CN103277145A - 一种燃气涡轮冷却叶片 - Google Patents

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Abstract

一种燃气涡轮冷却叶片，属于燃气涡轮机领域；在内冷冲击套筒外壁面与涡轮冷却叶片内壁面间布置多个沿涡轮冷却叶片径向及弧长方向的冷却室，每个冷却室内壁上布置了多个与冷却室边缘成一定角度的倾斜冲击孔，使冷却室内部冷气冲击射流形成漩涡，强化扰动，叶片前缘部分的多个前缘冲击冷却室的冲击套筒壁上采用垂直冲击孔；每个冷却室和每个前缘冲击冷却室的叶片壁上布置多个复合角度的气膜孔，使涡轮冷却叶片表面形成全气膜覆盖；尾缘区域采用双股冲击冷却，自尾缘劈缝和气膜孔排冷气；以上结构使涡轮冷却叶片温度得到大幅度降低；这种燃气涡轮冷却叶片适用于燃气涡轮机。

Description

一种燃气涡轮冷却叶片
技术领域
本发明涉及一种燃气涡轮冷却叶片，所述燃气涡轮冷却叶片适用于燃气涡轮机，属于燃气涡轮机领域。
背景技术
随着科学技术的进步，燃气涡轮机朝着高推重比、高发动机单位功率和低油耗的方向发展，而提高推重比、提高发动机单位功率及降低油耗的最有效的方法就是提高涡轮进口温度，但涡轮冷却叶片金属的耐热能力在一定程度上限制了涡轮进口温度的提高；实际上，燃气涡轮进口温度以平均每年20K的速度在增加，而金属耐热程度仅以每年8K的速度提升，因此需要采用涡轮冷却叶片冷却技术来解决这项问题；为此，国内外对涡轮冷却叶片的冷却结构进行了大量的摸索：通过强化内部扰动增强对流换热效果；通过研究冲击孔的各种参数来强化冲击冷却能力；研究气膜形式及布置优化气膜孔覆盖及冷却效果；在叶片表面敷设隔热涂层降低叶片表面温度等方法随之产生，其核心都是为了降低涡轮冷却叶片温度，提高涡轮冷却叶片内部冷却结构的换热能力，提高发动机效率。
目前国外先进的发动机涡轮进口温度已超过2150K,高出涡轮冷却叶片金属熔点温度500K之多，为发展高推重比燃气涡轮机，必须提高单位冷气的冷却效率，合理利用气膜冷却的覆盖效果，并设计出高效的内部冷却结构。
发明内容
为了提高单位冷气的冷却效率，并提高气膜覆盖效果，本发明提出了一种集合冲击冷却、对流冷却及气膜冷却一体的高效冷却室结构，在不增加冷气量的情况下，大大提高冷却效率，降低涡轮冷却叶片表面温度。
本发明解决其技术问题所采用的途径是：在涡轮冷却叶片内部布置冲击套筒，冷气由冲击套筒流入，通过在叶片冲击套筒外壁面与叶片内壁面之间布置径向以及弧长方向的多个冷却室和多个前缘冲击冷却室，减少因径向及弧长方向横向流，以避免弱化冲击冷却效果；同时，在每个冷却室内布置一定数量的带有一定角度的倾斜冲击孔，冲击孔数量为四个，通过削弱一定的冲击换热效果获得较大的强化对流换热的收益，提高内部换热能力，采用了倾斜冲击孔角度，冲击孔射流使冷却室内冷气流体形成漩涡，强化了内部的对流换热，冷气与叶片内壁面接触面积相对增多，从而冷气带走了更多的热量；而考虑到前缘区域曲率较大，形成漩涡较为困难，因此叶片前缘区域的冲击套筒壁上采用了垂直冲击孔降低局部高温，冷气在冷却室内流动后，通过在四个角点附近的气膜孔流出；由于叶片大部分区域布置了冷却室，这样使叶片大部分外表面都覆盖有气膜孔，不仅能够在叶片表明形成一层气膜，同时冷却室分流作用能够保证气膜孔冷气出流较佳；而尾缘区域采用了两股冲击冷却，并采用了双劈缝的设计方法，使得尾缘吸力侧位置传统高温区得以消除。
所述涡轮冷却叶片包含叶片壁20、冲击套筒壁21、内腔隔板一5、内腔隔板二6、内腔隔板三7、冲击套筒内腔一8、冲击套筒内腔二9、冲击套筒内腔三10、冲击套筒内腔四11、多个冷却室12、多个前缘冲击冷却室13、多个尾缘冲击孔16、尾缘劈缝17、多个冷却室弧长向隔板15、多个冷却室径向隔板14、多个倾斜冲击孔18、多个气膜孔19和多个前缘垂直冲击孔；由叶片外壁面1和叶片内壁面2围成叶片壁20；由冲击套筒外壁面3和冲击套筒内壁面4围成冲击套筒壁21；冲击套筒内腔被内腔隔板一5、内腔隔板二6和内腔隔板三7分隔成冲击套筒内腔一8、冲击套筒内腔二9、冲击套筒内腔三10和冲击套筒内腔四11；应用冷却室弧长向隔板15和冷却室径向隔板14将叶片内冲击套筒外壁面与叶片内壁面间的冲击冷却区域分隔成多个冷却室12，每个冷却室12的冲击套筒壁上布置至少一个倾斜冲击孔18，叶片前缘部分的每个前缘冲击冷却室13冲击套筒壁上布置至少一个前缘垂直冲击孔；在每个冷却室12或者每个前缘冲击冷却室13的叶片壁上四个角度附近布置至少四个与叶片外壁面呈倾斜角度的气膜孔；尾缘区域冷却室内冷却空气自尾缘劈缝17和尾缘区域冷却室叶片壁上的气膜孔流出。
