CN108979734B - 一种带有旋流的涡轮叶片多通道冷却结构和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有旋流的涡轮叶片多通道冷却结构和装置，包括涡轮叶片内部的第一冷却通道、第二冷却通道和第三冷却通道，所述第一冷却通道与所述第二冷却通道通过第一隔板隔开，所述第二冷却通道与所述第三冷却通道通过第二隔板隔开，所述第一冷却通道与所述第二冷却通道通过第一隔板切向槽/横向槽相连，所述第二冷却通道与第三冷却通道通过第二隔板切向槽/横向槽相连。所述第二冷却通道和第三冷却通道通过切向槽/横向槽形成旋流通道，增大了涡轮叶片冷却传热系数，改善了冷却通道的传热不均匀性，极大地提高了涡轮叶片的冷却效果。

Description

一种带有旋流的涡轮叶片多通道冷却结构和装置

技术领域

本发明涉及涡轮叶片冷却领域，尤其涉及一种带有旋流的涡轮叶片多通道冷却结构和装置。

背景技术

现有的航空发动机和燃气轮机涡轮叶片采用带有折弯的多通道内部冷却结构。这样的涡轮叶片内部冷却通道通常由涡轮叶片压力面和吸力面的内壁面以及隔板组成三通道冷却结构，扰流肋结构通常布置在冷却通道的压力面和吸力面的内壁面上。扰流肋在冷却通道内扰动边界层流动，增强了壁面传热性能，从而为涡轮叶片内部提供增强的冷却。增强冷却通道的传热性能有利于减少涡轮叶片冷却空气的用量，这对于提高航空发动机和燃气轮机的热效率是有利的。另一方面，为满足涡轮叶片疲劳强度和寿命的要求，需要涡轮叶片内部冷却提供尽可能均匀的传热性能。

现有的涡轮叶片多通道扰流肋冷却缺点：1)由于多通道内部冷却存在多个流道折弯，造成第二冷却通道和第三冷却通道在隔板附近出现大面积的流动分离，并在第二冷却通道和第三冷却通道的压力面和吸力面的内壁面上形成大面积的低换热区，这对于涡轮叶片内部冷却十分不利；2)另一方面，由于涡轮叶片旋转，在科氏力和浮升力的作用下，内部冷却通道的迎风面壁面上传热显著降低，而背风面壁面上传热增强，造成涡轮叶片内部冷却很不均匀，这不利于涡轮叶片冷却对传热均匀性的要求。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种带有旋流的涡轮叶片多通道冷却结构和装置，改善冷却通道传热不均匀性，提高涡轮叶片的冷却效果。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是涡轮叶片第二冷却通道和第三冷却通道的内壁面存在大面积的低换热区，以及涡轮叶片内部冷却不均匀。

为实现上述目的，本发明提供了一种带有旋流的涡轮叶片多通道冷却结构和装置，其特征在于，包括涡轮叶片内部的第一冷却通道、第二冷却通道和第三冷却通道，所述第一冷却通道与所述第二冷却通道通过第一隔板隔开，所述第二冷却通道与所述第三冷却通道通过第二隔板隔开，所述第一冷却通道与所述第二冷却通道相连，所述第二冷却通道与所述第三冷却通道相连。

进一步地，所述第一冷却通道采用扰流肋通道，所述扰流肋布置在所述第一冷却通道的压力面和吸力面的内部壁面上。

进一步地，在所述第一冷却通道顶部，所述第一隔板横向开有单个或多个第一隔板切向槽/第一隔板横向槽，所述第一隔板切向槽/第一隔板横向槽连接所述第一冷却通道和所述第二冷却通道，气流从所述第一通道流经所述第一隔板切向槽/第一隔板横向槽进入所述第二冷却通道，并在所述第二冷却通道内形成旋流。

进一步地，所述第一隔板切向槽/第一隔板横向槽靠近旋转涡轮叶片吸力面壁面一侧，所述第一隔板切向槽与所述第二冷却通道吸力面侧壁面相切，所述第一隔板横向槽与所述第二冷却通道吸力面侧壁面成一定角度。

进一步地，在所述第二冷却通道底部，所述第二隔板横向开有单个或多个第二隔板切向槽/第二隔板横向槽，所述第二隔板切向槽/第二隔板横向槽连接所述第二冷却通道和所述第三冷却通道，气流从所述第二冷却通道流经所述第二隔板切向槽/第二隔板横向槽进入所述第三冷却通道，并在所述第三冷却通道内形成旋流。

进一步地，所述第二隔板切向槽/第二隔板横向槽靠近旋转涡轮叶片压力面壁面一侧，所述第二隔板切向槽与所述第三冷却通道压力面侧壁面相切，所述第二隔板横向槽与所述第三冷却通道压力面侧壁面成一定角度。

