CN108729955B - 一种带有y型射流孔的透平叶片尾缘冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有Y型射流孔的透平叶片尾缘冷却结构，该尾缘整体为梯形结构，内部依次开设有冷却工质供应腔、第一冷却腔、第二冷却腔和出口段；其中，冷却工质供应腔和第一冷却腔之间设置有第一隔板，第一冷却腔和第二冷却腔之间设置有第二隔板，第一隔板开设有若干均匀布置的第一Y型射流孔，第二隔板上开设有若干均匀布置的第二Y型射流孔；工作时，工质依次经冷却工质供应腔和第一冷却腔进入第二冷却腔，换热后的工质通过与第二冷却腔相连接的出口段进行回收。本发明提供的一种带有Y型射流孔的透平叶片尾缘冷却结构，可以显著提升尾缘冷却效果，并减小压力损失。

Description

一种带有Y型射流孔的透平叶片尾缘冷却结构

技术领域

本发明属于燃气轮机透平冷却技术领域，特别涉及一种带有Y型射流孔的透平叶片尾缘冷却结构。

背景技术

随着我国现代化工业的不断推进，能源的高效利用成为日趋关键的问题。相比于其它能量转换设备来说，燃气轮机具有体积小、重量轻、启动快等一系列优势，在航空、船舶、电力等国民经济支柱产业中扮演着重要角色。研究表明，透平进口温度每提升55℃，燃机功率和效率可提高10％，因此不断提高进气温度成为燃机发展的必然要求。目前航空燃气轮机中碳氢化合物燃料的理论燃烧温度可达2200℃，且有进一步提高的可能，因而开发高效的冷却结构，对涡轮叶片进行有效地温降保护，使其能够长期安全运行是燃机整体结构设计和热设计中所必须考虑的关键课题。

叶片尾缘处的外部流动较为复杂，受脱落涡、尾迹及流体脉动等因素的共同作用，其往往承受着很高的热负荷；另一方面，较薄的尾缘结构使其内部冷却通道较为狭窄，无法布置复杂的冷却结构，这对内部冷却结构的设计提出了更高的要求。因此，开发与尾缘相匹配的冷却结构，在制造技术允许的范围内，最大限度地提升换热能力，并减小内部流动损失，对于缓解叶片尾缘处的热承载，提高燃机系统的功率和效率乃至维护其安全稳定运行是极为重要的。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种带有Y型射流孔的透平叶片尾缘冷却结构，以进一步提升尾缘冷却效果，并减小压力损失。

本发明采用以下技术方案予以实现的：

一种带有Y型射流孔的透平叶片尾缘冷却结构，该尾缘整体为梯形结构，内部依次开设有冷却工质供应腔、第一冷却腔、第二冷却腔和出口段；其中，

冷却工质供应腔和第一冷却腔之间设置有第一隔板，第一冷却腔和第二冷却腔之间设置有第二隔板，第一隔板开设有若干均匀布置的第一Y型射流孔，第二隔板上开设有若干均匀布置的第二Y型射流孔；工作时，工质依次经冷却工质供应腔和第一冷却腔进入第二冷却腔，换热后的工质通过与第二冷却腔相连接的出口段进行回收。

