CN101779001B - 燃气轮机的叶片冷却结构 - Google Patents

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Abstract

提供了一种燃气轮机的叶片冷却结构，其中，冷却介质的压力损失减小而不降低热传递系数。该叶片冷却结构包括：冷却通道(15)，用于使冷却介质(A)从可动叶片(11)的近端(12)朝向叶片部分(14)流动；多个紊流器(21)，相对于冷却介质(A)的流动方向倾斜地设置在冷却通道(15)彼此相对的两个壁表面上；和多个凹部(22)，形成在沿冷却空气(A)的流动方向的中心位置(O)的下游区域(N)中且在相邻紊流器(21)之间的冷却通道(15)的壁表面上。

Description

燃气轮机的叶片冷却结构
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机(gas turbine)的叶片冷却结构。
背景技术
许多燃气轮机用于从诸如发电这样的普通工业到诸如直升机这样的航空领域的各种应用。在燃气轮机中，动力通常通过喷射气态燃料获得，该气态燃料由压缩机以高温压缩，在燃烧缸内燃烧燃料，由此产生燃烧气体、由静叶片对燃烧气体整流并将其引导到动叶片，由此使涡轮旋转。近年，燃气轮机要求高输出和高效率，而引导到静叶片和动叶片的燃烧气体的温度趋于变得更高。
但是，暴露至燃烧气体的相应构件(包括静叶片和动叶片)的耐热性能受到它们的材料的限制。由此，如果仅仅通过提高燃烧气体的温度而获得高输出和高效率，可导致诸如静叶片和动叶片这样的相应构件的强度降低。在这些条件下，通常的做法是设置冷却通道，用于在静叶片和动叶片的每个的内部流通有诸如空气或蒸汽的冷却介质。通过这样做，可尝试确保耐热性并冷却静叶片和动叶片，且获得燃烧气体的高温，由此增加输出和效率。
用于增加热传递系数的紊流器(turbulator)设置在上述冷却通道中。这些紊流器设置为多级，它们相对于冷却通道的延伸方向倾斜一预定角度，即，设置为交叉冷却介质的流动方向，由此使得流入冷却通道的冷却介质形成紊流，并形成沿紊流器行进的二次流。通过紊流器的作用，与冷却通道的壁表面进行热交换的量增加，以增加热传递系数并高效地执行叶片的冷却。
燃气轮机的如此传统叶片冷却结构例如在专利文献1中披露。
专利文献1：JP-A-2005-147132
发明内容
本发明要解决的问题
但是，对于燃气轮机的传统叶片冷却结构，冷却介质存在压力损失的可能性，因为除了紊流器之外，销或凹部也设置在冷却通道中，以便进一步增加热传递系数。换句话说，通过设置销或凹部，可以增强热传递，但没有任何措施来防止冷却介质的压力损失。因为冷却介质的压力损失通过它们的设置而增加，叶片的冷却性能可下降。
因此在设置燃气轮机的装备有紊流器的叶片冷却结构时，应采取矫正性措施来实现矛盾的作用，即，增加热传递系数和减小压力损失。考虑到上述两种作用，优化冷却元件的设置是必要的，诸如紊流器和凹部。
本发明可获得对上述问题的解决方式。本发明的目的是提供一种燃气轮机的叶片冷却结构，其可减小冷却介质的压力损失，而不降低热传递系数。
用于解决问题的技术方案
根据用于解决上述问题的本发明第一方面，燃气轮机的叶片冷却结构包括：
冷却通道，用于使冷却介质从叶片的近端朝向前端流动；
多个紊流器，以相对于冷却介质的流动方向倾斜的方式设置在冷却通道彼此相对的两个壁表面上；和
多个凹部，形成在一位置下游的区域中，该位置沿冷却空气的流动方向从上游侧间隔开相邻紊流器之间的冷却通道的壁表面的长度的大致五分之二。
