔二两个部分。通过涂敷热障涂层实现将排气膜孔埋入横向槽的制备，在冷却气体由冷气腔流出排气膜孔后，横向槽结构使得冷却气体与主流充分掺混，形成具有良好展向均匀性及贴壁性的气流，一方面有利于冷却气体流动带走叶片表面的热量，另一方面在叶片表面形成一层气膜，阻隔高温主流向叶片的热量传导，从而极大地提高了气膜冷却效率，本发明的高效叶片冷却结构能够有效降低叶片在服役过程中的温度，为涡轮进口前燃气温度的提升做出巨大贡献，为高效的燃气轮机及航空发动机的发展提供了坚实的基础。展提供了坚实的基础。展提供了坚实的基础。


技术研发人员：王思凝 张靖周
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/7/4