CN108590776A - 一种使用三棱锥涡流发生器的涡轮叶片冷却方法 - Google Patents

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鲍锋
吴榕
江裕荣
邱玥
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • 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
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling

Abstract

一种使用三棱锥涡流发生器的涡轮叶片冷却方法，涉及涡流发生器。当三棱锥侧面迎着冷却气流，冷却气流通过所述三棱锥涡流发生器时，利用冷却气流在三棱锥涡流发生器两侧卷起的涡旋，使涡轮叶片冷却通道壁面流体和主流得到充分掺混；当三棱锥侧面背向冷却气流，冷却气流通过所述三棱锥涡流发生器时，利用冷却气流在三棱锥涡流发生器两侧卷起的涡旋，使涡轮叶片冷却通道壁面流体和主流得到充分掺混；在涡轮叶片冷却通道壁面上成顺排或交错差排布置三棱锥涡流发生器，所述两排三棱锥涡流发生器之间的间距以棱的长度H为基准。

Description

一种使用三棱锥涡流发生器的涡轮叶片冷却方法
技术领域
本发明涉及涡流发生器，尤其是涉及一种使用三棱锥涡流发生器的涡轮叶片冷却方法。
背景技术
目前燃气轮机的应用范围日益扩大，在航空航天、坦克舰船动力、工业发电等领域起着不可替代的作用。特别地，随着航空工业的不断发展，对航空涡轮发动机的推力、效率等指标的要求也越来越高。根据布莱顿循环和研究([1]Bunker,R.S.(2013).TurbineHeatTransfer and Cooling:An Overview[C].Proceedings of ASME TurboExpo,2013:Paper No.GT2013-94174)可知，涡轮前温度T3 *每提高56K，燃气轮机的输出功率可增大8％～13％，循环效率可增长2％～4％。而典型航空发动机F119的涡轮前温度已经达到1950K，远远超出叶片材料的耐受温度。目前主要通过三种方法保障叶片的耐热性能，一是发展新型耐高温材料，二是改进涡轮叶片的冷却结构，三是提高冷却气体的品质。由于金属材料的性能受温度影响很大，超过一定温度之后其性能衰退严重，因而目前材料技术的发展速度是满足不了工程需要的。而提高冷气品质的方法一般通过换热器用外涵道气流或者航空燃油来冷却，但换热器占据的空间和重量有碍飞机性能。因此目前更为有效的发展方向是采用冷却结构来降低叶片的温度，在叶片内部设置气冷通道。涡轮叶片的蛇形通道内设置了扰流肋，增大换热面积的同时，强化气流扰动，破坏热边界层的发展来强化传热。
涡轮叶片采用冷却技术，可以在不改变可用金属材料的情况下提高涡轮前燃气温度，但如果冷却措施采取不当，也可能带来涡轮效率降低、叶片温度场不均匀性增加等不利影响。衡量冷却效果的主要指标有：1)最高温度不能超过材料许用温度。2)内部的温差尽可能小，以减小热应力。3)流阻损失要小，保证高压冷却空气用量尽量少。目前涡轮叶片冷却通道使用的是方形扰流肋，在方形扰流肋的后方存在一个低速回流区。这里的空气流动速度小，对流冷却系数较小，因此涡轮叶片壁面在扰流肋的后方温度普遍偏高，存在着较大的温度梯度和热应力。GE公司Bunker([2]Gas Turbine Heat Transfer:10Remaining HotGas Path Challenges[C].Proceedings of ASME Turbo Expo,2006:Paper No.GT2006-90002)于2006年提出涡轮叶片传热设计领域未来的10个挑战，其中就包含了内部冷却的均匀性。
发明内容
本发明的目的在于提供利用冷却空气经过三棱锥涡流发生器时产生的涡旋，可以使叶片温度分布更均匀，可实现降低涡轮叶片温度、减小冷却通道温度梯度和流动损失小的要求，将三棱锥涡流发生器成排布置在涡轮叶片冷却通道的壁面上，替代原有的扰流肋来实现强化冷却目的一种使用三棱锥涡流发生器的涡轮叶片冷却方法。
本发明包括以下步骤：
1)当三棱锥侧面迎着冷却气流，冷却气流通过所述三棱锥涡流发生器时，利用冷却气流在三棱锥涡流发生器两侧卷起的涡旋，使涡轮叶片冷却通道壁面流体和主流得到充分掺混；
2)当三棱锥侧面背向冷却气流，冷却气流通过所述三棱锥涡流发生器时，利用冷却气流在三棱锥涡流发生器两侧卷起的涡旋，使涡轮叶片冷却通道壁面流体和主流得到充分掺混；
