CN106988790A - 一种高温涡轮动叶顶部对转涡的冷却结构 - Google Patents

一种高温涡轮动叶顶部对转涡的冷却结构 Download PDF

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王松涛
赵志奇
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    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
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Abstract

一种高温涡轮动叶顶部对转涡的内部冷却结构，属于涡轮传热领域。本发明的一种高温涡轮动叶顶部对转涡的内部冷却结构，其组成包括：涡轮榫头、涡轮叶身、涡轮叶片前缘、涡轮叶片顶盖、涡轮叶片尾缘、蛇形通道及对转涡发生器，涡轮榫头与涡轮叶身尾部连通为一体，涡轮叶身顶部通过涡轮叶片顶盖封闭，涡轮叶片顶盖上设有冷气孔，蛇形通道设置在涡轮叶身内部并位于涡轮叶片弦长中部，蛇形通道的出气通道与冷气孔相通；所述的对转涡发生器固定设置在涡轮叶片顶盖内表面上并与蛇形通道相对应。本发明用于高温涡轮动叶冷却，该结构通过形成对转旋涡、增强换热面积的方式强化换热，并且有效抑制流动阻力的增大等特点。

Description

一种高温涡轮动叶顶部对转涡的冷却结构
技术领域
本发明涉及一种高温涡轮动叶的冷却结构，具体涉及一种高温涡轮动叶顶部对转涡的内部冷却结构，属于涡轮传热领域。
背景技术
现代燃气轮机设计的进口运行温度较高，涡轮进口燃气温度已达2200K，远远超过叶片材料的许用温度，这将会使叶片表面出现较大的热负荷。为了保证燃气轮机的安全运行，除了提高叶片材料和绝热层的温度极限外，还需要对涡轮叶片进行冷却。现代高温燃气轮机叶片的冷却方式主要分为内部冷却和外部冷却。其中，涡轮动叶叶身一般采用往复流动的蛇形内部冷却通道以强化换热。为了充分了解蛇形通道内的流动换热情况，研究人员展开了一系列研究，主要包括：(1)几何结构，研究蛇形通道内的180°急转弯对通道内流动传热特性的影响，如弯头区域结构、冷却工质进出口通道形状及隔板位置对流动阻力和传热强度的影响。(2)肋片扰流，在先进的燃气轮机叶片中，将多个肋片浇铸在内部冷却流道的两个壁面上，使通过肋片的气体发生流动分离之后，边界层再附着于传热表面从而提高传热系数。
上述研究加深了对蛇形通道内的流动换热情况的认识。然而，对涡轮叶顶流动换热情况的研究却比较欠缺。对于旋转的高温燃气轮机动叶而言，高温泄漏气流从叶顶间隙流过叶片会使顶部传热率达到整个叶片表面的最大值，由此导致的较大的温度梯度将会严重影响叶片的工作寿命。因此，近年来在设计中逐渐考虑顶部区域的传热情况，研究在顶盖内表面布置不同形式的冷却结构对叶顶流动换热的影响，包括在动叶顶盖内表面布置扰流柱、扰流肋、凹坑、凸起阵列，这些结构一方面能够扰乱近壁面的来流边界层，诱导形成不同尺度的旋涡，使得加快了通过对流方式带走壁面热量的速率，另一方面能够增加换热面积，从而增强了换热。但是，扰流柱、肋、凸起对于流动阻力的影响比较大，容易引起较大的压力损失，在下游与高温燃气混合时增加了冷气与主流的掺混损失。凹坑强化传热的强度相对于其他方式有所增强，流动阻力的大小与凹坑的几何特征有关，但是由于凹坑对于叶片本身结构的影响，会削弱叶片材料的结构强度。
目前，在冷却设计技术领域急需提出具有更加优良的传热、流阻特性的方案，才有助于提高涡轮进口温度，进而提升燃气轮机的整体性能。