根据用于解决上述问题的本发明第二方面，燃气轮机的叶片冷却结构是根据第一方面的燃气轮机的叶片冷却结构，其中
凹部形成在当冷却介质与紊流器碰撞时有二次流形成的流动区域中。
本发明的作用
根据本发明的第一方面，燃气轮机的叶片冷却结构包括：冷却通道，用于使冷却介质从叶片的近端朝向前端流动；多个紊流器，以相对于冷却介质的流动方向倾斜的方式设置在冷却通道彼此相对的两个壁表面上；和多个凹部，形成在一位置下游的区域中，该位置沿冷却空气的流动方向从上游侧间隔开相邻紊流器之间的冷却通道的壁表面的长度的大致五分之二。由此，可以减小冷却介质的压力损失，而不减小热传递系数。
根据本发明的第二方面，燃气轮机的叶片冷却结构是根据第一方面的燃气轮机的叶片冷却结构，其中凹部形成在当冷却介质与紊流器碰撞时有二次流形成的流动区域中。由此，可使二次流容易地形成涡流。
附图说明
图1是根据本发明实施例的燃气轮机的装备有叶片冷却结构的燃气轮机动叶片的纵向截面视图；
图2是沿图1的线I-I的箭头方向截取的截面图；
图3是冷却通道的示意图；
图4(a)至4(c)：图4(a)是作为根据本发明实施例的燃气轮机的叶片冷却结构的基础的结构的示意图，并且还显示了该基础结构在冷却期间的温度分布的示意图，图4(b)是根据本发明实施例的燃气轮机的叶片冷却结构的示意图，并且还显示了该结构在冷却期间的温度分布的示意图，图4(c)是根据本发明另一实施例的燃气轮机的叶片冷却结构的示意图，并且还显示了该结构在冷却期间的温度分布的示意图；
图5是显示了图4(a)至4(c)中的相应结构的热传递系数的图表；
图6是显示了图4(a)至4(c)中的相应结构的压力损失的图表。
附图标记说明
11   动叶片
12   近端部分
13   支承部
14   叶片部分
15   冷却通道
18   背侧壁部分
19   腹侧壁部分
20   间隔壁
21   紊流器
22   凹部
G    燃烧气体
A    冷却空气
a    二次流
α   角
P    节距
e    突出量
W   宽度
H   高度
O   中心位置
M   上游区域
N   下游区域
具体实施方式
将基于所附附图详细描述根据本发明的燃气轮机的叶片冷却结构。图1是根据本发明实施例的燃气轮机的装备有叶片冷却结构的燃气轮机动叶片的纵向截面视图。图2是沿图1的线I-I的箭头方向截取的截面图。图3是冷却通道的示意图。图4(a)是作为根据本发明实施例的燃气轮机的叶片冷却结构的基础的结构的示意图，并且还显示了该基础结构在冷却期间的温度分布的示意图。图4(b)是根据本发明实施例的燃气轮机的叶片冷却结构的示意图，并且还显示了该结构在冷却期间的温度分布的示意图。图4(c)是根据本发明另一实施例的燃气轮机的叶片冷却结构的示意图，并且还显示了该结构在冷却期间的温度分布的示意图。图5是显示了图4(a)至4(c)中的相应结构的热传递系数的图表。图6是显示了图4(a)至4(c)中的相应结构的压力损失的图表。
图1至3所示的动叶片11由可旋转地设置在燃气轮机(未示出)中的转子支承。从燃烧器引入到涡轮的高温高压燃烧气体G从前边缘侧供应，由此，动叶片绕转子旋转。
动叶片11包括由转子支承的近端部分12，和与近端部分12经由支承部13一体形成的叶片部分14。动叶片11的内部设置有冷却通道15，该冷却通道从近端部分12延伸到叶片部分14且包括彼此连通的三个通道。
