CN108425705A - 一种双层壁冷却与气膜冷却组合式透平叶片结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种双层壁冷却与气膜冷却组合式透平叶片结构，涉及燃气轮机叶片冷却技术，用于燃气透平叶片冷却。该结构包括位于叶片前缘的气膜冷却结构和位于叶身的双层壁冷却结构。与常规叶片不同的是，叶身由带肋通道结构改为双层壁冷却结构方案，其双层壁由冲击孔、扰流柱和气膜孔构成，扰流柱设计为外侧半高型扰流柱，可减小流动阻力系数。由于双层壁冷却结构会带来带肋通道所不具有的冲击冷却效果，因而在同样的冷气量条件下，会具有更高的综合冷效，使得透平叶片壁温更低、寿命更长。

Description

一种双层壁冷却与气膜冷却组合式透平叶片结构
技术领域
本发明属于燃气轮机叶片冷却技术领域，涉及一种双层壁冷却与气膜冷却组合式透平叶片结构，尤其涉及一种叶片前缘采用传统气膜冷却、叶身采用新型双层壁冷却的叶片冷却结构，用于燃气透平叶片结构设计，可明显提高燃气透平叶片冷却效率。
背景技术
目前燃气透平常采用复杂多通道强迫对流加气膜冷却的复合冷却方式，可使叶片金属平均温度降低500-700K，冷却效率为0.5-0.6。未来燃气轮机的透平进口温度将达到1973K，为了满足未来燃气轮机透平进口温度进一步提高的要求，需采用冷却技术使叶片能降温700-900K，冷却效率大于0.7。如果继续采用对流/气膜复合冷却方式，冷气消耗量将会急剧增加，冷气用量的增加将会降低燃气轮机的性能，这与高效燃气轮机的设计要求是相违背的，因此发展高效双层壁冷却技术对于提升我国燃气轮机技术具有重要意义。
由于双层壁结构最先用于燃烧室冷却设计中，常规双层壁结构(如图1 所示)大多沿流向和展向具有同样的排列方式。这就使得气膜孔沿展向和流向的间距相当。但对于燃气透平叶片气膜冷却来说，由于气膜沿流向能作用较远的距离，而沿展向的作用空间很有限。如果把典型双层壁直接用于叶片冷却中，这将会消耗大量的冷却空气。同时透平动叶片前缘前缘空间狭小、当地主流静压较大，而双层壁结构的流动阻力又比较大，把透平叶片前缘设计成双层壁结构时存在着冷气因压差太小流不出去的问题。
发明内容
针对现有透平叶片双层壁冷却设计技术的缺点和不足，本发明的目的是提供一种适用于燃气轮机透平动叶的双层壁冷却与气膜冷却组合式冷却结构设计。与常规叶片不同的是，叶身由带肋通道结构改为双层壁冷却结构。由于双层壁冷却结构会带来带肋通道所不具有的冲击冷却效果，因而在同样的冷气量条件下，会具有更高的综合冷效，使得叶片壁温更低。同时为了减小双层壁冷却结构的流动阻力，把圆柱肋设计为半高型圆柱肋。
本发明为实现其技术目的所采取的技术方案为：
一种双层壁冷却加气膜冷却组合式透平叶片结构，其特征在于，叶片前缘区域采用气膜冷却，叶身主体区域采用双层壁冷却，其中，
所述叶身主体区域包括沿叶片展向延伸的若干个独立的冷气腔室，各所述冷气腔室的压力面和吸力面的壁面均为双层壁结构，所述双层壁结构包括带气膜孔的外侧壁、带冲击孔的内侧壁以及位于所述内侧壁和外侧壁之间呈阵列分布的半高型扰流柱，
所述叶片前缘区域设有沿叶片展向延伸的冷气通道，所述冷气通道的壁面上设有呈阵列分布的气膜通孔。
优选地，所述双层壁结构中，所述冲击孔和扰流柱沿流向和展向呈矩阵排列。
优选地，所述双层壁结构中，所述气膜孔根据叶片当地的热负荷设置任意位置和排数。
优选地，所述双层壁结构中，所述冲击孔为圆形，扰流柱为圆柱形。
优选地，所述双层壁结构中，所述冲击孔为沿流向和展向矩阵排列，故双层壁内的冷气流量沿流向逐渐增大。
优选地，所述双层壁结构中，所述气膜孔为圆柱孔或锥形孔，气膜孔排数和相对位置可根据需要任意布置。
优选地，所述双层壁结构中，所述气膜孔沿流向的夹角α可以为30度至 90度之间的任意角度。
优选地，所述叶身主体区域包括由隔板隔开的前冷气腔室和后冷气腔室，所述前冷气腔室的压力侧壁面设置为压力面前部双层壁区，吸力侧壁面设置为吸力面前部双层壁区；所述后冷气腔室的压力侧壁面设置为压力面后部双层壁区，吸力侧壁面设置为吸力面后部双层壁区。
优选地，叶片尾缘采用间断劈缝结构，尾缘上的劈缝与吸力面后部双层壁区连通。
同现有技术相比，本发明的双层壁冷却加气膜冷却组合式透平叶片结构的优点在于：(1)与常规双层壁冷却结构相比，本发明双层双层壁中气膜孔排数和位置可根据当地的热负荷任意布置，有利于气膜孔的优化布局设计； (2)由于动叶片的前缘空间狭小且当地主流静压较大，不适合采用双层壁，故采用了传统气膜冷却方案；(3)本发明的尾缘劈缝和吸力面后部双层壁是相连通的，这样设计可以用同一股冷气先后冷却吸力面叶身及叶片尾缘。
附图说明
图1为常规双层壁冷却结构示意图
图2为本发明的双层壁冷却加气膜冷却组合式透平叶片结构示意图；
图3为本发明的双层壁冷却加气膜冷却组合式透平叶片的横截面图；
图4为常规带肋通道叶片和双层壁冷却加气膜冷却组合式冷却叶片的外侧壁温对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图2、3所示，本发明的双层壁冷却与气膜冷却组合式透平叶片结构，包括叶片前缘的气膜冷却结构和叶身主体的双层壁冷却结构。叶片前缘区域设有沿叶片展向延伸的冷气通道，冷气通道的壁面上设有呈阵列分布的气膜通孔。叶身主体区域包括沿叶片展向延伸的2个冷气腔室1，每个冷气腔室1 的吸力面和压力面的壁面均为双层壁冷却区，分别是压力面前部双层壁区、吸力面前部双层壁区、压力面后部双层壁区，吸力后部双层壁区。各冷气腔室1的壁面均为双层壁结构。双层壁包括带冲击孔2的内侧板、半高型扰流柱3和带有气膜孔4的外侧板。叶片尾缘采用间断劈缝结构，尾缘上的劈缝 5与吸力面后部双层壁区连通。
为了说明双层壁冷却加气膜冷却组合式透平冷却叶片的性能，以某气冷却动叶片为例，采用流热耦合方法计算得到了原始传统带肋通道方案和采用本发明冷却结构改型设计方案的叶片金属温度，图4给出了计算得到的叶片外侧壁面温度。为了保证可比性，本发明采用了与原始带肋通道结构方案同样的气膜孔设计方案。结果表明本发明在叶片的大部分区域可降低壁面温度 100K以上，由于前缘冷却结构未做改变，其温度分布也基本一致。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。需要注意的是，按照惯例，权利要求中使用单个元件意在包括一个或多个这样的元件。

