CN102979583B - 用于燃气轮机涡轮叶片的分离式柱肋冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于燃气轮机涡轮叶片的分离式柱肋冷却结构，包括叶片内部冷却流道和多个分离式柱肋，该叶片内部冷却流道由叶片的压力侧壁面和吸力侧壁面围构而成，该多个分离式柱肋设置于叶片内部冷却流道之中，并且在压力侧壁面与吸力侧壁面之间形成阵列布置，该分离式柱肋的两端分别与压力侧壁面和吸力侧壁面固定相连，所述分离式柱肋上沿气流流动方向开设有贯通的纵向缝隙。本发明提高了对涡轮叶片的冷却性能，并为叶片内部冷却流道提供了充分的强度支撑，同时大幅度下降了对空气的流动阻力，可用于燃气轮机涡轮叶片的中部或尾缘。

Description

用于燃气轮机涡轮叶片的分离式柱肋冷却结构

技术领域

本发明涉及燃气轮机涡轮叶片的内部结构，具体的说，涉及一种用于燃气轮机涡轮叶片的分离式柱肋冷却结构，属于发动机技术领域。

背景技术

提高涡轮前燃气温度，进而提高燃气轮机能量转换的总效率是现代燃气轮机发展的一个主要技术手段。现代燃气轮机涡轮前燃气的温度已超过所用材料的熔化温度，因此伴随着涡轮入口燃气温度的再提高，迫切需要采用更加高效、更加先进的冷却技术以保证燃气轮机涡轮叶片等高温部件内的温度水平，以及控制温度梯度在合理的范围内，来保证燃气轮机正常工作以及具有足够的寿命周期。另外，提高了冷却技术意味着可以减少冷却流体的使用量，因此使得更多的气流参与燃气轮机做功，从而提高燃气轮机的整体工作效率。

现有的涡轮叶片通常为中空结构，并具有多个内部冷却流道，这些内部冷却流道由叶片的压力侧壁面和吸力侧壁面以及分立的各隔离壁所限定。冷却流体在内部冷却流道内流动，以冷却涡轮叶片。经对现有技术文献的检索发现，(美)韩介勤、桑地普.杜达和斯瑞纳斯.艾卡德在《燃气轮机传热和冷却技术》(程代京等译，西安交通大学出版社，2005)中提出：目前，叶片中弦区域内部使用内壁面上带肋片湍流器的U形冷却通道，而在叶片后缘区域由于空间的限制和结构的整体性要求使用带短柱肋的通道(第15页)；柱肋大都用在狭窄的叶片后缘，在那里由于制造上的限制，冲击和装肋片通道都容纳不下，柱肋在低宽高比通道中能更好地使用(第254页)。在Lafleur的名称为“Method for cooling a wall within a gas turbineengine”的欧洲专利No.EP1617043B1中，报道了在叶片中间部位的双层壁中使用的常规柱肋阵列冷却结构。

在涡轮叶片尾缘内部采用的柱肋阵列冷却结构中，柱肋阵列与叶片的压力侧壁面和吸力侧壁面相连接，因此柱肋阵列不仅提供了很好的对流冷却，还为叶片了提供很好的机械强度。虽然现有的柱肋阵列能够显著提高流体的对流传热性能，但会给流动带来很大的阻力。对于涡轮叶片内部冷却流道的总体设计要求是，在提高对流传热性能的同时，应尽可能保持低的流动阻力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于燃气轮机涡轮叶片的分离式柱肋冷却结构，该结构能够以更高的对流冷却效率对涡轮叶片进行冷却，同时大幅度下降对空气的流动阻力。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种用于燃气轮机涡轮叶片的分离式柱肋冷却结构，包括叶片内部冷却流道和多个分离式柱肋，所述叶片内部冷却流道由叶片的压力侧壁面和吸力侧壁面围构而成，所述多个分离式柱肋设置于叶片内部冷却流道之中，并且在该压力侧壁面与吸力侧壁面之间形成阵列布置，该分离式柱肋的两端分别与所述压力侧壁面和吸力侧壁面固定相连，所述分离式柱肋上沿气流流动方向开设有贯通的纵向缝隙。

所述纵向缝隙的高度与所述分离式柱肋的高度相同或者小于分离式柱肋的高度。

所述纵向缝隙的宽度为所述分离式柱肋直径的0.05-0.25倍。

所述分离式柱肋的截面形状为圆形、菱形、方形、椭圆形或水滴形。

所述阵列为错列布置或顺排布置。

本发明的另一技术方案为：

一种燃气轮机涡轮叶片，包括有分离式柱肋冷却结构，该分离式柱肋冷却结构包括叶片内部冷却流道和多个分离式柱肋，该叶片内部冷却流道设置于所述涡轮叶片的尾缘内部，该多个分离式柱肋的两端分别与所述涡轮叶片的压力侧壁面和吸力侧壁面固定相连并形成阵列布置，所述分离式柱肋上沿气流流动方向开设有贯通的纵向缝隙。