进一步地，所述第二冷却通道采用圆形、或椭圆形、或角区带有倒圆的矩形截面通道。

进一步地，所述第三冷却通道采用圆形、或椭圆形、或角区带有倒圆的矩形截面通道。

本发明提出了一种由扰流肋通道和旋流通道共同形成的涡轮叶片内部多通道冷却结构和冷却装置，第一冷却通道采用扰流肋通道，第二冷却通道和第三冷却通道通过切向槽/横向槽形成旋流冷却，具有以下技术效果：

1)第二冷却通道和第三冷却通道内采用旋流冷却具有比扰流肋冷却更高的传热系数。

2)旋流冷却具有周向均匀的传热性能，克服了传统的带折弯的多通道冷却结构第二冷却通道和第三冷却通道壁面由于流动分离带来的传热不均匀性问题。

3)第二冷却通道和第三冷却通道内的旋流冷却不受叶片旋转的影响，从而为涡轮叶片内部提供稳定、均匀的传热性能。

4)由于隔板表面也具有高传热性能，因此旋流冷却通道具有比常规冷却通道更大的高传热面积，从而为涡轮叶片提供更高的冷却能力。

5)切向槽/横向槽布置在第二隔板的吸力面壁面一侧，以及第二隔板的压力面壁面一侧，改善了旋转冷却通道的传热不均匀性。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的带有旋流的涡轮叶片多通道冷却结构和装置的涡轮叶片切面图；

图2是本发明的一个较佳实施例的带有旋流的涡轮叶片多通道冷却结构和装置的涡轮叶片示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的带有旋流的涡轮叶片多通道冷却结构和装置的切面图；

图4是本发明的一个较佳实施例的带有旋流的涡轮叶片多通道冷却结构和装置第二冷却通道为圆形的截面图；

图5是本发明的一个较佳实施例的带有旋流的涡轮叶片多通道冷却结构和装置第二冷却通道为带倒圆矩形的截面图；

图6是本发明的一个较佳实施例的带有旋流的涡轮叶片多通道冷却结构与常规的带折弯的涡轮叶片多通道冷却结构在传热性能上的比较。

其中，1-第一冷却通道，2-第二冷却通道，3-第三冷却通道，4-第一隔板，5-第二隔板，6-第一隔板切向槽/第一隔板横向槽，7-第二隔板切向槽/第二隔板横向槽，8-压力面，9-吸力面，11-扰流肋。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本发明提出一种带有旋流的涡轮叶片多通道冷却结构和装置，如图1所示，在涡轮叶片内部包括第一冷却通道1、第二冷却通道2和第三冷却通道3，第一冷却通道1与第二冷却通道2之间通过第一隔板4隔开，第二冷却通道2与第三冷却通道3之间通过第二隔板5隔开。

如图2所示，第一冷却通道1采用常规的扰流肋通道，扰流肋11布置在第一冷却通道1的压力面8和吸力面9内部壁面上，第一冷却通道1截面为矩形或者楔形，通道宽高比较大，在本具体实施例中，第一冷却通道为楔形，宽高比为4：1，该高宽比下，扰流肋11效果明显，增强了第一冷却通道1的冷却性能。

在本具体实施例中，第一冷却通道1的顶部(即涡轮叶片顶部)，第一隔板4上横向开有单个或多个第一隔板切向槽/第一隔板横向槽6，这些第一隔板切向槽/第一隔板横向槽6位于第一隔板4的同一侧，通过第一隔板切向槽/第一隔板横向槽6将第一冷却通道1顶部与第二冷却通道2相连，如图3所示。

第一隔板切向槽/第一隔板横向槽6靠近旋转涡轮叶片吸力面9壁面一侧(即旋转迎风面)。冷却空气由第一冷却通道1进入，经过第一冷却通道1的扰流肋11进行冷却后，通过第一隔板切向槽/第一隔板横向槽6向第二冷却通道2切向供气，并在第一隔板切向槽/第一隔板横向槽6内形成高速切向射流注入第二冷却通道2，在第二冷却通道2内形成旋流以及旋流冷却。第二冷却通道2内的冷却空气以旋流方式从顶部运动到底部。

第一隔板切向槽/第一隔板横向槽6包括切向槽和横向槽，其中切向槽的槽道与第二冷却通道2的吸力面9的侧壁面相切，横向槽的槽道与第二冷却通道2的吸力面9的侧壁面成一定的角度，以形成倾斜的射流冲击到第二冷却通道2的吸力面9，这样有利于在第二冷却通道2内形成旋流。

在第二冷却通道2的底部，第二隔板5中横向开有单个或多个第二隔板切向槽/第二隔板横向槽7，这些第二隔板切向槽/第二隔板横向槽7位于第二隔板5的同一侧，通过第二隔板切向槽/第二隔板横向槽7将第二冷却通道2底部与第三冷却通道3相连。

