CN100557199C - 一种适用于涡轮叶片等内冷部件中的渐宽型开槽交错肋通道 - Google Patents

Abstract

本发明是一种适用于涡轮叶片内部冷却结构，该冷却结构是一种槽宽w沿着通道入口(1)到出口(4)方向逐渐增大的开槽(5)交错肋通道。对于沿流向较长的交错肋通道，通道两侧具有最佳宽度微小通道时其内部流体流动阻力会下降、与流体间换热能力会提高。但是，最佳无肋通道的宽度w沿流体流动方向是渐增的。为了使通道各处都能具有最优综合换热效果，本发明设计出无肋槽宽w沿着通道入口(1)到出口(4)方向逐渐增大的开槽交错肋通道。本发明流体在通道内流动与换热的机理方面讲流动与换热均有全新改观，有利于实现涡轮叶片中部冷却结构的最优化设计。

Description

一种适用于涡轮叶片等内冷部件中的渐宽型开槽交错肋通道

技术领域

本发明是一种适用于涡轮叶片等内冷部件的冷却结构，该冷却结构是在交错肋通道的两侧壁面向中心方向开槽，开槽的宽度沿着通道入口到出口方向逐渐增大，形成渐宽的无肋槽道。

背景技术

在燃气涡轮发动机中的涡轮叶片紧挨着燃烧室，其所处环境温度局部高达2000K。为了改善燃气涡轮发动机的热效率，一般采用提高涡轮前温度，随之带来的是涡轮部件热负荷的增加。另外，涡轮叶片(工作叶片)在高转速下工作(转速可达15000rpm以上)，处于非常高的离心力场当中。在如此恶劣的工作环境中，要保证叶片正常、可靠、长期的工作，就必须对涡轮叶片进行有效的冷却，保持最佳的热应力状态。冷却的原则是使用最少的冷气量来保证叶片可靠工作。目前使用中的涡轮冷却叶片有很多种，其中以俄罗斯为代表的是多腔复合交错肋冷却通道。其通道上的交错肋一般为交错肋(请参见图1所示)。其结构参数一共有7个，分别为描述通道结构的通道宽度W、通道高度H、通道长度L，以及描述肋结构的肋高度e、肋宽度t、肋间距p以及肋倾角β。其结构见图3、图4、图5。一旦这些参数确定，则交错肋通道可以唯一确定。当肋高e＝H/2时，上下两列肋片相接触，此时整个通道被肋片分割成许多小的网格(7)，这是交错肋通道中的一种特殊形式，同时也被称作为网格通道(Latticework Channel)。上下交错的肋片形成许多副通道(6)，冷却气流流入网格通道后，将沿着各副通道(6)流动，在流至通道侧壁时则会发生2β的偏转，进而在通道内不断翻折，这样一来增加了冷却气体在通道内的流动距离，而且由于在侧壁气流发生大的翻折，形成的二次流可以对换热起到增强作用。图2给出了交错肋通道内部空气的流动情况。再者，由于通道被划分为很多小的网格(7)，气流除了按照上述规律流动外，势必会在各网格(7)之间发生掺混，这样形成的不规则二次流也有助于破坏覆面层，增强换热效果。此外，大量的肋片也增加了通道内的换热面积，这对于通道内部的换热效果也起着积极的作用。

可见这种结构的冷却使叶片冷却效果好，热载荷小，温度分布均匀，热应力小。但是该结构的不足也非常明显如压力损失比较大，冷气利用率不高等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于涡轮叶片等内冷部件的冷却结构，该冷却结构强调的是在开槽交错肋通道中槽宽由通道进口到出口逐渐增加的结构形式，以实现通道内流动与换热效果的处处最佳优化。

针对交错肋通道换热强的优点和流动阻力大的缺点，研究表明在通道两侧开无肋的光滑通道(3)(5)(见图6、7和10)可以大大降低流组，此时斜肋(2)和通道端壁面(8)之间有一流体流动槽道(3)(5)，因为两侧的光滑通道内也可以流出流体同时此间流体会和副通道(6)(见图7)内流体产生相互作用，而且在通道宽度w选择合适时还可以强化通道内的换热，此举可大大增强通道的综合效果，结构见图6、图8、图9、图10和图11。但是，研究发现沿流动方向最佳的开槽宽度w是渐增的，结构见图5--7。所以，为了得到最优的综合换热与流动效果，最优的冷却结构设计为槽道(3)沿流向渐宽的。

本发明用于涡轮叶片中间部分和尾缘的内部交错肋冷却结构，高H宽W冷却通道的冷却腔被高e宽t倾斜角为β和-β的两组交错肋(2)分隔成多个小的副流体通道(6)，其中e为H的一半，冷却通道两侧具有无肋槽道(5)，本发明其新特征在于：冷却通道两侧具有沿流体流动方向渐宽的无肋槽道(3)，沿通道进口(1)到出口(2)方向槽宽逐渐增加的开槽交错肋通道，进口部分(1)的槽道宽度w和交错肋通道宽度W之比w/W为0.75/70到1.25/70之间，沿流向此值线性增加，到出口处(4)w/W值为2/70到4/70之间，对于沿流向长度L/W大于1.0的交错肋通道进口(1)处取0.75/70到1.0/70较小值、出口(4)处的值取3/70到4/70，对于沿流向长度L/W小于1.0的交错肋通道进口(1)处取1.0/70到1.27/70较大值、出口(4)处的值取2/70到3/70。

