CN106499518A - 一种燃气轮机过渡段中强化冷却的肋式仿生换热表面 - Google Patents

一种燃气轮机过渡段中强化冷却的肋式仿生换热表面 Download PDF

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徐涛
郭昊添
于征磊
杨坤
张友鹤
梁逍
刘欢
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    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
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Abstract

本发明公开了一种燃气轮机过渡段中强化冷却的肋式仿生换热表面，燃气轮机过渡段主体位于燃烧室火炎筒与透平之间，燃气轮机过渡段主体为圆柱形管道，圆柱形管道为高温燃气通道，高温燃气通道的入口与燃烧室火炎筒相连接，燃气轮机过渡段主体的出口与透平相连接，燃气轮机过渡段主体外部包绕具有冲击冷却孔的导流衬，绕燃气轮机过渡段主体与导流衬之间形成环形腔，该环形腔为冷却腔，燃气轮机过渡段主体外表面为肋式仿生换热曲面，肋式仿生换热曲面为肋式凸起曲面，肋式仿生换热曲面用于将外腔冲击注入的冷却介质，沿该肋式凸起曲面轨迹，形成导向湍流及扩散，增加在冷却腔室内的环绕，提高冷却效率，更好的保护燃气轮机过渡段主体不被高温气体所损害。

Description

一种燃气轮机过渡段中强化冷却的肋式仿生换热表面
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，特别是涉及一种燃气轮机过渡段中强化冷却的肋式仿生换热表面。
背景技术
重型燃气轮机的工作效率受制于热燃气的最高温度。多个燃气室产生高温燃气通过过渡段进入第一级透平，高温燃气在第一级透平内形成了环形热燃气包围透平静叶。过渡段在其中把从每一个燃烧室喷出的燃气流场，从大致的圆柱形，改变成环形的一部分。从而全冲过渡段喷出的气流，产生理想的环形气流。在追求燃气轮机过提高热效率时，过渡段的冷却任务是有困难的。基本处于能力不足或是伴随着无法负担的代价。
现有一种用于过渡段的冷却技术，是在过渡段上开设发散冷却孔，可以在过渡段内表面形成一层冷却空气膜，一定程度上隔绝热燃气与过渡段金属。由于过渡段内表面需喷涂热障涂层，所以开发散冷却孔的过程会对热障涂层造成一定程度的损伤。热障涂层受到损伤后容易发生剥离，导致脱落。裸露的过渡段温度将明显升高，严重者甚至造成过渡段被烧穿。
另有一种冷却技术是将传上统的燃气轮机燃烧室过渡段的外表面增加一个导流衬，即将过渡段的主体嵌套在导流衬之中。在导流衬2打孔，此孔即为冲击冷却入口，图3为导流衬表面打孔示意图。从过渡段本身来看，在高温燃气通道的周围形成了一个冷却腔室，并在冷却腔室内设有喷气阵列。冷却介质(空气)经由冲击冷却孔3进入冷却腔室，对过渡段的换热表面进行强制换热。但这种方法需要在冷却腔内形成足够的压力差，即压气机产生的压缩空气在流经冷却腔以后会形成压力损失。如果压力降太高，那么燃气轮机的热力效率下降。同时，其实际的冷却效率并未达到预期目标。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃气轮机过渡段中强化冷却的肋式仿生换热表面。本发明受仿生学启发，将仿生非光滑表面引入燃气轮机过渡段的换热系统中。仿生学是通过了解生物的结构和功能原理，以解决机械和工程方面的技术难题。根据叶脉在叶片中的分布与排布方式，以及叶脉在叶片内实现输水、换热过程中起到的优益作用，将光滑的换热表面改进设计为一种仿生叶脉结构的换热表面，即肋式仿生换热表面。仿生叶脉表面上的凸起曲面能够在冷却腔内能够周期性的改变冷却介质的速度矢量，并增加过渡段外表面的换热面积，强化冲击冷却效率、增强换热表面温均性、延长过渡段的使用寿命。
本发明的燃气轮机过渡段主体位于燃烧室火炎筒与透平之间，燃气轮机过渡段主体为圆柱形管道，圆柱形管道为高温燃气通道，高温燃气通道的入口与燃烧室火炎筒相连接，燃气轮机过渡段主体的入口呈圆形，燃气轮机过渡段主体的出口呈矩形，燃气轮机过渡段主体的出口与透平相连接，燃气轮机过渡段主体外部包绕具有冲击冷却孔的导流衬，绕燃气轮机过渡段主体与导流衬之间形成环形腔，该环形腔为冷却腔，冷却腔内流通冷却介质，冷却介质经由导流衬上的冲击冷却孔进入冷却腔内，与燃气轮机过渡段主体表面充分换热后由冷却腔的出口流出；燃气轮机过渡段主体外表面为肋式仿生换热曲面，肋式仿生换热曲面为肋式凸起曲面，肋式仿生换热曲面用于将外腔冲击注入的冷却介质，沿该肋式凸起曲面轨迹，形成导向湍流及扩散，增加在冷却腔室内的环绕，提高冷却效率，更好的保护燃气轮机过渡段主体不被高温气体所损害。
所述的肋式凸起曲面为曲面阵列或螺旋排列，相邻凸起之间等距分布。
所述的肋式凸起曲面的法向与换热表面正交。
所述的肋式凸起曲面的曲率半径为R，凸起曲面高为1/2R。
本发明的有益效果：
1、换热表面的肋式凸起曲面可以周期性的改变冷却腔内冷却介质的速度矢量，增强整个换热表面的温均性。
2、肋式凸起曲面能增大换热表面的换热面积，提高空间内的换热面积。
3、肋式仿生换热表面带的来压力损失低，有助于提高燃气轮机的效率。
4、肋式仿生换热表面的肋式凸起曲面有效降低结构中的温度应力，提高燃气轮机过渡段的使用寿命。
附图说明
图1为带有肋式仿生换热表面的燃气轮机过渡段一端的轴测图。
图2为带有肋式仿生换热表面的燃气轮机过渡段另一端的轴测图。
图3为肋式仿生换热表面的一端轴测图。
图4为肋式仿生换热表面的另一端轴测图。
图5为带有冲击冷却孔的导流衬轴测图。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3、图4和图5所示，燃气轮机过渡段主体1位于燃烧室火炎筒与透平之间，燃气轮机过渡段主体1为圆柱形管道，圆柱形管道为高温燃气通道，高温燃气通道的入口与燃烧室火炎筒相连接，燃气轮机过渡段主体1的入口呈圆形，燃气轮机过渡段主体1的出口呈矩形，燃气轮机过渡段主体1的出口与透平相连接，燃气从图1中的圆柱形管道箭头所示方向流入，从图2中的圆柱形管道箭头所示方向流出；燃气轮机过渡段主体1外部包绕具有冲击冷却孔3的导流衬2，绕燃气轮机过渡段主体1与导流衬2之间形成环形腔5，该环形腔5为冷却腔，冷却腔内流通冷却介质，冷却介质经由导流衬2上的冲击冷却孔3进入冷却腔内，如图2中的冲击冷却孔3的箭头方向进入，与燃气轮机过渡段主体1表面充分换热后由冷却腔的出口流出，如图1中环形腔5的箭头方向流出；燃气轮机过渡段主体1外表面为肋式仿生换热曲面4，肋式仿生换热曲面4为肋式凸起曲面，肋式仿生换热曲面4用于将外腔冲击注入的冷却介质，沿该肋式凸起曲面轨迹，形成导向湍流及扩散，增加在冷却腔室内的环绕，提高冷却效率，更好的保护燃气轮机过渡段主体1不被高温气体所损害。
所述的肋式凸起曲面为曲面阵列或螺旋排列，相邻凸起之间等距分布。
所述的肋式凸起曲面的法向与换热表面正交。
所述的肋式凸起曲面的曲率半径为R，凸起曲面高为1/2R。
肋式仿生换热表面4上肋式凸起曲面可以有效的改变冷却腔内的气流特性，增强冲击冷却效率，改善换热表面的温均性，解决燃气轮机过渡段的高温防护问题。