本发明进一步的改进在于，第一冷却腔和第二冷却腔内设有若干均匀布置的圆柱翅片。

本发明进一步的改进在于，第一冷却腔和第二冷却腔垂直于流向的横截面的宽高比W/H为3-8。

本发明进一步的改进在于，同一隔板上Y型射流孔的横向间距与其孔径的比值为1.5-3.5。

本发明进一步的改进在于，第一Y型射流孔和第二Y型射流孔的孔径比D₁/D₂均为1.2-1.8，斜孔倾角均为30-60°。

本发明进一步的改进在于，第一Y型射流孔的单孔端与冷却工质供应腔连通，双孔端与第一冷却腔连通，第二Y型射流孔的单孔端与第一冷却腔连通，双孔端与第二冷却腔连通。

本发明进一步的改进在于，第一Y型射流孔和第二Y型射流孔内均安装有螺旋状纽带，用以产生螺旋射流。

本发明进一步的改进在于，第一冷却腔和第二冷却腔的传热表面上均匀布置有若干列顺/错排的球凸结构，且球凸结构的深径比δ/D_p为0.1-0.4。

本发明进一步的改进在于，第一冷却腔和第二冷却腔内球凸结构的相对流向间距P_l/D_p和相对横向间距P_w/D_p分别为1.2-2.5和1.5-3.5。

本发明进一步的改进在于，第二冷却腔尾缘端壁上开设有若干气膜孔，该气膜孔的边界由两半圆和两直线组成，且呈扁平结构。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明所提供的透平叶片尾缘冷却结构具有独立的工质供应、冷却、回收系统，可以简便快捷地调整工质流量，且不影响叶片其它部位的冷却；第一挡板和第二挡板将尾缘冷却通道分为一个冷却工质供应腔和两个冷却腔，可以针对两个腔室不同的冷却需求，进行更为精准的控制；第一Y型射流孔和第二Y型射流孔在保证换热量的同时提升了整个冷却结构的完整性和高效性。

进一步，第一冷却腔和第二冷却腔内均匀排布的圆柱翅片能够增强工质扰动，破坏流动边界层，且工质经过圆柱翅片时得到加速，从而获得更优的强化传热性能，同时也增加了换热面积，提升了尾缘的结构强度和承载能力；进一步，第一冷却腔和第二冷却腔具有大宽高比的横截面结构，这与尾缘外部整体结构高度匹配，可以提高内部冷却空间的利用率，在同样的条件下达到更好的冷却效果；

进一步，同一隔板上Y型射流孔的横向间距与其孔径的比值为1.5-3.5，可以避免布置过密导致的射流量减小和布置过稀导致的冷却覆盖区域减少，实现高射流强度和完全冷却覆盖；

进一步，第一Y型射流孔和第二冷却射流孔的孔径比保持在1.2-1.8的范围内，能够减小孔径差异带来的额外阻力损失，同时缩小第一冷却腔和第二冷却腔壁面间的温度差异；30-60°的斜孔倾角可以保证冲击点及其下游大面积区域得到有效冷却覆盖；

进一步，Y型射流孔可同时冷却压力面和吸力面，可实现两侧射流量的自主均匀分配，提高换热能力的同时使得两个表面的温度分布更加均匀，进而有效减小热应力；Y型射流孔内可安装螺旋状纽带，产生旋转射流，在冲击过程中增强工质的掺混与脉动，大大提高换热区域的湍动能和传热传质能力；

进一步，球凸结构加速了冷却腔内的流动，且球凸前缘区域受到来流的冲刷，传热得到进一步增强，球凸顶部和后缘区域的流动分离与再附则增强了流体湍动能，且该效应向下游及两侧进行扩展，有效破坏了圆柱翅片下游区域内的封闭涡，进而减小了该处的压力损失；0.1-0.4的球凸深径比在保证强化传热效果的同时可将阻力损失控制在较低范围内；

进一步，第一冷却腔和第二冷却腔内球凸结构的相对流向间距和相对横向间距分别在1.2-2.5和1.5-3.5范围内，一方面可以保证强化传热区域的大面积覆盖，另一方面可以减小传热系数在流向和横向间的差异，提高整体传热的均匀性；

进一步，第二冷却腔的端壁上开设有若干气膜孔，这些气膜孔一方面加速了冷却腔的内部流动，并减少了封闭涡，形成抽吸效应，进而改善了内部冷却流动结构，另一方面冷却工质出流并覆盖在尾缘外表面，形成气膜，有效避免了尾缘与高温主流的直接接触，能够起到很好的保护作用。