3)在涡轮叶片冷却通道壁面上成顺排或交错差排布置三棱锥涡流发生器，所述两排三棱锥涡流发生器之间的间距以棱的长度为基准。
在步骤3)中，所述两排三棱锥涡流发生器之间的间距优选棱的长度3～5倍；相邻两个三棱锥涡流发生器的间距优选棱的长度5～10倍。
本发明具有以下特点：
1)采用三棱锥涡流发生器替代传统的扰流肋来作为涡轮叶片的冷却结构，利用采用冷却气流通过三棱锥涡流发生器时卷起的涡旋，使涡轮叶片冷却通道壁面流体和主流得到充分掺混，提高对流换热效果；
2)三棱锥涡流发生器棱垂直于三棱锥底面，这样的冷却结构在涡轮叶片加工制造中更容易实现。
3)三棱锥涡流发生器迎风面积小，可减小流动阻力，使整体的流动损失大大降低。
本发明实现涡轮叶片冷却通道壁面温度分布均匀、流动阻力较小的冷却效果，在涡轮叶片冷却通道壁面上成排布置三棱锥涡流发生器，利用空气流过三棱锥在其两侧卷起的涡旋使通道壁面流体和主流得到充分掺混，达到了强化冷却效果。并且这两个涡旋能使三棱锥后方空气保持较高的流动速度，解决了传统带肋通道肋后方存在流动低速区、温度较高的问题。
附图说明
图1为三棱锥涡流发生器的设计图。
图2为三棱锥涡流发生器迎风状态产生涡旋的示意图。
图3为三棱锥涡流发生器背风状态产生涡旋的示意图。
图4为三棱锥涡流发生器顺排方式布置示意图。
图5为三棱锥涡流发生器交错插排方式布置示意图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明实施例包括以下步骤：
1)当三棱锥侧面迎着冷却气流，冷却气流通过所述三棱锥涡流发生器时，利用冷却气流在三棱锥涡流发生器两侧卷起的涡旋，使涡轮叶片冷却通道壁面流体和主流得到充分掺混；
2)当三棱锥侧面背向冷却气流，冷却气流通过所述三棱锥涡流发生器时，利用冷却气流在三棱锥涡流发生器两侧卷起的涡旋，使涡轮叶片冷却通道壁面流体和主流得到充分掺混；
3)在涡轮叶片冷却通道壁面上成顺排或交错差排布置三棱锥涡流发生器，所述两排三棱锥涡流发生器之间的间距以棱的长度H为基准。
在步骤3)中，所述两排三棱锥涡流发生器之间的间距为棱的长度3～5倍；相邻两个三棱锥涡流发生器的间距为棱的长度5～10倍。
参见图1～5，棱2垂直于三棱锥底面3，当三棱锥侧面4迎着冷却气流5，冷却气流5通过所述三棱锥涡流发生器1时，利用冷却气流5在三棱锥涡流发生器1的两侧1a和1b卷起的涡旋6a、6b，使涡轮叶片冷却通道壁面流体9和主流10得到充分掺混，提高对流换热效果。当三棱锥侧面4背向冷却气流5，冷却气流5通过所述三棱锥涡流发生器1时，冷却气流5会在三棱锥涡流发生器1的两侧1a和1b卷起的涡旋7a和7b，同样能使涡轮叶片冷却通道壁面流体9和主流10得到充分掺混，增强换热。并且三棱锥涡流发生器1的迎风面积小，可减小流动阻力，使整体的流动损失大大降低。三棱锥涡流发生器1在涡轮叶片冷却通道壁面11上成排布置，两排之间的间距12以棱2的长度H为基准，棱2的长度优选为3～5H。相邻两个三棱锥涡流发生器1的间距13优选为3～5H。
本发明可实现涡轮叶片最高温度不超过材料许用温度、温差尽可能小和流动阻力较小的要求，设计出一种在涡轮叶片内部冷却通道布置的三棱锥涡流发生器。该方法在加工制造上易于实现，利用空气流过三棱锥在其两侧卷起的涡旋使通道壁面流体和主流得到充分掺混，来强化冷却效果。并且这两个涡旋能使三棱锥后方空气保持较高的流动速度，实现涡轮叶片冷却通道壁面温度分布均匀、流动阻力较小的冷却效果。

Claims (2)

1.一种使用三棱锥涡流发生器的涡轮叶片冷却方法，其特征在于包括以下步骤：
1)当三棱锥侧面迎着冷却气流，冷却气流通过所述三棱锥涡流发生器时，利用冷却气流在三棱锥涡流发生器两侧卷起的涡旋，使涡轮叶片冷却通道壁面流体和主流得到充分掺混；
2)当三棱锥侧面背向冷却气流，冷却气流通过所述三棱锥涡流发生器时，利用冷却气流在三棱锥涡流发生器两侧卷起的涡旋，使涡轮叶片冷却通道壁面流体和主流得到充分掺混；
3)在涡轮叶片冷却通道壁面上成顺排或交错差排布置三棱锥涡流发生器，所述两排三棱锥涡流发生器之间的间距以棱的长度为基准。
2.如权利要求1所述一种使用三棱锥涡流发生器的涡轮叶片冷却方法，其特征在于在步骤3)中，所述两排三棱锥涡流发生器之间的间距为棱的长度3～5倍；相邻两个三棱锥涡流发生器的间距为棱的长度5～10倍。
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