发明内容
本发明的目的在于解决现有涡轮叶片内部冷却结构的不足，提供一种高温涡轮动叶顶部对转涡的内部冷却结构。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种高温涡轮动叶顶部对转涡的内部冷却结构，其组成包括：涡轮榫头、涡轮叶身、涡轮叶片前缘、涡轮叶片顶盖、涡轮叶片尾缘及蛇形通道，所述的涡轮榫头与涡轮叶身尾部连通为一体，所述的涡轮叶身顶部通过涡轮叶片顶盖封闭，所述的涡轮叶片顶盖上设有冷气孔，所述的蛇形通道设置在涡轮叶身内部并位于涡轮叶片弦长中部，蛇形通道的出气通道与所述的冷气孔相通；所述的高温涡轮动叶顶部对转涡的内部冷却结构还包括对转涡发生器；所述的对转涡发生器固定设置在涡轮叶片顶盖内表面上并与蛇形通道相对应。
冷气流动过程为：冷气从涡轮榫头处流入涡轮叶身，进入蛇形通道之后，在180°急转弯处与对转涡发生器扰动形成对转旋涡，之后继续在蛇形通道内流动，最后从设置在涡轮叶片顶盖上的冷气孔流出。
冷却工质流过对转涡发生器时会产生对转旋涡，因此称其为对转涡发生器。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
(1)对转涡发生器能够扰乱来流边界层，使冷却工质流过涡轮叶片顶盖(简称叶顶)表面时形成不同尺度的对转旋涡，加快了通过对流方式带走壁面热量的速率，增进了流动的混合，从而强化涡轮叶片顶盖内表面的换热效果。
(2)对转涡发生器排列有序，其诱发形成的对转旋涡也是有序的，同时冷却工质流过对转涡发生器形成的二次流也主要局限于边界层附近，因此这种方式在增强换热的同时，不会明显地增加流动阻力，使得对于冷气入口的总压要求降低，有助于减少冷气与主流的掺混损失。
(3)对转涡发生器的布置方式多样，包括布置角度、数量，对转涡发生器高度、厚度及间距等，能够根据实际情况设置多种方案以适应不同的工作环境。
(4)对转涡发生器对于冷却气流具有引导作用，能够使冷气分配更加均匀，布置方式的调整能够有效缓解在涡轮叶片顶盖表面出现局部过热区，降低壁面热应力。
附图说明
图1为本发明的高温涡轮动叶顶部对转涡的冷却结构沿叶高方向的剖面示意图；
图2为图1的A-A剖面图；
图3为实施例2的主视结构示意图；
图4为实施例3的主视结构示意图；
图5为图1和图4顶盖内表面对转涡发生器排布和参数示意图；
图6为图3顶盖内表面对转涡发生器排布和参数示意图；
图7为图5的B-B剖视图；
图8为图6的D-D剖视图；
图9为图5的C-C剖视图；
图10为图6的E-E剖视图。
图中的部件名称及标号如下：
涡轮榫头1、涡轮叶身2、涡轮叶片前缘3、涡轮叶片顶盖4、涡轮叶片尾缘5、蛇形通道6、对转涡发生器7、隔板8。
具体实施方式
为了更好的理解本发明专利的方案，结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：如图1、图2所示，本实施方式披露了一种高温涡轮动叶顶部对转涡的内部冷却结构，其组成包括：涡轮榫头1、涡轮叶身2、涡轮叶片前缘3、涡轮叶片顶盖4、涡轮叶片尾缘5及蛇形通道6，所述的涡轮榫头1与涡轮叶身2尾部连通为一体，所述的涡轮叶身2顶部通过涡轮叶片顶盖4封闭，所述的涡轮叶片顶盖4上设有冷气孔，所述的蛇形通道6设置在涡轮叶身2内部并位于涡轮叶片弦长中部，蛇形通道6的出气通道与所述的冷气孔相通；所述的高温涡轮动叶顶部对转涡的内部冷却结构还包括对转涡发生器7；所述的对转涡发生器7固定设置在涡轮叶片顶盖4内表面上并与蛇形通道6相对应。