Claims (6)

1.一种双层壁冷却与气膜冷却组合式透平叶片结构，其特征在于，叶片前缘区域采用气膜冷却，叶身主体区域采用双层壁冷却，其中，
所述叶身主体区域包括沿叶片展向延伸的若干个独立的冷气腔室，各所述冷气腔室的压力面和吸力面的壁面均为双层壁结构，所述双层壁结构包括带气膜孔的外侧壁、带冲击孔的内侧壁以及位于所述外侧壁上的半高型扰流柱，
所述叶片前缘区域设有一沿叶片展向延伸的冷气通道，所述冷气通道的壁面上设有呈阵列分布的气膜通孔。
2.根据权利要求1所述的透平叶片结构，其特征在于，所述冲击孔为圆形，所述扰流柱为圆柱形。
3.根据权利要求1所述的透平叶片结构，其特征在于，所述双层壁结构中，所述气膜孔为圆柱孔或锥形孔。
4.根据权利要求1所述的透平叶片结构，其特征在于，所述双层壁结构中，所述气膜孔沿流向的夹角α为30度至90度之间的任意角度。
5.根据权利要求1所述的透平叶片结构，其特征在于，所述叶身主体区域包括由隔板隔开的前冷气腔室和后冷气腔室，所述前冷气腔室的压力侧壁面设置为压力面前部双层壁区，吸力侧壁面设置为吸力面前部双层壁区；所述后冷气腔室的压力侧壁面设置为压力面后部双层壁区，吸力侧壁面设置为吸力面后部双层壁区。
6.根据权利要求6所述的透平叶片结构，其特征在于，叶片尾缘采用间断劈缝结构，尾缘上的劈缝与吸力面后部双层壁区连通。
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