CN110714802B - 一种适用于高温涡轮叶片内部冷却的间断型交错肋结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于高温涡轮叶片内部冷却的间断型交错肋结构，包括冷却通道和交错肋片，交错肋放置于冷却通道中，其中交错肋的高度为冷却通道的一半，从而使上下壁面的肋片发生接触并将整个通道分割成若干个网格式子通道，并且沿着流体流动方向开设1～4个间断区域，所有间断区域的宽度沿流向是不变的。相较于传统交错肋，本发明保留了网格式子通道以及折转角等结构，通过开设间断区域又降低了流体的流动阻力，减小了冷却气体的使用量，提高了综合热效率，从而提高了燃气轮机的效率和功率等优点。本发明既可以用于高温涡轮静叶，也可以用于高温涡轮动叶。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机涡轮叶片冷却技术，尤其涉及一种适用于高温涡轮叶片内部冷却的间断型交错肋结构。
背景技术
燃气轮机是一种将化学能转化为内能再转化成机械能做工的动力机械，具有质量小、结构紧凑和动力输出高等优点，已经被广泛应用于航空工业、地面发电和舰船动力等许多领域，在交通运输、工业生产和军事装备等方面都扮演这不可或缺的重要角色，被誉为现代工业“皇冠上的明珠”，是一个国家综合国力、科技水平和工业基础的集中体现。为了解决长期制约燃气轮机以及航空发动机工业发展的瓶颈问题，促进燃气轮机以及航空发动机的发展，我国在2016年正式成立了航空发动机及燃气轮机重大专项(“两机”专项)。
涡轮叶片冷却在现代燃气轮机设计中起着及其重要的作用，由布雷顿循环可知，燃气轮机的热效率和输出功率随着燃气初温的升高而提高。研究表明，涡轮进口温度每提高55K，燃气轮机的推力平均可提高10％。在过去的几十年里，为了满足对功率和效率的日益增长的需求，涡轮的进口温度逐年提高，目前先进燃气轮机的燃气初温可达1800K以上，军用航空发动机更是达到了2100K，这将会导致涡轮叶片的工作环境及其恶劣，因此涡轮叶片能否安全可靠的工作对于燃气轮机的运行十分重要。
先进燃气轮机高温涡轮的入口温度已经远超材料的耐温极限，且这一差距正在逐渐拉大，研究表明，涡轮前温度平均每年提高22K，而材料的可承受温度平均每年提高8K。因此为了保证燃气轮机安全、高效和长期运行，高效的涡轮冷却和热防护技术至关重要。目前燃气轮机高温涡轮叶片一般采用压气机引气进行冷却，基本形成了内部冷却、外部冷却及表面隔热涂层组成的综合冷却方案。由于冷却气体是来自压气机的压缩空气，因此人们希望从压气机中抽取尽量少的冷气用来满足冷却需求，从而减少能量的损失，提高燃气轮机效率。
交错肋是一种特殊的内部强化换热扰流肋结构，这种结构首先由苏联设计并使用，其流动换热机理和设计思路与普遍采用的蛇形通道及柱肋通道差别较大。上下两层肋片相互接触将整个通道分割成若干个网格式子通道，通道中的流体只能沿其中的子通道或子通道间的网格流动。气流进入通道之后沿着各个子通道流动，当到达通道折转角后碰壁翻转，在通道内蜿蜒流动增加了气流在通道内流动的距离，同时，由于气流折转角的偏转产生冲击和扰动，气流的湍流度增大，换热系数也会增大；另一方面，众多肋片的加入使得实际的有效换热面积大大增加，因此交错肋通道的换热量相对于光滑通道和常规肋通道要大得多。此外，气流在通道内部除了沿着各个子通道流动之外，同时还会再各个网格之间不规则流动，由此带来的掺混和扰动破坏了附面层的形成和发展，并且产生的强烈的二次流也有利于强化换热。但是交错肋通道在增大换热量的同时，也会增大通道的流动阻力，使压力损失增大。因此，需要对交错肋的高效低阻组织方法进行深入研究从而提高交错肋通道的气热设计水平。