由上述内容可知，本发明建立了一种带有Y型射流孔的透平叶片尾缘冷却结构，通过隔板将尾缘分为两个冷却腔，并通过隔板上开设的Y型射流孔同时对吸力面和压力面进行冲击冷却，冷却腔内布置的球凸-圆柱翅片组合结构提高尾缘结构强度的同时取得了很好的强化传热、减阻效果，气膜孔的设置可改善内部流动结构，并提供外部气膜保护。相比于尾缘传统冷却结构来说，该冷却结构具有结构简单、加工方便、高传热、低流阻等方面的优势，并具有独立的冷却工质供应、回收系统。

附图说明

图1是透平叶片尾缘冷却结构的整体剖视图；

图2是透平叶片尾缘冷却结构的纵向剖视图；

图3是具有光滑内壁的Y型射流孔；

图4是内嵌螺旋状纽带的Y型射流孔；

图5是带有倾斜射流孔的尾缘冷却通道流体域示意图；

图6是带有倾斜射流孔的尾缘壁面努塞尔数分布图；

图7是带有Y型射流孔的尾缘壁面传热分布图；

图8是带有Y型射流孔和球凸结构的尾缘壁面努塞尔数分布图；

图9是不同工况间的传热特性对比图；

图10是不同工况间的阻力特性对比图。

图中：1为冷却工质供应腔，2为第一隔板，3为第一Y型射流孔，4为第一冷却腔，5为圆柱翅片，6为球凸结构，7为第二隔板，8为第二Y型射流孔，9为第二冷却腔，10为气膜孔，11为出口段，12为螺旋状纽带，13为倾斜射流孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，通过数值计算结果对比来阐释本技术发明的一系列优势，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参照图1至图4，本发明提供的一种带有Y型射流孔的透平叶片尾缘冷却结构，包括冷却工质供应腔1、第一隔板2、第一冷却腔4、第二隔板7、第二冷却腔9和出口段11。该尾缘整体为梯形结构，其中第一隔板2在冷却工质供应腔1和第一冷却腔4之间，第二隔板7在第一冷却腔4和第二冷却腔9之间，第一冷却腔4和第二冷却腔9内设有若干均匀布置的圆柱翅片5，第二冷却腔9与出口段11相连。此外第一冷却腔4和第二冷却腔9垂直于流向的横截面具有较大的宽高比W/H，为3-8；第一隔板2上开设有若干均匀布置的第一Y型射流孔3，第二隔板7上开设有若干均匀布置的第二Y型射流孔8，第一Y型射流孔3的单孔端与冷却工质供应腔1连通，双孔端与第一冷却腔4连通，第二Y型射流孔8的单孔端与第一冷却腔4连通，双孔端与第二冷却腔9连通，Y型射流孔的斜孔倾角为30-60°，同一隔板上Y型射流孔的横向间距与孔径的比值为1.5-3.5，且第一Y型射流孔3和第二Y型射流孔8的孔径比D₁/D₂为1.2-1.8；第一冷却腔4和第二冷却腔9的传热表面上均匀布置有若干列顺排的球凸结构6，且球凸结构6的深径比δ/D_p为0.1-0.4，其相对流向间距P_l/D_p和相对横向间距P_w/D_p分别为1.2-2.5和1.5-3.5；第二冷却腔9的尾缘端壁上开设有若干气膜孔10，该气膜孔10的边界由两半圆和两直线组成，呈扁平结构。此外，第一Y型射流孔3和第二Y型射流孔8内可安装螺旋状纽带12，以产生螺旋射流。

