[go: up one dir, main page]

CN108150224A - 一种旋流与冲击相结合的透平叶片内部冷却结构 - Google Patents

一种旋流与冲击相结合的透平叶片内部冷却结构 Download PDF

Info

Publication number
CN108150224A
CN108150224A CN201711397796.9A CN201711397796A CN108150224A CN 108150224 A CN108150224 A CN 108150224A CN 201711397796 A CN201711397796 A CN 201711397796A CN 108150224 A CN108150224 A CN 108150224A
Authority
CN
China
Prior art keywords
cooling
impact
swirl
chamber
nozzle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201711397796.9A
Other languages
English (en)
Inventor
李亮
王杰枫
周源远
范小军
杜长河
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Jiaotong University
Original Assignee
Xian Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Jiaotong University filed Critical Xian Jiaotong University
Priority to CN201711397796.9A priority Critical patent/CN108150224A/zh
Publication of CN108150224A publication Critical patent/CN108150224A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/12—Cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F01D9/041—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector using blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

本发明公开了一种旋流与冲击相结合的透平叶片内部冷却结构，是由旋流冷却和冲击冷却组合而成。冷气进入进气腔室后，经由旋流喷嘴和冲击喷嘴进入到冷却腔室，通过旋流与冲击的相互作用产生了新的复合流动结构，从而实现对冷却腔室壁面的冷却。本发明具有换热性能好、压力损失低、抗横流能力强的特点，可用于燃气轮机和航空发动机透平叶片的内部冷却中。本发明在换热方面具有换热分布均匀，局部换热强度高的优点，适用于温度高且温度场不均匀的燃气环境；其次，本发明在流动方面抗横流能力强，压力损失小，效率高。最后，本发明结构简单、工作可靠、喷嘴排布方式灵活，适于大范围的工业应用。