冷气流动过程为：冷气从涡轮榫头1处流入涡轮叶身2，进入蛇形通道6之后，在180°急转弯处与对转涡发生器7扰动形成对转旋涡，之后继续在蛇形通道6内流动，最后从设置在涡轮叶片顶盖4上的冷气孔流出。
具体实施方式二：如图1所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述的蛇形通道6由多个并排设置并且依次沿叶高方向错位排布的隔板8构成，并形成一个三或五流程的蛇形冷却通道。
具体实施方式三：如图1、图5、图6所示，本实施方式是对具体实施方式一或二作出的进一步说明，所述的对转涡发生器7包括多组对转涡发生器单体，每组所述的对转涡发生器单体均由一对三角形板构成，所述的多组对转涡发生器单体呈矩阵形式垂直固定设置在涡轮叶片顶盖4内表面上，每对所述的三角形板均呈八字形设置，每对三角形板的窄口端均朝向所述的冷却孔一侧设置(即每对三角形板的宽口端至窄口端方向均与冷气流动方向一致)，多对三角形板的斜面均朝下设置，多对三角形板的斜面的低端均朝向冷却孔一侧设置(即每对三角形板的斜面的低端至高端方向均与冷气流动方向相反)。这种对转涡发生器结构能够扰乱来流边界层形成对转旋涡，强化涡轮叶片顶盖4内表面的换热效果，同时各组对转涡发生器单体有序的排列能够在增强换热的同时，不会明显地增加流动阻力。
具体实施方式四：如图5-图10所示，本实施方式是对具体实施方式三作出的进一步说明，所述的对转涡发生器7的定义为：对转涡发生器7的高度为H、对转涡发生器7的厚度为D、对转涡发生器7的基线长度为L、每组对转涡发生器单体之间所成的夹角为α、每组对转涡发生器单体的窄口端间距定义为前端间距，所述的前端间距为Stop、每组对转涡发生器单体的宽口端间距定义为根部间距，所述的根部间距为Sb、两组对转涡发生器单体之间的弦向间距为Tx、两组对转涡发生器单体之间的径向间距为Ty、对转涡发生器7的高宽比H/L<1(这种结构会使冷却工质流过对转涡发生器7阻力降低、材料结构强度增强)。
实施例1：
如图1和图2所示，本实施例提供了一种高温涡轮动叶顶部对转涡的内部冷却结构，其组成包括：涡轮榫头1、涡轮叶身2、涡轮叶片前缘3、涡轮叶片叶顶4、涡轮叶片尾缘5、蛇形通道6及对转涡发生器7，冷却工质流经蛇形通道6的第一流程(即进气道)后，经过安装在涡轮叶片顶盖4内表面上的对转涡发生器7，在此处绕过隔板8形成180°急转弯，之后流经第二流程(即回转气道)及第三流程(即出气道)，最后从设置在涡轮叶片顶盖4上的冷气孔流出。冷却工质的弦向流动方向为从涡轮叶片尾缘5指向涡轮叶片前缘3。如图5～图10所示，本实施例中所述的对转涡发生器7的定义为：对转涡发生器7的高度为H；对转涡发生器7的厚度为D；对转涡发生器7的基线长度为L；每组对转涡发生器单体之间所成的夹角为α；每组对转涡发生器单体的窄口端间距定义为前端间距，所述的前端间距为Stop；每组对转涡发生器单体的宽口端间距定义为根部间距，所述的根部间距为Sb；两组对转涡发生器单体之间的弦向间距为Tx；两组对转涡发生器单体之间的径向间距为Ty。对于这些参数的设定要根据实际情况而定，以提高涡轮叶片叶顶的冷却效率，降低涡轮冷却工质用量，或者在同样的冷气量的条件下，降低涡轮叶片叶顶表面的温度。对于实际的涡轮叶片，其涡轮叶片顶盖4内表面的温度分布是不均匀的，同时涡轮叶片顶盖4内表面的压力分布也是不均匀的，因此需要改变对转涡发生器7的参数，使得各处的温度分布尽可能的均匀，减少热应力的产生，延长涡轮叶片的使用寿命。