参照图1至图4，该透平叶片尾缘冷却结构具有完整的冷却工质供应、回收系统。工质首先进入冷却工质供应腔1，然后通过第一隔板2上的Y型射流孔3进行加速，产生射流(若Y型射流孔内安装有螺旋状纽带12，则产生旋转射流)并对第一冷却腔4的两个传热面进行冲击冷却，之后以对流的形式经过均匀布置在传热面上的球凸结构6和贯穿第一冷却腔4的圆柱翅片5，破环流动边界层的发展并增强流体掺混，同时减少圆柱翅片5后缘附近的封闭涡，进而减小压损；随后冷却工质通过第二隔板7上的第二Y型射流孔8进入第二冷却腔9，进行冲击、对流冷却，且冷却效果在球凸-圆柱翅片组合结构的作用下得到显著增强，部分工质通过尾缘末端端壁上的气膜孔10流出，覆盖在尾缘外表面形成气膜，有效避免了尾缘与高温主流的直接接触，另一部分工质则通过出口段进行回收，冷却气膜量可以通过进出口工质流量来便捷地调控。

下面对数值计算结果进行对比和分析，以进一步阐释本技术发明的一系列优势。

参照图5，构建了带有倾斜射流孔13的尾缘冷却通道流体域三维模型，不同方向的倾斜射流孔相间排布在第一冷却腔4和第二冷却腔9的上游区域，且同排倾斜射流孔13的孔径大小相等；第一冷却腔4和第二冷却腔9中均匀布置了2×4的圆柱翅片5。

参照图6至图8，展示了进口雷诺数为15000时，三种不同尾缘冷却结构的壁面努塞尔数分布图，分别为带有倾斜射流孔13的尾缘通道(记为工况1)、带有Y型射流孔的尾缘通道(记为工况2)、带有Y型射流孔和球凸结构6的尾缘通道(记为工况3)。其中倾斜射流孔13与Y型射流孔的孔径大小相等，各工况均具有相同的整体通道结构以及圆柱翅片5布置方式。从图中可以看出，工况1(图6)中壁面努塞尔数分布不均匀，且高Nu集中在射流冲击区域，即两个冷却腔第一排翅片处，由于不同方向的倾斜射流孔相间排布，因此第一排翅片附近区域的Nu呈现弱-强-弱-强的分布特点，由此产生的传热不均匀性会造成该处较大的热应力。此外，两个冷却腔的外侧壁面附近和第二冷却腔靠近出口的端壁附近，均出现了较大的传热恶化区域；工况2(图7)中则呈现出明显不同的特点，由于Y型射流孔具有很高的冲击覆盖率，两个冷却腔中第一排翅片上游附近出现了大范围的高Nu区域，且Nu分布明显更为均匀，尤其对于第二冷却腔壁面来说，高Nu几乎占据了第一排翅片整个上游区域。该工况中也出现了较低的Nu，主要位于翅片后缘以及通道侧壁面附近，但相比工况1来说，低Nu面积明显减小；对于工况3(图8)来说，整体传热得到进一步提升，且高Nu区域得到大面积的覆盖，甚至延伸到了第二排翅片的上游区域，由于流动冲刷效应，各球凸前缘出现了高Nu区域，球凸结构不仅提高了传热性能，减小了传热死区，而且使得壁面Nu分布更加均匀，具有显著的传热优势。总体来看，相比于传统的倾斜射流孔来说，Y型射流孔能够均匀地覆盖壁面横向区域，显著提高尾缘壁面的传热均匀性，同时改善通流特性，提高传热水平，而球凸的应用则进一步提升了该有益效果，使得高Nu区域得到了有效扩展，明显减小了传热死区，提高了传热分布均匀性。

参照图9和图10，对15000和21000两个Re下工况1-3的传热和阻力特性进行了对比。其中图9展示了三个工况中四个关键传热区域的平均Nu，包括第一冷却腔壁面、第一冷却腔翅片表面、第二冷却腔壁面和第二冷却腔翅片表面。可以看出，同一Re下，三个工况中第二冷却腔的传热水平高于第一冷却腔，且第二冷却腔翅片表面具有最高的传热Nu；除了第一冷却腔壁面上工况2的传热略低于工况1之外，其余三个区域中工况2、3的Nu均明显高于工况1，且工况3的传热略高于工况2；随着Re的增大，四个区域的Nu均得到提升。上述结果表明，相比于倾斜射流孔来说，Y型射流孔能够带来更高的整体Nu，获得11.5％-27.9％的Nu提升效果，因而具有明显的传热优势，尤其对于第二冷却腔翅片表面，该传热优势更加显著。球凸的加入能够进一步扩大传热优势，其与Y型射流孔的组合具有更为明显的强化传热效果。图10展示了Re为15000和21000时，三个工况的平均范宁摩擦阻力，可以看出，工况2和3的阻力损失明显低于工况1，其中工况3的f略低于工况2；随着Re的增大，各工况的阻力损失均有一定程度的增加，但各工况间的相对关系保持不变，Y型射流孔和球凸结构的加入使得f减小了7.0％-11.2％，因此Y型射流孔及其与球凸的组合冷却技术具有减阻优势。