Description

一种旋流与冲击相结合的透平叶片内部冷却结构
技术领域
本发明属于叶轮机械领域，涉及一种旋流与冲击相结合的透平叶片内部冷却结构。
背景技术
目前，透平进口燃气温度已经达到1600K以上，远远超过了透平叶片材料的耐热极限。因此，必须对叶片采取有效的冷却措施，才能保护叶片免受高温燃气破坏，当前主要采用叶片前缘冲击冷却、叶片内部蛇形通道对流冷却、叶片尾缘扰流柱肋冷却和气膜冷却相结合的复合冷却方式。随着透平进气温度的不断提高，如继续采用现有冷却结构，则必须增加冷却气体的流量，会导致透平功率和效率的降低，抵消提高进气温度带来的收益。因而发展新的高效的冷却结构是透平冷却技术研究的一个重要内容。
冲击冷却，是使冷气通过冲击喷嘴射入冷却腔室，并以较高的速度冲击靶面，与靶面间发生强烈的对流换热从而实现对叶片的冷却。该冷却方式中，冷气高速冲击靶面破坏了滞止点附近的边界层，因此该冷却方式具有局部区域(滞止点附近)换热强度高的特点。但靶面其他位置换热强度低，同时冲击射流易受到横向气流推挤。这些缺点削弱了冲击冷却的冷却效果。
旋流冷却是一种新的叶片前缘冷却方式。该冷却方式中，进气腔室中的冷气通过旋流喷嘴切向进入冷却腔室，形成大尺度的高速旋转运动，冲刷靶面边界层，同时加强了冷气掺混以实现对叶片的冷却。旋流冷却具有冷却能力好、气动特性优良等特点。相较于冲击冷却，旋流冷却的换热分布更为均匀，同时其抵抗横流的能力也更强。但旋流冷却的局部换热能力弱于冲击冷却。目前的燃气轮机透平进口气流温度分布不均匀，存在“热斑”等局部高温区域；而旋流冷却不能有效应对畸变的温度场。这一缺点影响了旋流冷却的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的旋流冷却和冲击冷却的缺点，综合两种冷却方式的优点，提供一种结构简单、换热分布合理、冷却效果好的旋流与冲击相结合的透平叶片内部冷却结构，该结构适用于复杂高温燃气环境下的叶片内部冷却。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种旋流与冲击相结合的透平叶片内部冷却结构，包括进气腔室、冷却腔室、出口和若干喷嘴；进气腔室和冷却腔室通过若干喷嘴相连接；冷气在进气腔室内通过若干喷嘴进入到冷却腔室中，形成旋流射流与冲击射流，并且两股射流相互作用，形成复合流动结构，与冷却腔室壁面进行对流换热，从而实现对靶面的冷却。
本发明进一步的改进在于：
喷嘴包括冲击喷嘴和旋流喷嘴，进气腔室和冷却腔室通过旋流喷嘴和冲击喷嘴相连接。
旋流喷嘴的截面为矩形，位于与冷却腔室圆弧段相切的位置。
冲击喷嘴的截面为圆形，垂直于冷却腔室的上表面中间位置。
冷却腔室与进气腔室宽度相同，且平行布置。
出口的截面为矩形，位于冷却腔室末端上表面中间位置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明是由旋流冷却和冲击冷却组合而成。冷气进入进气腔室后，经由旋流喷嘴和冲击喷嘴进入到冷却腔室，通过旋流与冲击的相互作用产生了新的复合流动结构，从而实现对冷却腔室壁面的冷却。本发明具有换热性能好、压力损失低、抗横流能力强的特点，可用于燃气轮机和航空发动机透平叶片的内部冷却中。本发明在换热方面具有换热分布均匀，局部换热强度高的优点，适用于温度高且温度场不均匀的燃气环境；其次，本发明在流动方面抗横流能力强，压力损失小，效率高。最后，本发明结构简单、工作可靠、喷嘴排布方式灵活，适于大范围的工业应用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图正视图；
图2为本发明的结构示意图侧视图；
图3为三种冷却方式下的靶面努塞尔数沿着轴向Z的分布图；其中，(a)为旋流冷却，(b)为旋流与冲击冷却结合，(c)冲击冷却；
图4为本发明的立体结构示意图。
其中，1-进气腔室；2-旋流喷嘴；3-冲击喷嘴；4-出口；5-冷却腔室。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1-2，本发明旋流与冲击相结合的透平叶片内部冷却结构，包括进气腔室1、冷却腔室5、出口4和若干喷嘴。喷嘴包括冲击喷嘴3和旋流喷嘴2，进气腔室1和冷却腔室5通过旋流喷嘴2和冲击喷嘴3相连接。旋流喷嘴2和冲击喷嘴3可等距布置，也可不等距布置，或者改变旋流喷嘴与冲击喷嘴的数量进行自由组合，依照实际情况而定；旋流喷嘴2截面为矩形，位于与冷却腔室5圆弧段相切的位置；冲击喷嘴3截面为圆形，垂直于冷却腔室5的上表面中间位置；冷却腔室5与进气腔室1宽度相同，平行布置。出口4截面为矩形，位于冷却腔室末端上表面中间位置。冷气在进气腔室1内通过旋流喷嘴2和冲击喷嘴3进入到冷却腔室5中，形成旋流射流与冲击射流，并且两股射流相互作用，形成新的复合流动结构，与冷却腔室5壁面，也就是靶面进行强烈的对流换热，从而实现对靶面的冷却。
