CN108386234B - 一种以柱排肋片为基本冷却单元的燃机叶片内部冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以柱排肋片为基本冷却单元的燃机叶片内部冷却结构，包括具有一定排布规律的肋柱，肋柱沿通道轴向每隔一定间距重复排布，直至布满内冷通道中参与叶片表面换热的两个侧壁面，柱排肋片的肋片横截面形状为圆形、椭圆形或如水滴形状，在冷却通道中添加柱排肋片，可有效减少普通肋片迎风侧与背风侧底端的高温死角的面积，增加壁面换热均一度，此外本发明可有效减少换热壁面上液膜的形成，减少了叶片热应力的产生，增加叶片换热效果，延长了叶片的使用寿命。

Description

一种以柱排肋片为基本冷却单元的燃机叶片内部冷却结构

技术领域

本发明属于燃机叶片内冷通道冷却技术领域，具体涉及一种以柱排肋片为基本冷却单元的燃机叶片内部冷却结构。

背景技术

随着燃气轮机技术的不断进步，为提高燃气轮机的工作效率，提高燃气轮机进口初温是一条行之有效的方法，但是由于金属材料自身的材料属性的限制，当主流燃气温度高过一定的阈值（1400℃）后，叶片材料的力学性能随之大幅降低，当叶片继续在此高温条件下高速运转时，材料发生断裂的可能性大大增加，造成设备毁坏。通过在燃气轮机叶片内部增加复杂的冷却通道，并通以冷却介质对叶片表面进行冷却是较为有效的燃机叶片冷却方式。

目前常用的或正在研发中的燃机叶片内部都会添加结构复杂的冷却通道，以增加内冷通道内冷却介质的湍流度进而提升冷却介质的换热效果，从而保证将叶片的温度控制在一定范围内，延长叶片的使用寿命。叶片内部冷却通道中壁面添加的扰流结构种类繁多，有斜肋、直肋、柱肋、V型肋、凹坑、凸台等等，主要的作用是增加通道内部冷却介质的湍流度以减少边界层厚度，增加换热效果。在叶片内部，常用的冷却介质一般为空气或过热蒸汽。空气或过热蒸汽冷却介质应用在传统带肋通道后，肋片的迎风侧以及背风侧会形成一定范围的漩涡，在漩涡的底部靠近肋片边角处会形成高温死角，降低了换热效果。该问题的存在制约了传统空气或蒸汽冷却介质的冷却效率。此外空气或蒸汽在运动过程中的冷凝产生的微小水滴会在肋片迎风侧以及部分壁面位置形成液膜，液膜所在位置的温度将远低于没有液膜的位置，由此导致壁面换热不均。过高的换热不均匀度会导致叶片表面热应力的产生，进而造成叶片寿命缩短。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种以柱排肋片为基本冷却单元的燃机叶片内部冷却结构，该结构可以有效增加通道内冷却介质的湍流度，减少边界层厚度，提升叶片内冷通道换热效果，使壁面温度有效降低。

为达到上述目的，本发明所述一种以柱排肋片为基本冷却单元的燃机叶片内部冷却结构包括冷却通道本体，冷却通道的内侧壁上沿冷却通道轴向固定有若干并列设置的柱排肋片，相邻的柱排肋片之间的距离相等，柱排肋片包括若干规律排布且间隔设置的肋柱。

进一步的，柱排肋片为平行斜柱排肋片、上下壁面交错的平行斜柱排肋片、V型柱排肋片、上下壁面交错的V型柱排肋片、间断V型柱排肋片、上下壁面交错的间断V型柱排肋片、W型柱排肋片或上下壁面交错的W型柱排肋片。