因此对转涡发生器7的高度H、对转涡发生器7的厚度D、对转涡发生器7的基线长度L、每组对转涡发生器单体之间所成的夹角α、每组对转涡发生器单体前端间距Stop、每组对转涡发生器单体根部间距Sb、两组对转涡发生器单体之间的弦向间距Tx、两组对转涡发生器单体之间的径向间距Ty等将会随着冷却工质的用量、流动的方向、蛇形通道6截面尺寸、隔板8位置等的变化而改变。根据本实施例的流动特点，对转涡发生器7垂直于涡轮叶片顶盖4内表面。为了避免流动阻力太大，强度过低，一般设置对转涡发生器7高宽比H/L<1，这种几何造型会使冷却工质流过对转涡发生器7时阻力降低、材料结构强度增强。
实施例2：
如图3所示，本实施例提供了一种高温涡轮动叶顶部对转涡的内部冷却结构，其组成包括：涡轮榫头1、涡轮叶身2、涡轮叶片前缘3、涡轮叶片叶顶4、涡轮叶片尾缘5、蛇形通道6及对转涡发生器7，冷却工质流经蛇形通道6的第一流程(即进气道)后，经过安装在涡轮叶片顶盖4内表面上的对转涡发生器7，在此处绕过隔板8形成180°急转弯，之后流经第二流程(即回转气道)及第三流程(即出气道)，最后从设置在涡轮叶片顶盖4上的冷气孔流出。冷却工质的弦向流动方向为从涡轮叶片前缘3指向涡轮叶片尾缘5。如图5～图10所示，本实施例中所述的对转涡发生器7的定义为：对转涡发生器7的高度为H、对转涡发生器7的厚度为D、对转涡发生器7的基线长度为L、每组对转涡发生器单体之间所成的夹角为α、每组对转涡发生器单体前端间距为Stop、每组对转涡发生器单体根部间距为Sb、两组对转涡发生器单体之间的弦向间距为Tx、两组对转涡发生器单体之间的径向间距为Ty。对于这些参数的设定要根据实际情况而定，以提高涡轮叶片叶顶的冷却效率，降低涡轮冷却工质用量，或者在同样的冷气量的条件下，降低涡轮叶片顶盖4表面的温度。对于实际的涡轮叶片，其涡轮叶片顶盖4内表面的温度分布是不均匀的，同时涡轮叶片顶盖4内表面的压力分布也是不均匀的，因此需要改变对转涡发生器7的参数，使得各处的温度分布尽可能的均匀，减少热应力的产生，延长涡轮叶片的使用寿命。因此对转涡发生器7的高度H、对转涡发生器7的厚度D、对转涡发生器7的基线长度L、每组对转涡发生器单体之间所成的夹角α、每组对转涡发生器单体前端间距Stop、每组对转涡发生器单体根部间距Sb、两组对转涡发生器单体之间的弦向间距Tx、两组对转涡发生器单体之间的径向间距Ty等将会随着冷却工质的用量、流动的方向、蛇形通道6截面尺寸、隔板8位置等的变化而改变。根据本实施例的流动特点，对转涡发生器7垂直于涡轮叶片顶盖4内表面。为了避免流动阻力太大，强度过低，一般设置对转涡发生器7高宽比H/L<1，这种几何造型会使冷却工质流过对转涡发生器7时阻力降低、材料结构强度增强。
实施例3
如图4所示，本实施例提供了一种高温涡轮动叶顶部对转涡的内部冷却结构，其组成包括：涡轮榫头1、涡轮叶身2、涡轮叶片前缘3、涡轮叶片叶顶4、涡轮叶片尾缘5、蛇形通道6及对转涡发生器7，该实施例中的涡轮叶片内部采用五流程的蛇形通道。冷却工质流经蛇形通道6的前三个流程后经过安装在涡轮叶片顶盖4内表面上的对转涡发生器7，在此处绕过隔板8形成180°急转弯，之后流经第四、第五流程(第五流程为出气道)，最后从设置在涡轮叶片顶盖4的冷气孔流出。冷却工质的弦向流动方向为从涡轮叶片尾缘5指向涡轮叶片前缘3。如图5～图10所示，本实施例中所述的对转涡发生器7的定义为：对转涡发生器7的高度为H、对转涡发生器7的厚度为D、对转涡发生器7的基线长度为L、每组对转涡发生器单体之间所成的夹角为α、每组对转涡发生器单体前端间距为Stop、每组对转涡发生器单体根部间距为Sb、两组对转涡发生器单体之间的弦向间距为Tx、两组对转涡发生器单体之间的径向间距为Ty。