发明内容
本发明的目的是为了增强涡轮叶片的换热性能、降低压力损失、提高综合热效率而提供一种适用于高温涡轮叶片内部冷却的间断型交错肋结构。
本发明的目的是这样实现的：在叶片内部的冷却通道内设置交错肋片，交错肋片由两层交错布置的肋片构成，交错肋片将叶片内部分割成网格流道，在交错肋片上设置有至少一个间断区域，且间断区域沿着气流方向设置。本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述间断区域的数量为一个或两个，且靠近叶片侧面壁面设置。
2.所述间断区域的长度为l，冷却通道的长度为L，满足：0.5L≤l≤L。
3.所述间断区域的宽度为w，冷却通道的宽度为W，满足：0.015W≤w≤0.125W。
4.在间断区域端面上的交错肋片上设置有转折角。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的间断型交错肋保留了传统交错肋的网格式子通道以及折转角等结构；相较于传统的交错肋，通过开设间断区域降低了流体的流动阻力，减小了冷却气体的使用量，提高了综合热效率，因此提高了燃气轮机的效率和功率。
附图说明
图1是本发明实施例1的去除顶部壁面后的结构示意图；
图2是本发明实施例1的去除顶部壁面后的俯视图；
图3是本发明实施例1的去除顶部壁面后的左视图；
图4是本发明实施例2的去除顶部壁面后的结构示意图；
图5是本发明实施例3的去除顶部壁面后的结构示意图；
图6是本发明实施例4的去除顶部壁面后的结构示意图。
图中：1.左侧壁面，2.右侧壁面，3.底部壁面，4.间断区域，5.肋片，6.网格式子通道，7.折转角，L.冷却通道内部流向长度，l.间断区域流向长度，W.冷却通道内部宽度，w.间断区域宽度，H.冷却通道内部高度，h.肋片高度。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明一种适用于高温涡轮叶片内部冷却的间断型交错肋结构，该结构包括内部尺寸为长L宽W高H的冷却通道和高h为H/2的交错肋片，所述交错肋放置在所述冷却通道中，其特征在于，所述交错肋沿着气体流动方向间断也即所述交错肋沿着气体流动方向开设间断区域。所述间断区域的宽度沿流向是不变的。所述的间断区域的数量为1～4个。所述的间断区域的长度l为0.5～1L。所述的间断区域的宽度w为0.015～0.125W。间断区域如为三个或四个可以在靠近两侧壁面分别设置一间断区域，其余的一个或者两个间断区域等间距设置在上述两个区域之间即可。
下面结合附图给出本发明的实施例：
实施例1：
结合图1-3，本实施例提供了一种适用于高温涡轮叶片内部冷却的间断型交错肋结构，包括冷却通道和交错肋片，肋片5在冷却通道中交错布置两层，将整个冷却通道分割成若干个网格式子通道6，在靠近左侧壁面1和右侧壁面2处开设2个间断区域4，间断区域4贯通整个冷却通道，冷却气体从入口进入冷却通道后，一部分流入间断区域4，另一部分则沿肋片流入子通道6，流入间断区域4的绝大部分冷却气体在与周围的壁面以及肋片5接触换热以及子通道6中的冷却气体进行掺混后直接流出冷却通道，没有与壁面及肋片产生强烈的冲击作用，因此流动阻力远低于未间断的交错肋结构，同时换热能力下降不大，而另一部分冷却气体则沿着子通道6蜿蜒流动，或者在子通道6间的网格流动，当到达折转角7后碰壁翻转在下游产生纵向涡增强换热，保留了传统交错肋换热能力强的特点，总体来说，开设间断区域4有利于降低流动阻力，保留换热能力，提高综合热效率。