进一步的，过同一排肋柱中心的连线与冷却介质的流动方向的夹角为α，α的取值范围为30°—150°。

进一步的，肋柱的直径D为1mm—3mm。

进一步的，肋柱的高度e的取值范围为：D/2≤e≤H/2，其中，D为肋柱的直径，H为冷却通道的高度。

进一步的，位于同一柱排肋片的相邻两个肋柱之间的间距为Dc，Dc≤2D，D为肋柱的直径。

进一步的，相邻两个柱排肋片之间的距离为p，3D≤p≤20D。

进一步的，柱排肋片所在的冷却通道的宽高比为W/H，1/4≤W/H≤4/1，其中W为冷却通道的宽度，H为冷却通道的高度。

进一步的，肋柱为类圆柱形。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，在冷却介质通过本发明的冷却通道结构时，首先同一排肋柱与肋柱之间有一定的间隙，冷却介质从间隙流过时，避免了普通斜直肋迎风面与背风面附近漩涡底部形成的高温死角；其次，两排的肋柱之间保持一定的距离，在本发明规定的间距内，保证了部分靠近壁面的冷却介质能够沿着同一排肋片方向运动，与靠近通道中心的冷却介质相互作用，形成主流二次流旋涡，增大通道内的湍流度，同时，保证相邻两排肋片之间的壁面得到有效的冷却；此外，本通道冷却结构能够有效的防止以过热蒸汽或空气作为冷却介质时，肋片前后边角处的高温死角的产生，同时该结构可有效的减少微小水滴在肋片以及部分壁面位置的积聚，大大降低了微小水滴积聚在肋片迎风面形成液膜的概率，减少了液膜的产生，同时当冷却介质从肋柱间隙流过时，形成的高速流场以及在肋柱的尾缘形成的卡门涡街都会很大程度减少液膜的产生，进而避免的叶片表面低温区的形成，使得叶片表面温度分布更加均匀，减少了叶片表面的热应力，延长叶片的工作寿命，提高燃机的工作效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明某通道简化为矩形通道的示意图；

图3为图2的A-A 剖视图；

图4a为平行斜柱排肋片排布示意图；

图4b为上下壁面交错的平行斜柱排肋片排布示意图；

图4c为V型柱排肋片排布示意图；

图4d为上下壁面交错的V型柱排肋片排布示意图；

图4e为间断V型柱排肋片排布示意图；

图4f为上下壁面交错的间断V型柱排肋片排布示意图；

图4g为W型柱排肋片排布示意图；

图4h为上下壁面交错的W型柱排肋片排布示意图；

图5为图3的从同一排肋柱中心线方向观察到的B部分放大图；

图6a为截面为圆形的肋柱横截面图；

图6b为一种实施方式的截面为水滴形的肋柱横截面图；

图6c为另一种实施方式的截面为水滴形的肋柱横截面图；

图6d为截面为椭圆形的肋柱横截面图；

附图中：1、冷却通道，2、肋柱，3、柱排肋片，31、平行斜柱排肋片，32、上下壁面交错的平行斜柱排肋片，33、V型柱排肋片，34、上下壁面交错的V型柱排肋片，35、间断V型柱排肋片，36、上下壁面交错的间断V型柱排肋片，37、W型柱排肋片，38、上下壁面交错的W型柱排肋片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1和图2，一种以柱排肋片为基本冷却单元的燃机叶片内部冷却结构，包括冷却通道1，冷却通道1内壁设置有若干排具有一定排布规律的柱排肋片，并沿通道轴向每隔相等的间距重复排布，直至布满内冷通道中参与叶片表面换热的两个内壁面，且位于两个侧壁面上的柱排肋片相对设置，柱排肋片3包括若干规律排布且间隔设置的肋柱2，所有的肋柱2均垂直于冷却通道内壁。

从整体上看，任一排的肋柱必须以能够与传统实心斜肋、V型肋或W型肋所起到的作用相当，而非单纯的离散圆肋柱。柱排肋片的分布形式为按照图4a至图4h中31-38部分分别所示的平行斜柱排肋片31、上下壁面交错的平行斜柱排肋片32、V型柱排肋片33、上下壁面交错的V型柱排肋片34、间断V型柱排肋片35、上下壁面交错的间断V型柱排肋片36、W型柱排肋片37或上下壁面交错的W型柱排肋片38。