每个冷却室12所连通的倾斜冲击孔的个数为四个；每个前缘冲击冷却室13所连通的前缘垂直冲击孔的个数为四个。每个冷却室12或每个前缘冲击冷却室13所连通的气膜孔19的个数为四个。在尾缘区域冷却室的冲击套筒壁上布置的为垂直冲击孔。尾缘劈缝为双劈缝结构。
本发明的有益效果是：多个冷却室或多个前缘冲击冷却室的存在减少了横流，增强了冲击换热；采用倾斜冲击孔角度，使得冷气在冷却室内形成漩涡，削弱一定的冲击换热效果获得较大的强化对流换热的收益，提高内部换热能力，增大了冷气与叶片内壁面接触面积，从而冷气带走了更多热量；冷却室的叶片壁上布置的气膜孔在涡轮冷却叶片表面形成全气膜覆盖效果，冷却室分流作用能够保证气膜孔冷气出流较佳；尾缘区域采用了两股冲击冷却，并采用了双劈缝的方法，使得尾缘吸力侧位置传统高温区得以消除；以上结构使得涡轮冷却叶片温度大大降低。
附图说明
图1本发明的冷却叶片横断面示意图；
图2本发明的冷却叶片侧视图；
图3本发明冷却室基本单元流体域正二测视图；
图4本发明冷却室基本单元流体域仰视图图；
图5本发明中冷却叶片表面气膜孔示意图；
图6本发明中冷却室基本单元固体示意图。
具体实施方式
如图1-图5所示，本实施方式中所提出的涡轮冷却叶片包含叶片外壁面1、叶片内壁面2、冲击套筒外壁面3、冲击套筒内壁面4、内腔隔板一5、内腔隔板二6、内腔隔板三7、冲击套筒内腔一8、冲击套筒内腔二9、冲击套筒内腔三10、冲击套筒内腔四11、多个冷却室12、多个前缘冲击冷却室13、多个尾缘冲击孔16、尾缘劈缝17、多个冷却室弧长向隔板15、多个冷却室径向隔板14、多个倾斜冲击孔18、多个气膜孔19和多个前缘垂直冲击孔。
根据气动参数并通过气动设计得出叶片外壁面1；给定叶片壁厚随弧长以及径向分布，得出叶片内壁面2；根据叶片内壁面型线，给定冲击靶距随弧长及径向分布，得出冲击套筒外壁面3；根据冲击套筒外壁面型线，给定冲击套筒厚度随弧长及径向分布，得出冲击套筒内壁面4；通过给定内腔隔板一5、内腔隔板二6以及内腔隔板三7得出冲击套筒内腔一8、冲击套筒内腔二9、冲击套筒内腔三10及冲击套筒内腔四11，其中给定的不同内腔隔板位置及方向可以随着设计需求进行改变，如为了合理分配在每个冷却室内流量或在设计时冷气温度在每个冷却室不同变化；通过在冲击套筒外壁面及叶片内壁面沿弧长方向添加多个冷却室弧长向隔板15，根据冷却室长宽比沿径向添加多个冷却室径向隔板14，分割出多个冷却室12和多个前缘冲击冷却室，这里分割的冷却室或前缘冲击冷却室的个数与气膜孔布置成一定关系，如气膜孔径较小，气膜孔个数较多，则可以将冷却室分配更多；通过在每个冷却室内，按照一定角度，在冷却室的冲击套筒壁上布置倾斜冲击孔18，倾斜冲击孔的个数可以进行一定改变，改变朝着使冷却室内冷气形成漩涡，且冷气漩涡强度能够保证较高的换热效果为佳，这里设计四个效果较好；在冷却叶片前缘部分曲率较大区域布置的前缘冲击冷却室13的冲击套筒壁上采用了垂直冲击孔，降低局部高温；在冷却室叶片壁上四个角点位置布置气膜孔19，每个冷却室具有四个气膜孔时冷却效果大于具有三个气膜孔的冷却效果，这主要是由于当每个冷却室叶片壁上布置三个气膜孔时，冷气在冷却室内将存在一定的流动死区；最后，在尾缘吸力侧及压力侧位置均布置一定数量的尾缘冲击孔16，具体数量以及孔径与尾缘部分固体温度以及尾缘区域出口马赫数有关，当尾缘气流马赫数远远低于主流马赫数时，将会增大冷气掺混损失，冷气由尾缘冲击孔流出，冲击吸力侧及压力侧叶片内壁面，最后由尾缘劈缝17流出。
本发明技术内容以及技术特点如上所述，在上述解释下，本领域的设计技术人员能够对上述结构进行修改及改进，包括这里单独解释结构的组合，这些结构组合均在本发明设计技术领域内，并落入本发明权利要求保护范围，且权利要求中适用单个元件意在包括一个或多个这样的元件。此外不应将权利要求书中任何参考标记构造为限制本发明的范围。