本发明的又一技术方案为：

一种燃气轮机涡轮叶片，包括有分离式柱肋冷却结构，该分离式柱肋冷却结构设置于所述涡轮叶片的中部，该涡轮叶片的压力侧壁面和吸力侧壁面均为双层壁结构，其包括外壁面和内壁面，所述分离式柱肋冷却结构包括叶片内部冷却流道和多个分离式柱肋，该叶片内部冷却流道设置于所述外壁面与内壁面之间，该多个分离式柱肋的两端分别与所述外壁面和内壁面固定相连并形成阵列布置，所述分离式柱肋上沿气流流动方向开设有贯通的纵向缝隙。

本发明的工作原理如下：当冷却气流流入时，气流冲击到分离式柱肋，由于柱肋不断破坏流动边界层，并在每个柱肋后缘产生高度紊乱的尾流区，而且在与壁面相互作用后产生马蹄形涡流，因此大大地增强了冷却通道内的流动掺混，显著提高壁面和柱肋表面的换热效果，提高了冷却能力；气流穿过分离式柱肋上的纵向缝隙，在柱肋的后缘产生一股射流，对尾流区产生强烈扰动，极大增强了尾流区的湍流强度，提高了尾流区壁面的传热系数，使得壁面的传热分布更加均匀，壁面温度也更加均匀，从而有利于提高壁面材料的疲劳强度。另一方面，分离式柱肋产生的射流改善了尾流区流动结构，实现了冷却通道内流动损失的有效降低，同时由于柱肋上沿气流流动方向的缝隙的存在，增大了冷却通道的流通面积，缓解了通道内柱肋阵列对流动的阻碍，大大减小了流动阻力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

首先，分离式柱肋起到了强烈扰流的作用，提高了壁面传热性能，同时增大了传热面积，提高了冷却性能；其次，分离式柱肋分别与压力侧壁面和吸力侧壁面相连接，为叶片内部冷却流道提供了充分的强度支撑；再次，分离式柱肋上沿气流流动方向的缝隙增大了冷却通道的流通面积，缓解了通道内柱肋对流动的阻碍，减小了流动阻力，这种效果对于压力侧壁面和吸力侧壁面之间间距很小的冷却通道(如叶片尾缘内部)尤为显著。

附图说明

图1为本发明实施例1的横截面示意图。

图2为本发明实施例1的纵向截面示意图。

图3为本发明的结构示意图。

图4为图3的A-A剖面示意图。

图5为本发明实施例2的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，该实施例以本发明技术方案为前提给出了详细的实施方式和具体的参数，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。

请结合参阅图1、图2和图3，图示用于燃气轮机涡轮叶片的分离式柱肋冷却结构包括叶片内部冷却流道22和多个分离式柱肋18。所述叶片内部冷却流道22由涡轮叶片10的压力侧壁面14和吸力侧壁面12围构而成。所述多个分离式柱肋18的截面形状为圆形、菱形、方形、椭圆形或水滴形，其设置于叶片内部冷却流道22之中，并且在该压力侧壁面14与吸力侧壁面12之间形成阵列布置，以具有更好的冷却性能，该阵列为错列布置，或者根据需要为顺排布置。所述分离式柱肋18的两端分别与所述压力侧壁面14和吸力侧壁面12固定相连，以提供涡轮叶片10以充分的机械强度。所述分离式柱肋18上沿气流11流动方向开设有贯通的纵向缝隙20，请参阅图4，该纵向缝隙20的高度与所述分离式柱肋18的高度相同，或者小于分离式柱肋18的高度，该纵向缝隙20的宽度为所述分离式柱肋18直径的0.05-0.25倍。