Claims (4)

1.一种燃气轮机过渡段中强化冷却的肋式仿生换热表面，其燃气轮机过渡段主体(1)位于燃烧室火炎筒与透平之间，燃气轮机过渡段主体(1)为圆柱形管道，圆柱形管道为高温燃气通道，高温燃气通道的入口与燃烧室火炎筒相连接，燃气轮机过渡段主体(1)的入口呈圆形，燃气轮机过渡段主体(1)的出口呈矩形，燃气轮机过渡段主体(1)的出口与透平相连接，燃气轮机过渡段主体(1)外部包绕具有冲击冷却孔(3)的导流衬(2)，绕燃气轮机过渡段主体(1)与导流衬(2)之间形成环形腔(5)，该环形腔(5)为冷却腔，冷却腔内流通冷却介质，冷却介质经由导流衬(2)上的冲击冷却孔(3)进入冷却腔内，与燃气轮机过渡段主体(1)表面充分换热后由冷却腔的出口流出；其特征在于：燃气轮机过渡段主体(1)外表面为肋式仿生换热曲面(4)，肋式仿生换热曲面(4)为肋式凸起曲面。
2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机过渡段中强化冷却的肋式仿生换热表面，其特征在于：所述的肋式凸起曲面为曲面阵列或螺旋排列，相邻凸起之间等距分布。
3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机过渡段中强化冷却的肋式仿生换热表面，其特征在于：所述的肋式凸起曲面的法向与换热表面正交。
4.根据权利要求1所述的一种燃气轮机过渡段中强化冷却的肋式仿生换热表面，其特征在于：所述的肋式凸起曲面的曲率半径为R，凸起曲面高为1/2R。
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