本发明的原理：
为比较三种不同的冷却方式，验证组合冷却的优点，本发明采用了CFD模拟仿真的方式。三种冷却方式的冷却腔室、进气腔室都采用相同的模型，仅在喷嘴和出口的布置上有所不同。
为比较三种冷却方式的换热效果，定义冷气的努塞尔数Nu：
其中，qw为热流密度；Dc为冷却腔室的直径；λ为导热系数；T为冷却气温度；Tw为靶面温度。Nu实际上是对流换热强度与热传导换热强度的比，为表征对流换热强度的准则数。Nu还有许多其他的形式，本发明所采用的形式中，各量更容易在CFD计算结果中导出。
图3给出了三种冷却方式下的靶面努塞尔数沿着轴向Z的分布：图(a)为旋流冷却Nu分布等值线图；图(b)为旋流与冲击组合冷却的Nu分布等值线图和局部放大图；图(c)为冲击冷却的Nu分布等值线图和局部放大图。
为比较三种冷却方式的综合性能，定义综合换热系数η：
式中：为全场平均努塞尔数；Nu0＝0.023Re0.8Pr0.4为Dittus-Boelter努塞尔数；为摩擦系数；f0＝0.0791Re-0.25为布拉修斯摩擦因数。
下表给出了计算结果：
表1三种冷却方式的压力损失
由图3(b)、(c)可以看出，与常规冲击冷却相比，组合冷却方式下靶面的换热强度更均匀，消除了冲击冷却局部换热强度过低的区域，从而可以更有效地保护叶片，同时也使得冷气得到了更加充分的利用。由图3(c)可以看出，冲击冷却的换热效果受到了横流的显著影响，换热强度沿轴向出现了较大的衰减。组合冷却则有着较强的抗横流能力，换热效果受横流的影响较小。
由图3(a)、(b)可以看出，与常规旋流冷却相比，组合冷却方式继承了旋流冷却换热分布均匀、抗横流能力强的优点。同时，在常规旋流冷却的基础上引入了局部高换热区域。这些高换热区域能够更有效地冷却叶片的局部高温区域，能更有效地保护叶片免受高温破坏。
由表1中可以看出，组合冷却的换热强度略低于旋流冷却的换热强度，比冲击冷却的换热强度高出很多。同时，组合冷却的压力损失低于旋流冷却与冲击冷却。评价综合换热性能的参数上，组合冷却最优。因此，旋流冷却与冲击冷却两种方式的结合，提升了冷却的综合效果。
旋流喷嘴和冲击喷嘴的排列组合方式不唯一，可以灵活改变两种喷嘴的种类、数量以及位置关系。燃烧室产生的高温燃气由受到流场变化、燃烧不均匀等因素的影响，会产生畸变的温度场，出现“热斑”等现象。而不同参数的燃气轮机中的畸变温度场也不同。组合冷却可以通过灵活布置不同种类的喷嘴，实现对不同燃气温度场的有效应对。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种旋流与冲击相结合的透平叶片内部冷却结构，其特征在于，包括进气腔室(1)、冷却腔室(5)、出口(4)和若干喷嘴；进气腔室(1)和冷却腔室(5)通过若干喷嘴相连接；冷气在进气腔室(1)内通过若干喷嘴进入到冷却腔室(5)中，形成旋流射流与冲击射流，并且两股射流相互作用，形成复合流动结构，与冷却腔室(5)壁面进行对流换热，从而实现对靶面的冷却。
2.根据权利要求1所述的旋流与冲击相结合的透平叶片内部冷却结构，其特征在于，喷嘴包括冲击喷嘴(3)和旋流喷嘴(2)，进气腔室(1)和冷却腔室(5)通过旋流喷嘴(2)和冲击喷嘴(3)相连接。
3.根据权利要求2所述的旋流与冲击相结合的透平叶片内部冷却结构，其特征在于，旋流喷嘴(2)的截面为矩形，位于与冷却腔室(5)圆弧段相切的位置。
4.根据权利要求2所述的旋流与冲击相结合的透平叶片内部冷却结构，其特征在于，冲击喷嘴(3)的截面为圆形，垂直于冷却腔室(5)的上表面中间位置。
5.根据权利要求1或2所述的旋流与冲击相结合的透平叶片内部冷却结构，其特征在于，冷却腔室(5)与进气腔室(1)宽度相同，且平行布置。
6.根据权利要求1或2所述的旋流与冲击相结合的透平叶片内部冷却结构，其特征在于，出口(4)的截面为矩形，位于冷却腔室末端上表面中间位置。
CN201711397796.9A 2017-12-21 2017-12-21 一种旋流与冲击相结合的透平叶片内部冷却结构 Pending CN108150224A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711397796.9A CN108150224A (zh) 2017-12-21 2017-12-21 一种旋流与冲击相结合的透平叶片内部冷却结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711397796.9A CN108150224A (zh) 2017-12-21 2017-12-21 一种旋流与冲击相结合的透平叶片内部冷却结构