实施例1：

本实施例为一在涡轮叶片10尾缘应用分离式柱肋冷却结构的燃气轮机涡轮叶片。

请结合参阅图1和图2，图示燃气轮机涡轮叶片10包括有分离式柱肋冷却结构，该分离式柱肋冷却结构包括叶片内部冷却流道22和多个分离式柱肋18。该叶片内部冷却流道22设置于所述涡轮叶片10的尾缘内部，叶片内部冷却流道22的上壁面为吸力侧壁面12，叶片内部冷却流道22的下壁面为压力侧壁面14。该多个分离式柱肋18通过熔模铸造形成于压力侧壁面14与吸力侧壁面12之间，其两端分别与所述涡轮叶片10的压力侧壁面14和吸力侧壁面12固定相连并形成阵列布置，本实施例中分离式柱肋18在叶片内部冷却流道22内按错列方式布置。该分离式柱肋18的截面形状为圆形(本实施例中的分离式柱肋18同样可以制成截面形状为菱形、方形、椭圆形或水滴形的结构)；所述分离式柱肋18上沿气流11流动方向开设有贯通的纵向缝隙20，纵向缝隙20的高度与分离式柱肋18的高度相同，纵向缝隙20的宽度为分离式柱肋18直径的0.05-0.25倍。

与传统的柱肋冷却结构相比，在相同的入口气流条件下，本实施例中的分离式柱肋冷却结构的整体换热性能显著提高，而流动阻力大幅下降，因此提高了叶片内部冷却性能，提高了涡轮叶片尾缘耐高温性能和使用寿命；另一方面，也减小了涡轮叶片10的重量，这在燃气轮机中是非常有意义的。

实施例2：

本实施例为一在涡轮叶片10中部应用分离式柱肋冷却结构的燃气轮机涡轮叶片。

请参阅图5，图示燃气轮机涡轮叶片10包括有分离式柱肋冷却结构，该分离式柱肋冷却结构设置于所述涡轮叶片10的中部，该涡轮叶片10的压力侧壁面和吸力侧壁面均为双层壁结构，其包括外壁面32和内壁面34。所述分离式柱肋冷却结构包括叶片内部冷却流道42和多个分离式柱肋18，该叶片内部冷却流道42设置于所述外壁面32与内壁面34之间，该多个分离式柱肋18的两端分别与所述外壁面32和内壁面34固定相连并形成阵列布置，所述分离式柱肋18上沿气流流动方向开设有贯通的纵向缝隙。

与传统的柱肋阵列冷却结构相比，本实施例的分离式柱肋阵列能够提供更高效率的冷却、更均匀的传热分布以及更低的流动损失，并且减轻了涡轮叶片10的重量。

Claims (7)

1.一种用于燃气轮机涡轮叶片的分离式柱肋冷却结构，包括叶片内部冷却流道和多个分离式柱肋，其特征在于：所述叶片内部冷却流道由叶片的压力侧壁面和吸力侧壁面围构而成，所述多个分离式柱肋设置于叶片内部冷却流道之中，并且在该压力侧壁面与吸力侧壁面之间形成阵列布置，该分离式柱肋的两端分别与所述压力侧壁面和吸力侧壁面固定相连，所述分离式柱肋上沿气流流动方向开设有贯通的纵向缝隙。

2.根据权利要求1所述的用于燃气轮机涡轮叶片的分离式柱肋冷却结构，其特征在于：所述纵向缝隙的高度与所述分离式柱肋的高度相同或者小于分离式柱肋的高度。

3.根据权利要求1所述的用于燃气轮机涡轮叶片的分离式柱肋冷却结构，其特征在于：所述纵向缝隙的宽度为所述分离式柱肋直径的0.05-0.25倍。

4.根据权利要求1所述的用于燃气轮机涡轮叶片的分离式柱肋冷却结构，其特征在于：所述分离式柱肋的截面形状为圆形、菱形、方形、椭圆形或水滴形。

5.根据权利要求1所述的用于燃气轮机涡轮叶片的分离式柱肋冷却结构，其特征在于：所述阵列为错列布置或顺排布置。

6.一种燃气轮机涡轮叶片，包括有分离式柱肋冷却结构，其特征在于：所述分离式柱肋冷却结构包括叶片内部冷却流道和多个分离式柱肋，该叶片内部冷却流道设置于所述涡轮叶片的尾缘内部，该多个分离式柱肋的两端分别与所述涡轮叶片的压力侧壁面和吸力侧壁面固定相连并形成阵列布置，所述分离式柱肋上沿气流流动方向开设有贯通的纵向缝隙。

7.一种燃气轮机涡轮叶片，包括有分离式柱肋冷却结构，其特征在于：所述分离式柱肋冷却结构设置于所述涡轮叶片的中部，该涡轮叶片的压力侧壁面和吸力侧壁面均为双层壁结构，其包括外壁面和内壁面，所述分离式柱肋冷却结构包括叶片内部冷却流道和多个分离式柱肋，该叶片内部冷却流道设置于所述外壁面与内壁面之间，该多个分离式柱肋的两端分别与所述外壁面和内壁面固定相连并形成阵列布置，所述分离式柱肋上沿气流流动方向开设有贯通的纵向缝隙。