参照图4a，平行斜柱排肋片31的每一排肋柱2位于同一条直线上，且所有的平行斜柱排肋片31相互平行；

参照图4b为上下壁面交错的平行斜柱排肋片32示意图，浅黑色部分是位于上壁面的柱排肋片，深黑色部分是位于下壁面的柱排肋片，其余结构与平行斜柱排肋片相同。

参照图4c，V型柱排肋片33的每一排呈V字形，且V字的两个边相交于同一个肋柱2，若干V型柱排肋片33并列设置；

参照图4d为上下壁面交错的V型柱排肋片34，浅黑色部分是位于上壁面的柱排肋片，深黑色部分是位于下壁面的柱排肋片，其余结构与V型柱排肋片相同。

参照图4e，间断V型柱排肋片35的每一排肋柱呈V字形，且V字的两个边没有公用的肋柱2，间断V型柱排肋片35并列设置；

参照图4f为上下壁面交错的间断V型柱排肋片36，浅黑色部分是位于上壁面的柱排肋片，深黑色部分是位于下壁面的柱排肋片，其余结构与间断V型柱排肋片相同。

参照图4g，W型柱排肋片37的每一排肋柱呈W形，若干W型柱排肋片37并列设置；

参照图4h为上下壁面交错的W型柱排肋片38，浅黑色部分是位于上壁面的柱排肋片，深黑色部分是位于下壁面的柱排肋片，其余结构与W型柱排肋片相同。

参照图3同一排柱排肋片的肋柱中心连线与冷却介质的主流方向具有一定的夹角α，使得主流冷却介质在流过柱排肋片后会在主流产生一定范围的二次流旋涡，增大冷却介质在通道内的湍流度，该夹角α的变化范围为：30°—150°。

参照图3，柱排肋片中的肋柱2的直径D为1mm—3mm，若采用肋柱截面为非圆形，可采用等效直径替代，肋柱2为类圆柱形，参照图6a至图6d，例如横截面形状为圆形、椭圆形或如图6b和图6c中所示的水滴形状的柱体，采用这样的形状有助于近壁面附近的主流介质在流过柱排肋片时不会在肋柱迎风侧以及背风侧形成与肋排方向平行的二次流旋涡。同时柱排肋片背风侧积聚的液膜会被同一排肋柱之间流过的冷却介质所破坏，进而避免了液膜的积聚，减少壁面热应力的增加。

优选的，肋柱2为圆柱体，圆形肋片尾部会形成卡门涡街，漩涡的摆动更有利于增加肋柱尾部的湍流度，提升换热效果，而且圆形的加工起来肯定比水滴形或者椭圆形的方便。

参照图5单个扰流肋柱具有特定高度e，该高度需要控制在一定的范围内，以确保通道内的流动阻力控制在一定范围内，并使得通道中能够形成二次流旋涡，增加通道内的湍流度，通常D/2≤e≤H/4。

参照图3，肋柱与肋柱之间的中心距Dc≤2D，同一排肋柱与肋柱之间的距离控制在2D范围以内，在确保部分主流冷却介质能够正常通过的同时，仍有大量的主流介质受到肋柱排的阻碍作用，流动方向发生变化，并与通道中心处的主流介质相互作用，形成主流二次流旋涡。

参照图3，柱排肋片与柱排肋片之间的间距5D≤p≤20D，p值过小容易造成主流介质难以接触到柱排肋片底部的高温壁面，p值过大柱排肋片很难形成二次流旋涡，造成肋片与肋片之间的流场与光滑通道的流场类似，而换热效果提升不明显。在本发明中选用5D≤p≤20D，较为合理。