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108150224A true CN108150224A (zh) 2018-06-12

Family

ID=62465062

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711397796.9A Pending CN108150224A (zh) 2017-12-21 2017-12-21 一种旋流与冲击相结合的透平叶片内部冷却结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108150224A (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111120008A (zh) * 2019-12-10 2020-05-08 西安交通大学 一种新型透平叶片旋流冷却结构
CN112302727A (zh) * 2020-11-23 2021-02-02 华能国际电力股份有限公司 一种涡轮叶片前缘冷却结构
CN113944516A (zh) * 2021-09-28 2022-01-18 中国科学院工程热物理研究所 一种燃气涡轮叶尖复合冷却结构
CN114109518A (zh) * 2021-11-29 2022-03-01 西安交通大学 一种涡轮叶片前缘带肋旋流-气膜复合冷却结构
CN114215607A (zh) * 2021-11-29 2022-03-22 西安交通大学 一种涡轮叶片前缘旋流冷却结构

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060280607A1 (en) * 2004-08-25 2006-12-14 Harvey Neil W Turbine component
CN102128055A (zh) * 2011-04-21 2011-07-20 西北工业大学 一种带冠的燃气涡轮冷却叶片
CN203296825U (zh) * 2013-05-28 2013-11-20 南京航空航天大学 涡轮叶片前缘结构
CN203347846U (zh) * 2013-06-14 2013-12-18 南京航空航天大学 一种涡轮叶片前缘结构
CN106761951A (zh) * 2017-01-23 2017-05-31 中国航发沈阳发动机研究所 一种涡轮转子叶片的前缘冷却结构及具有其的发动机

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060280607A1 (en) * 2004-08-25 2006-12-14 Harvey Neil W Turbine component
CN102128055A (zh) * 2011-04-21 2011-07-20 西北工业大学 一种带冠的燃气涡轮冷却叶片
CN203296825U (zh) * 2013-05-28 2013-11-20 南京航空航天大学 涡轮叶片前缘结构
CN203347846U (zh) * 2013-06-14 2013-12-18 南京航空航天大学 一种涡轮叶片前缘结构
CN106761951A (zh) * 2017-01-23 2017-05-31 中国航发沈阳发动机研究所 一种涡轮转子叶片的前缘冷却结构及具有其的发动机

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111120008A (zh) * 2019-12-10 2020-05-08 西安交通大学 一种新型透平叶片旋流冷却结构
CN112302727A (zh) * 2020-11-23 2021-02-02 华能国际电力股份有限公司 一种涡轮叶片前缘冷却结构
CN113944516A (zh) * 2021-09-28 2022-01-18 中国科学院工程热物理研究所 一种燃气涡轮叶尖复合冷却结构
CN113944516B (zh) * 2021-09-28 2024-04-02 中国科学院工程热物理研究所 一种燃气涡轮叶尖复合冷却结构
CN114109518A (zh) * 2021-11-29 2022-03-01 西安交通大学 一种涡轮叶片前缘带肋旋流-气膜复合冷却结构
CN114215607A (zh) * 2021-11-29 2022-03-22 西安交通大学 一种涡轮叶片前缘旋流冷却结构

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108150224A (zh) 一种旋流与冲击相结合的透平叶片内部冷却结构
CN103967621B (zh) 具有微小斜肋-凹陷复合结构的冷却装置
CN112459852B (zh) 一种应用于涡轮叶片尾缘半劈缝的双导流肋导流结构
CN103437889B (zh) 一种用于燃气涡轮发动机冷却的分支气膜孔结构
CN107060892B (zh) 一种气液耦合的涡轮叶片冷却单元
CN103277145A (zh) 一种燃气涡轮冷却叶片
CN104594956B (zh) 一种提高开槽气膜孔下游壁面气膜冷却效率的结构
CN111305906A (zh) 一种适用于高温涡轮叶片的带间断直肋半劈缝冷却结构
CN112746871B (zh) 具有梯形横截面的连续波浪肋冷却结构
CN112746870B (zh) 一种间断的波浪肋冷却结构
CN103075202A (zh) 涡轮叶片内部带有栅格扰流的冲击冷却结构
CN107060893A (zh) 一种带有v型肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构
CN107013255A (zh) 一种带有连续直肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构
CN107269319A (zh) 一种带有球面凹坑的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构
CN111706409A (zh) 一种带有支孔的波纹状气膜孔
CN112343666B (zh) 一种应用于涡轮叶片尾缘半劈缝的波纹型肋导流结构
CN110130996A (zh) 一种带鱼尾形扰流柱的网格缝冷却结构
CN101358545A (zh) 一种旋转状态下具有非对称肋片参数的涡轮叶片内冷通道
CN210599117U (zh) 一种用于改善涡轮冷却效果的冷却结构
CN112343667B (zh) 一种应用于涡轮叶片尾缘半劈缝的连续v型肋导流结构
CN112523810B (zh) 一种应用于涡轮叶片尾缘半劈缝的三角柱型导流结构
CN216642214U (zh) 涡轮叶片中弦区用高堵塞比肋片层板冷却结构
CN211008774U (zh) 一种新型透平叶片旋流冷却结构
CN108590776A (zh) 一种使用三棱锥涡流发生器的涡轮叶片冷却方法
CN101126324A (zh) 涡轮叶片中部倾斜冲击加气膜的组合冷却结构

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20180612

RJ01 Rejection of invention patent application after publication