第二隔板切向槽/第二隔板横向槽7靠近旋转涡轮叶片压力面8壁面一侧，这有利于改善第二冷却通道2压力侧壁面的传热性能。来自第二冷却通道2的冷却空气通过第二隔板切向槽/第二隔板横向槽7产生切向射流注入第三冷却通道3，并在第三冷却通道3内形成旋流以及旋流冷却。第三冷却通道3内的冷却空气以旋流方式从底部运动到顶部，并从叶片顶部的气膜冷却孔排出。

第二隔板切向槽/第二隔板横向槽7包括切向槽和横向槽，其中切向槽的槽道与第三冷却通道3的压力面8的侧壁面相切，而横向槽的槽道与第三冷却通道3的压力面8的侧壁面成一定的角度，以形成倾斜的射流冲击到第三冷却通道3的压力面8，这样有利于在第三冷却通道3内形成旋流。

在本具体实施例中，第二冷却通道2采用圆柱形，第三冷却通道3也采用圆柱形，如图4所示，这有利于冷却通道的加工。

在其他较优实施例中，为了充分利用涡轮叶片内部空间，增强涡轮叶片的冷却效果，第二冷却通道2可采用角区带有倒圆的矩形截面通道，如图5所示，或者采用圆形或椭圆形截面通道。第三冷却通道3也采用圆形或角区带有倒圆的矩形截面通道。

将本发明的一个较佳实施例的带有旋流的涡轮叶片多通道冷却结构进行传热性能测试，并与常规的带折弯的涡轮叶片多通道冷却结构的传热性能进行比较，如图6所示，可以看出，带有旋流的冷却通道传热性能比不带旋流的冷却通道提高50％以上。

本发明提出了一种由扰流肋通道和旋流通道共同形成的涡轮叶片内部多通道冷却结构和冷却装置，在第二冷却通道2和第三冷却通道3内采用旋流冷却，与扰流肋冷却相比，具有更高的传热系数。旋流冷却具有周向均匀的传热性能，且不受涡轮叶片旋转的影响，从而为涡轮叶片内部提供稳定、均匀的传热性能。第一隔板4和第二隔板5表面也具有高传热性能，因此旋流冷却通道具有比常规冷却通道更大的高传热面积，从而大大提高了涡轮叶片的冷却能力。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种带有旋流的涡轮叶片多通道冷却结构，其特征在于，包括涡轮叶片内部的第一冷却通道、第二冷却通道和第三冷却通道，所述第一冷却通道与所述第二冷却通道通过第一隔板隔开，所述第二冷却通道与所述第三冷却通道通过第二隔板隔开；在所述第一冷却通道顶部，所述第一隔板横向开有单个或多个第一隔板切向槽/第一隔板横向槽，所述第一隔板切向槽/第一隔板横向槽连接所述第一冷却通道和所述第二冷却通道，气流从所述第一冷却通道流经所述第一隔板切向槽/第一隔板横向槽进入所述第二冷却通道，并在所述第二冷却通道内形成旋流；在所述第二冷却通道底部，所述第二隔板横向开有单个或多个第二隔板切向槽/第二隔板横向槽，所述第二隔板切向槽/第二隔板横向槽连接所述第二冷却通道和所述第三冷却通道，气流从所述第二冷却通道流经所述第二隔板切向槽/第二隔板横向槽进入所述第三冷却通道，并在所述第三冷却通道内形成旋流；所述第一隔板切向槽/第一隔板横向槽靠近旋转涡轮叶片吸力面壁面一侧，所述第一隔板切向槽与所述第二冷却通道吸力面侧壁面相切，所述第一隔板横向槽与所述第二冷却通道吸力面侧壁面成一定角度；所述第二隔板切向槽/第二隔板横向槽靠近旋转涡轮叶片压力面壁面一侧，所述第二隔板切向槽与所述第三冷却通道压力面侧壁面相切，所述第二隔板横向槽与所述第三冷却通道压力面侧壁面成一定角度。

2.如权利要求1所述的带有旋流的涡轮叶片多通道冷却结构，其特征在于，所述第二冷却通道采用圆形、或椭圆形、或角区带有倒圆的矩形截面通道。

3.如权利要求1所述的带有旋流的涡轮叶片多通道冷却结构，其特征在于，所述第三冷却通道采用圆形、或椭圆形、或角区带有倒圆的矩形截面通道。

4.如权利要求1所述的带有旋流的涡轮叶片多通道冷却结构，其特征在于，所述第一冷却通道采用扰流肋通道，所述扰流肋布置在所述第一冷却通道的压力面和吸力面的内部壁面上。

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