实施例2：
结合图4，本实施例提供了一种适用于高温涡轮叶片内部冷却的间断型交错肋结构，包括冷却通道和交错肋片，肋片5在冷却通道中交错布置两层，将整个冷却通道分割成若干个网格式子通道6，在靠近右侧壁面2处开设1个间断区域4，间断区域4贯通整个冷却通道，冷却气体从入口进入冷却通道后，一部分流入间断区域4，另一部分则沿肋片流入子通道6，流入间断区域4的绝大部分冷却气体在与周围的壁面以及肋片5接触换热以及子通道6中的冷却气体进行掺混后直接流出冷却通道，没有与壁面及肋片产生强烈的冲击作用，因此流动阻力远低于未间断的交错肋结构，同时换热能力下降不大，而另一部分冷却气体则沿着子通道6蜿蜒流动，或者在子通道6间的网格流动，当到达折转角7后碰壁翻转在下游产生纵向涡增强换热，保留了传统交错肋换热能力强的特点，总体来说，开设间断区域4有利于降低流动阻力，保留换热能力，提高综合热效率。
实施例3：
结合图5，本实施例提供了一种适用于高温涡轮叶片内部冷却的间断型交错肋结构，包括冷却通道和交错肋片，肋片5在冷却通道中交错布置两层，将整个冷却通道分割成若干个网格式子通道6，在靠近右侧壁面2处开设1个间断区域4，间断区域4的长度l小于冷却通道内部长度L，冷却气体先在入口处沿着肋片5在子通道6中流动，经过一段流程才能流入间断区域4，流入间断区域4的冷却气体既可以沿间断区域流出，也可以通过间断区域4流入到其他子通道6中，增强了流动的复杂性，总体来说，开设间断区域4有利于降低流动阻力，保留换热能力，提高综合热效率。
实施例4：
结合图6，本实施例提供了一种适用于高温涡轮叶片内部冷却的间断型交错肋结构，包括冷却通道和交错肋片，肋片5在冷却通道中交错布置两层，将整个冷却通道分割成若干个网格式子通道6，在靠近左侧壁面1和右侧壁面2处开设2个间断区域4，间断区域4的长度l小于冷却通道内部长度L，冷却气体先在入口处沿着肋片5在子通道6中流动，经过一段流程才能流入间断区域4，流入间断区域4的冷却气体既可以沿间断区域流出，也可以通过间断区域4流入到其他子通道6中，增强了流动的复杂性，总体来说，开设间断区域4有利于降低流动阻力，保留换热能力，提高综合热效率。
综上，本发明的目的在于提供一种适用于高温涡轮叶片内部冷却的间断型交错肋结构，包括冷却通道和交错肋片，交错肋放置于冷却通道中，其中交错肋的高度为冷却通道的一半，从而使上下壁面的肋片发生接触并将整个通道分割成若干个网格式子通道，并且沿着流体流动方向开设1～4个间断区域，所有间断区域的宽度沿流向是不变的。相较于传统交错肋，本发明保留了网格式子通道以及折转角等结构，通过开设间断区域又降低了流体的流动阻力，减小了冷却气体的使用量，提高了综合热效率，从而提高了燃气轮机的效率和功率等优点。本发明既可以用于高温涡轮静叶，也可以用于高温涡轮动叶。
Claims (2)
1.一种适用于高温涡轮叶片内部冷却的间断型交错肋结构，其特征在于：在叶片内部的冷却通道内设置交错肋片，交错肋片由两层交错布置的肋片构成，交错肋片将叶片内部分割成网格流道，在交错肋片上设置有至少一个间断区域，且间断区域沿着气流方向设置；且间断区域靠近叶片侧面壁面设置；所述间断区域的长度为l，冷却通道的长度为L，满足：0.5L≤l≤L；所述间断区域的宽度为w，冷却通道的宽度为W，满足：0.015W≤w≤0.125W。
2.根据权利要求1所述的一种适用于高温涡轮叶片内部冷却的间断型交错肋结构，其特征在于：在间断区域端面上的交错肋片上设置有转折角。
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