对于这些参数的设定要根据实际情况而定，以提高涡轮叶片顶盖4的冷却效率，降低涡轮冷却工质用量，或者在同样的冷气量的条件下，降低涡轮叶片顶盖4表面的温度。对于实际的涡轮叶片，其涡轮叶片顶盖4内表面的温度分布是不均匀的，同时涡轮叶片顶盖4内表面的压力分布也是不均匀的，因此需要改变对转涡发生器7的参数，使得各处的温度分布尽可能的均匀，减少热应力的产生，延长涡轮叶片的使用寿命。因此对转涡发生器7的高度H、对转涡发生器7的厚度D、对转涡发生器7的基线长度L、每组对转涡发生器单体之间所成的夹角α、每组对转涡发生器单体前端间距Stop、每组对转涡发生器单体根部间距Sb、两组对转涡发生器单体之间的弦向间距Tx、两组对转涡发生器单体之间的径向间距Ty等将会随着冷却工质的用量、流动的方向、蛇形通道6截面尺寸、隔板8位置等的变化而改变。根据本实施例的流动特点，对转涡发生器7垂直于涡轮叶片顶盖4内表面。为了避免流动阻力太大，强度过低，一般设置对转涡发生器7高宽比H/L<1，这种几何造型会使冷却工质流过对转涡发生器7时阻力降低、材料结构强度增强。

Claims (4)

1.一种高温涡轮动叶顶部对转涡的内部冷却结构，其组成包括：涡轮榫头(1)、涡轮叶身(2)、涡轮叶片前缘(3)、涡轮叶片顶盖(4)、涡轮叶片尾缘(5)及蛇形通道(6)，所述的涡轮榫头(1)与涡轮叶身(2)尾部连通为一体，所述的涡轮叶身(2)顶部通过涡轮叶片顶盖(4)封闭，所述的涡轮叶片顶盖(4)上设有冷气孔，所述的蛇形通道(6)设置在涡轮叶身(2)内部并位于涡轮叶片弦长中部，蛇形通道(6)的出气通道与所述的冷气孔相通；其特征在于：所述的高温涡轮动叶顶部对转涡的内部冷却结构还包括对转涡发生器(7)；所述的对转涡发生器(7)固定设置在涡轮叶片顶盖(4)内表面上并与蛇形通道(6)相对应；
冷气流动过程为：冷气从涡轮榫头(1)处流入涡轮叶身(2)，进入蛇形通道(6)之后，在180°急转弯处与对转涡发生器(7)扰动形成对转旋涡，之后继续在蛇形通道(6)内流动，最后从设置在涡轮叶片顶盖(4)上的冷气孔流出。
2.根据权利要求1所述的一种高温涡轮动叶顶部对转涡的内部冷却结构，其特征在于：所述的蛇形通道(6)由多个并排设置并且依次沿叶高方向错位排布的隔板(8)构成，并形成一个三或五流程的蛇形冷却通道。
3.根据权利要求1或2所述的一种高温涡轮动叶顶部对转涡的内部冷却结构，其特征在于：所述的对转涡发生器(7)包括多组对转涡发生器单体，每组所述的对转涡发生器单体均由一对三角形板构成，所述的多组对转涡发生器单体呈矩阵形式垂直固定设置在涡轮叶片顶盖(4)内表面上，每对所述的三角形板均呈八字形设置，每对三角形板的窄口端均朝向所述的冷却孔一侧设置，多对三角形板的斜面均朝下设置，多对三角形板的斜面的低端均朝向冷却孔一侧设置。
4.根据权利要求3所述的一种高温涡轮动叶顶部对转涡的内部冷却结构，其特征在于：所述的对转涡发生器(7)的定义为：对转涡发生器(7)的高度为H、对转涡发生器(7)的厚度为D、对转涡发生器(7)的基线长度为L、每组对转涡发生器单体之间所成的夹角为α、每组对转涡发生器单体的窄口端间距定义为前端间距，所述的前端间距为Stop、每组对转涡发生器单体的宽口端间距定义为根部间距，所述的根部间距为Sb、两组对转涡发生器单体之间的弦向间距为Tx、两组对转涡发生器单体之间的径向间距为Ty、对转涡发生器(7)的高宽比H/L<1。
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