参照图2，柱排肋片所在的冷却通道中，具有一定的宽高比W/H，其中W为冷却通道的宽度，H为冷却通道的高度，该值需要根据叶片实际尺寸进行设计，通常情况下1/4≤W/H≤4/1，通道宽高比W/H过小会使得通道过于狭窄，使得叶片内部通道的数量增加，并且肋片的长度受到限制，不利于通道内冷却介质湍流度的增加。通道宽高比过大会使得通道过于宽扁，通道中心区域的流场得不到充分的扰动，也不利于换热效果的提升。

本发明的工作原理为：

在靠近叶片压力面和吸力面的叶片内冷通道壁面上布置有一定分布规律的若干排柱排肋片。当主流冷却介质流过叶片内冷通道时，在粘滞力的作用下，靠近高温壁面的冷却介质流速稍低于靠近通道中心处的冷却介质。该位置处的冷却介质在通过柱排肋片时，由于肋片中间的间隙，使得部分冷却介质能够顺利通过肋片，因此减少了肋片迎风面前侧旋涡底部的高温区的影响范围。同时通过肋片间隙的冷却介质会有一个加速过程，冷却介质流速的提升使得柱排肋片背风侧的换热效果也同时提升，减少了普通直肋片背风侧的高温区的影响范围，使得肋片前后侧的换热效果提升，换热更加均匀。

并且柱排肋片对冷却介质的流动阻碍作用，会改变冷却介质的运动方向，受到肋片阻碍的冷却介质与主流冷却介质相互作用形成主流二次流旋涡。主流二次流旋涡的存在会增大通道壁面附近的换热效果，柱排肋片既部分保留了现有的实心肋片的优点，同时在一定程度克服了其缺点。

此外，在未来的叶片内冷通道设计过程中，间断的肋柱设计会使得微小水滴积聚在肋片迎风面的可能性大大降低，同时通过肋柱间隙的冷却介质由于被加速，会破坏肋片背风侧形成的液膜。保证了冷却通道中尽可能少的液膜积聚，进而降低了壁面低温区的形成，确保壁面换热更为均匀，降低叶片表面热应力的产生。

Claims (5)

1.一种以柱排肋片为基本冷却单元的燃机叶片内部冷却结构，其特征在于，包括冷却通道，冷却通道（1）的内侧壁上沿冷却通道轴向固定有若干并列设置的柱排肋片（3），相邻的柱排肋片（3）之间的距离相等，柱排肋片（3）包括若干规律排布且间隔设置的肋柱（2）；

肋柱（2）的高度e的取值范围为：D/2≤e≤H/4，其中，D为肋柱（2）的直径，H为冷却通道的高度；

位于同一柱排肋片（3）的相邻两个肋柱（2）之间的中心距为Dc，Dc≤2D；

过同一排肋柱（2）中心的连线与冷却介质的流动方向的夹角为α，α的取值范围为30°—150°；

相邻两个柱排肋片（3）之间的距离为p，3D≤p≤20D。

2.根据权利要求1所述的一种以柱排肋片为基本冷却单元的燃机叶片内部冷却结构，其特征在于，柱排肋片（3）为平行斜柱排肋片（31）或上下壁面交错的平行斜柱排肋片（32）或V型柱排肋片（33）或上下壁面交错的V型柱排肋片（34）或间断V型柱排肋片（35）或上下壁面交错的间断V型柱排肋片（36）或W型柱排肋片（37）或上下壁面交错的W型柱排肋片（38）。

3.根据权利要求1所述的一种以柱排肋片为基本冷却单元的燃机叶片内部冷却结构，其特征在于，肋柱（2）的直径D为1mm—3mm。

4.根据权利要求1所述的一种以柱排肋片为基本冷却单元的燃机叶片内部冷却结构，其特征在于，柱排肋片（3）所在的冷却通道的宽高比为W/H，1/4≤W/H≤4，其中W为冷却通道的宽度。

5.根据权利要求1所述的一种以柱排肋片为基本冷却单元的燃机叶片内部冷却结构，其特征在于，肋柱（2）为圆柱形。

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