本发明的优点在于：1)通道两侧都具有了无肋的槽道，改变了传统交错肋通道内流体流动的结构形式，起到了强化换热减小流动阻力的效果；2)沿流体流动方向，处处的无肋光滑槽宽度w均为能实现当地最优冷却效果的数值，实现高效率的涡轮叶片内部冷却结构；3)通道各处换热均匀性进一步优化，有利于减小涡轮叶片的热应力。

附图说明

图1交错肋通道结构示意图

图2交错肋通道内部流动情况示意图

图3半边交错肋通道结构示意图

图4交错肋通道参数表示1

图5交错肋通道参数表示2

图6交错肋通道两侧开槽道示意图

图7渐宽型槽道开槽交错肋通道的剖视结构图

图8渐宽型槽道开槽交错肋通道的实体结构1

图9渐宽型槽道开槽交错肋通道的实体结构2

图10直开槽交错肋通道的剖视结构图

图11直槽道开槽交错肋通道的实体结构1

图12直槽道开槽交错肋通道的实体结构2

图中：    1，通道进口   2，斜肋         3.渐扩型槽道  4，通道出口5.等槽宽槽道  6.副气流通道  7.斜肋形成格子  8.通道端壁面  w.槽道宽度P.两肋间距    t.肋宽度      β.肋倾角       e.肋高度      L.流向通道长度H.通道高度    W.通道宽度

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是经过简化模型实验和三维数值模拟研究其换热和流阻特性而得来的结论，实验和数值研究直开槽(5)交错肋通道的换热和流阻特性随槽宽w的变化关系时发现的这一规律。研究结果表明随着槽宽w的增大通道的阻力系数是一直减小的。开槽使通道换热效果的增加主要集中在流体流动的前半段，不同槽宽w对通道后半段的影响差别不大。因此，可以考虑在通道的前半段选取换热效果最好时所对应的槽宽w，较小值。通道后半段可以在换热效率减小的不多的情况下，适当增大槽宽w，这样有利于减小通道的流动阻力。

等槽宽w开槽交错肋通道(如图8--11所示)。对于未开槽交错肋通道而言，冷却空气在通道(6)中流动，在通道端壁面(8)处气流会发生折转进入下一个副通道(6)中。对开槽道(5)交错肋通道，冷却空气在通道(6)中的流动，不在局限于折转到相连的副通道中，也可以经过槽道(5)直接流出，也可以通过槽道(5)折转到其它的副通道(6)中，流动情况更加多样，副通道(6)之间流动的相互影响加大，使两侧壁面区域的流动比开槽前更加复杂，有利于能量及时输运出去，增强了对流换热，同时流动阻力有所减小。但这种结构的综合换热效率并不是最好的。

进一步改进后，开槽交错肋通道(如图5--7所示)，即从通道进口(1)到出口(4)槽宽w逐渐增大的槽道(3)，沿通道进口(1)到出口(4)方向槽宽逐渐增加的开槽交错肋通道，进口部分其槽道宽度w和交错肋通道宽度W之比w/W为0.75/70到1.25/70之间，沿流向此值线性增加，到出口处w/W值为2/70到4/70之间，对于沿流向长度较大的交错肋通道进口处取较小值、出口处的值取较大值，对于沿流向长度较小的交错肋通道进口处取较大值、出口处的值取较小值。通道内流动阻力得到了最大降低，约百分之四十，特别是在通道沿流动方向的靠后部分；换热能力得到大副提高，约百分之二十，特别是通道进口部分。本发明从传热学角度讲，使整体热应力分布更均匀，压力损失也远低于原交错肋的冷却叶片，综合换热与流动指标提高百分之三十以上。

Claims (2)

1、一种用于高压涡轮叶片中间部分和尾缘的内部交错肋冷却结构，高H宽W冷却通道的冷却腔被高e宽t倾斜角为β和-β的两组交错肋(2)分隔成多个小的副流体通道(6)，其中e为H的一半，冷却通道两侧具有无肋槽道(5)，其特征在于：冷却通道为两侧具有沿流体流动方向渐宽的无肋槽道(3)，通道内的交错肋(2)和通道端壁之间有一段距离，沿通道进口部分(1)到出口部分(4)方向槽宽逐渐增加的开槽交错肋通道，进口部分(1)的槽道宽度w和冷却通道宽度W之比w/W为0.75/70到1.25/70之间，沿流向此值线性增加，到出口部分(4)w/W值为2/70到4/70之间。

2、根据权利要求1所述的冷却结构，其中：对于沿通道流向长度L与冷却通道宽度W的比值L/W大于1.0的开槽交错肋通道，通道进口部分(1)处w/W的值取0.75/70到1.0/70之间、出口部分(4)处w/W的值取3/70到4/70之间，对于沿通道流向长度L与冷却通道宽度W的比值L/W小于1.0的开槽交错肋通道，通道进口部分(1)处w/W的值取1.0/70到1.25/70之间、出口部分(4)处w/W的值取2/70到3/70之间。

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