冷却通道15具有入口16和出口17，该入口与形成在转子内的流体通道(未示出)连通并供应冷却空气A，该出口在叶片部分14的前端开口。冷却通道15的整个长度由构成叶片部分14的背侧壁部分18、腹侧壁部分19和间隔壁20形成。冷却通道15沿宽度方向的长度形成为W，冷却通道15沿高度方向的长度形成为H。
在冷却通道15的背侧壁部分18和腹侧壁部分19的两个壁表面上，多个紊流器21沿冷却通道15的延伸方向(沿冷却空气A的流动方向)以相等节距P设置为多级。该紊流器21从冷却通道15的壁表面突出一预定突出量(高度)，e，且延伸通过冷却通道15的宽度W，并相对于冷却通道15的延伸方向形成预定角度α。这意味着，紊流器21设置为交叉冷却空气A的流动方向。
多个圆形凹部22设置在冷却通道15的壁表面上。这些凹部22形成在相邻紊流器21之间的冷却通道15的壁表面上沿流动方向(冷却通道15的延伸方向)的中心位置O(即，节距P的中心位置O)下游的区域N中(该区域N此后将称为下游区域N)。中心位置O上游的区域将称为M(该区域将在此后称为上游区域M)。
因此，通过赋予上述特征，从转子内的流体通道引入冷却通道15的入口16中的冷却空气A朝向叶片部分14流动，在叶片部分14的前端转向，并朝向近端部分12流动。然后，冷却空气A在支承部13附近再次转向，朝向叶片部分14流动并从出口17离开。然后，冷却空气A与沿动叶片11的外周边缘流动的燃烧气体汇合。如在此所示，冷却空气A流动通过冷却通道15，由此其与冷却通道15的壁表面进行热交换，以冷却动叶片11。
当冷却空气A流动通过冷却通道15，如以上所述，冷却空气A与每个紊流器21碰撞。在冷却空气A与紊流器21碰撞时，涡流(涡旋的流)在紊流器21的下游侧形成，流动以便沿紊流器21的延伸方向行进的二次流a形成在紊流器21之间。即，二次流a以一方式流动，该方式是在冷却空气A的涡流形成的下游侧区域处交叉冷却空气A的流动方向。二次流a以比作为主流的冷却空气A流的流速慢的流速流动，并且以较低的流动速度行进。该二次流a行进过凹部22，从而涡流通过凹部22的凹进形成，由此也对二次流a扰动。结果，与冷却通道15的壁表面的热交换量增加，由此流动通过冷却通道15的冷却空气A和二次流a的热传递系数增加。
接下来，将利用图4(a)至4(c)至图6解释根据本发明的燃气轮机的上述叶片冷却结构的热传递系数和压力损失。具体地，这些结构的节距P阶梯式地变化(P1＜P2＜P3)，且角度α、冷却通道15的宽度W和高度H以及紊流器21的突出量e保持恒定，这些结构如图4(a)至4(c)所示。每个这些结构的热传递系数和压力损失如图5和6所示，用于比较研究。
如图4(a)所示的结构具有紊流器21，其沿冷却通道15的延伸方向以相等节距P1设置为多级。中心位置O1位于节距P1的中心，该中心位置O1上游的区域为上游区域M1，中心位置O1下游的区域为下游区域N1。在该构造中冷却期间的冷却通道15的壁表面上的温度分布显示出从中心位置O1向外逐渐变高的温度分布。这意味着由紊流器21产生的冷却空气A的涡流出现在上游区域M1中并发展到中心位置O1中。
如图4(b)所示的结构是这种结构，其中紊流器21沿冷却通道15的延伸方向以相等节距P2设置为多级，且多个凹部22设置在节距P2的中心位置O2下游的下游区域N2中。中心位置O2的上游侧为上游区域M2。在该构造中冷却期间的冷却通道15的壁表面上的温度分布显示出这样的温度分布：大致从上游区域M2的中心朝向外侧逐渐变高且大致从下游区域N2的中心朝向外侧逐渐变高。这意味着由紊流器21产生的冷却空气A的涡流出现在上游区域M2中，且由凹部22产生的二次流的涡流出现在下游区域N2中。