综上来看，Y型射流孔具有显著的高效、低阻特点，能够有效地强化传热、增大热通量、提高传热分布均匀性并减小阻力损失，并且球凸的应用进一步提高、扩大了上述优势，具有优秀的组合冷却效果。

Claims (7)

1.一种带有Y型射流孔的透平叶片尾缘冷却结构，其特征在于，该尾缘冷却结构整体为梯形结构，内部依次开设有冷却工质供应腔(1)、第一冷却腔(4)、第二冷却腔(9)和出口段(11)；其中，

冷却工质供应腔(1)和第一冷却腔(4)之间设置有第一隔板(2)，第一冷却腔(4)和第二冷却腔(9)之间设置有第二隔板(7)，第一隔板(2)开设有若干均匀布置的第一Y型射流孔(3)，第二隔板(7)上开设有若干均匀布置的第二Y型射流孔(8)；工作时，工质依次经冷却工质供应腔(1)和第一冷却腔(4)进入第二冷却腔(9)，换热后的工质通过与第二冷却腔(9)相连接的出口段(11)进行回收；

第一冷却腔(4)和第二冷却腔(9)内设有若干均匀布置的圆柱翅片(5)；

第一Y型射流孔(3)和第二Y型射流孔(8)内均安装有螺旋状纽带(12)，用以产生螺旋射流；

第一冷却腔(4)和第二冷却腔(9)的传热表面上均匀布置有若干列顺/错排的球凸结构(6)，且球凸结构(6)的深径比δ/D_p为0.1-0.4。

2.根据权利要求1所述的一种带有Y型射流孔的透平叶片尾缘冷却结构，其特征在于，第一冷却腔(4)和第二冷却腔(9)垂直于流向的横截面的宽高比W/H为3-8。

3.根据权利要求1所述的一种带有Y型射流孔的透平叶片尾缘冷却结构，其特征在于，同一隔板上Y型射流孔的横向间距与其孔径的比值为1.5-3.5。

4.根据权利要求1所述的一种带有Y型射流孔的透平叶片尾缘冷却结构，其特征在于，第一Y型射流孔(3)和第二Y型射流孔(8)的孔径比D₁/D₂均为1.2-1.8，斜孔倾角均为30-60°。

5.根据权利要求1所述的一种带有Y型射流孔的透平叶片尾缘冷却结构，其特征在于，第一Y型射流孔(3)的单孔端与冷却工质供应腔(1)连通，双孔端与第一冷却腔(4)连通，第二Y型射流孔(8)的单孔端与第一冷却腔(4)连通，双孔端与第二冷却腔(9)连通。

6.根据权利要求1所述的一种带有Y型射流孔的透平叶片尾缘冷却结构，其特征在于，第一冷却腔(4)和第二冷却腔(9)内球凸结构(6)的相对流向间距P_l/D_p和相对横向间距P_w/D_p分别为1.2-2.5和1.5-3.5。

7.根据权利要求1所述的一种带有Y型射流孔的透平叶片尾缘冷却结构，其特征在于，第二冷却腔(9)尾缘端壁上开设有若干气膜孔(10)，该气膜孔(10)的边界由两半圆和两直线组成，且呈扁平结构。

Images