Claims (5)

1.一种燃气涡轮冷却叶片，其特征在于：所述涡轮冷却叶片包含叶片壁（20）、冲击套筒壁（21）、内腔隔板一（5）、内腔隔板二（6）、内腔隔板三（7）、冲击套筒内腔一（8）、冲击套筒内腔二（9）、冲击套筒内腔三（10）、冲击套筒内腔四（11）、多个冷却室（12）、多个前缘冲击冷却室（13）、多个尾缘冲击孔（16）、尾缘劈缝（17）、多个冷却室弧长向隔板（15）、多个冷却室径向隔板（14）、多个倾斜冲击孔（18）、多个气膜孔（19）和多个前缘垂直冲击孔；由叶片外壁面（1）和叶片内壁面（2）围成叶片壁（20）；由冲击套筒外壁面（3）和冲击套筒内壁面（4）围成冲击套筒壁（21）；冲击套筒内腔被内腔隔板一（5）、内腔隔板二（6）和内腔隔板三（7）分隔成冲击套筒内腔一（8）、冲击套筒内腔二（9）、冲击套筒内腔三（10）和冲击套筒内腔四（11）；应用冷却室弧长向隔板（15）和冷却室径向隔板（14）将叶片内冲击套筒外壁面与叶片内壁面间的冲击冷却区域分隔成多个冷却室（12），每个冷却室（12）的冲击套筒壁上布置至少一个倾斜冲击孔（18），叶片前缘部分的每个前缘冲击冷却室（13）的冲击套筒壁上布置至少一个前缘垂直冲击孔；在每个冷却室（12）或者每个前缘冲击冷却室（13）的叶片壁上四个角度附近布置至少四个与叶片外壁面呈倾斜角度的气膜孔；尾缘区域冷却室内冷却空气自尾缘劈缝（17）和尾缘区域冷却室叶片壁上的气膜孔流出。
2.根据权利要求1所述的一种燃气涡轮冷却叶片，其特征在于：每个冷却室（12）所连通的倾斜冲击孔的个数为四个；每个前缘冲击冷却室（13）所连通的前缘垂直冲击孔的个数为四个。
3.根据权利要求1所述的一种燃气涡轮冷却叶片，其特征在于：每个冷却室（12）或每个前缘冲击冷却室（13）所连通的气膜孔（19）的个数为四个。
4.根据权利要求1所述的一种燃气涡轮冷却叶片，其特征在于：在尾缘区域冷却室的冲击套筒壁上布置的为垂直冲击孔。
5.根据权利要求1所述的一种燃气涡轮冷却叶片，其特征在于：尾缘劈缝为双劈缝结构。
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