如图4(c)所示的结构是这种结构，其中紊流器21沿冷却通道15的延伸方向以相等节距P3设置为多级，且多个凹部22设置在节距P3的中心位置O3下游的下游区域N3中。中心位置O3的上游侧为上游区域M3。在该构造中冷却期间的冷却通道15的壁表面上的温度分布显示出这样的温度分布：大致从上游区域M3的中心朝向外侧逐渐变高且大致从下游区域N3的中心朝向外侧逐渐变高。这意味着由紊流器21产生的冷却空气A的涡流出现在上游区域M3中，且由凹部22产生的二次流的涡流出现在下游区域N3中。
图4(a)至4(c)中的相应结构的热传递系数在图5中示出。图5显示了表面上的平均热传递系数。如果具有图4(a)的结构的热传递系数被取为参考值(＝1.0)，可发现该热传递系数基本等于图4(b)和4(c)中的结构的热传递系数。即，图4(a)至4(b)的结构的温度分布相对于中心位置O1、O2、O3在上游侧到下游侧几乎对称。由此，热传递系数在任何结构中均未改变。即使节距P变长，可以保持几乎一致的热传递系数，因为通过将凹部22设置在存在二次流的下游区域N1、N2、N3中，在相邻紊流器21之间的冷却通道15的壁表面可以保持在几乎恒定的温度。
考虑没有形成凹部22的情况，如图4(a)的结构那样。通过这样的结构，发生二次流a，但这些二次流a以比形成主流的冷却空气A流速慢的流速流动，并且低的流动速度行进。由此，与冷却通道15的壁表面的热交换量较小，从而下游区域N1的热传递系数降低。因而，相邻紊流器21之间的冷却通道15的壁表面上的热传递系数变得非一致。
接下来，将参考图6研究图4(a)至4(c)中的相应结构的压力损失。如果图4(a)的结构的压力损失被取为参考值(＝1.0)，可发现图4(b)的结构的压力损失大约为0.8，图4(c)中的结构的压力损失大约为0.6。即，节距P越长，压力损失越小。即使形成凹部22，这些凹部22形成在下游区域N2、N3中，在该区域中存在低的流速和低的流动速度的二次流。由此，压力损失的增加可以被避免。
因此，根据本发明所关注的燃气轮机的叶片冷却结构，凹部22设置在存在二次流a的区域中，从而可使二次流a被迫形成涡流。因而，紊流器21的节距P变长，由此压力损失可以被减小，且不减小热传递系数。
在本实施例中，凹部22形成在相邻紊流器21之间的冷却通道15的壁表面上的中心位置O的下游。但是，考虑到二次流a的流动区域宽度的偏差(leeway)，凹部22可形成在一位置下游的区域中，该位置沿冷却空气A的流动方向从上游侧间隔相邻紊流器21之间的冷却通道15的壁表面的长度的大致五分之二。此外，凹部22定位在上述“五分之二”位置的下游处是足够的，凹部22的数量、位置、形状和深度在本发明中并不受限。此外，凹部22的数量、位置、形状和深度可根据二次流a的流速和速度改变，由此将热传递系数设置为期望值。
此外，本发明关注的燃气轮机的叶片冷却结构也可应用于燃气轮机静叶片。
工业应用
本发明可应用于意图增加冷却介质的热传递系数的冷却设备。

Claims (1)

1.一种燃气轮机的叶片冷却结构，包括：
冷却通道，用于使冷却介质从叶片的近端朝向前端流动；
多个紊流器，以相对于冷却介质的流动方向倾斜的方式设置在冷却通道彼此相对的两个壁表面上；和
设置在相邻紊流器之间的冷却通道的壁表面上的多个凹部，该多个凹部形成在当冷却介质与紊流器碰撞时有二次流形成的流动区域中，且所述多个凹部不是形成在相邻紊流器之间的冷却通道的整个壁表面上。
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