CN109812301A - 一种具有横向通气孔的涡轮叶片双层壁冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有横向通气孔的涡轮叶片双层壁冷却结构，涉及涡轮叶片冷却结构领域，其特征在于，包括外层壁、内层壁、短隔板和长隔板，涡轮叶片的外层壁上设置有气膜孔，内层壁上设置有射流孔，短隔板连接在外层壁和内层壁之间将外层壁和内层壁之间的空间分隔为至少两个冷却单元，短隔板上设有横向通气孔，内层壁围成的腔室被长隔板分隔，且至少分隔为两个进气腔室。本发明改善了冷却气膜的附壁效果，提高了气膜的冷却效率；平衡了涡轮叶片上游和下游的气膜孔冷却气体流量，使得涡轮叶片冷却更均匀，同时改善涡轮叶片尾缘冷却效果；增加了换热面积，减轻了涡轮叶片重量，加工简单，容易实现。

Description

一种具有横向通气孔的涡轮叶片双层壁冷却结构

技术领域

本发明涉及涡轮叶片冷却结构领域，尤其涉及一种具有横向通气孔的涡轮叶片双层壁冷却结构。

背景技术

现代燃气轮机的发展追求更高的热效率，提高涡轮前燃气温度是重要的技术手段。为解决这个问题，除了不断发展新材料和新工艺以外，决定性的因素之一是对涡轮叶片采用先进的高效强化冷却技术以保障涡轮叶片可靠的工作，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。涡轮叶片的冷却技术主要从两个方面进行：一是强化涡轮叶片内部冷却空气的扰动，增加涡轮叶片内部的换热面积，二是在叶片表面采用气膜冷却，以有效阻隔高温燃气对涡轮叶片的对流换热。所以将涡轮叶片掏空，在内部通入温度较低冷却气体，从而降低叶片壁面的温度。目前主要有气膜冷却、冲击冷却、粗糙肋和扰流柱强化冷却等。其基本冷却原理是冷气从叶片下部进入叶片内部，通过内流冷却通道，对叶片的内表面实施有效的冷却。一部分冷气通过冲击孔，以冲击冷却的形式对叶片前缘内表面进行冷却；一部分通过气膜孔流出，在涡轮叶片表面形成一层冷气薄层，对叶片外表面进行有效的保护。

现有的涡轮叶片双层壁冷却方案中，冷却结构包括多个独立冷却单元，叶片内部进气腔室独立地为其相邻的双层壁冷却单元供气，由于气膜冷却空气流速较大，使得冷却气流脱离叶片外层壁面，一方面降低了外侧气膜冷却效率，另一方面强烈地扰乱了涡轮叶片外壁面高温燃气流动边界层，使涡轮外表面燃气流动传热系数增加，叶片外壁面热负荷增加，这恶化了涡轮叶片总体冷却效果；过高的气膜冷却空气流速使得涡轮外表面气动损失增加，降低了涡轮气动效率；冷却单元外层壁面上的上游气膜孔压力高，热负荷高；而下游气膜孔压力低，热负荷低，因此双层壁冷却单元中的气膜孔分配的冷却气体流量不均匀和不合理，不利于实现涡轮叶片壁面均匀的冷却需求。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种具有横向通气孔的涡轮叶片双层壁冷却结构，改善了外部冷却气流的附壁效果，提高气膜冷却效率；降低了气膜冷却气流对外部主流的扰乱程度，降低了涡轮叶片外部热负荷；提高该双层壁冷却单元上游的气膜孔冷气流量，并减少双层壁冷却单元下游气膜孔冷气流量，使得涡轮叶片的冷却更均匀；改善涡轮叶片尾缘冷却效果，增加内部冷气换热面积，提高涡轮叶片内部冷却性能。

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现有的涡轮叶片双层壁冷却结构方案中，气膜冷却空气流速较大，使得冷却气流脱离叶片外层壁面，降低了外侧气膜冷却效率，降低了涡轮气动效率；外层壁上下游气膜孔压力不均导致冷却不均匀，影响了涡轮叶片总体冷却效果。

为实现上述目的，本发明提供了一种具有横向通气孔的涡轮叶片双层壁冷却结构，其特征在于，包括外层壁、内层壁、短隔板和长隔板，涡轮叶片的所述外层壁上设有气膜孔，所述内层壁上设有射流孔，所述短隔板连接在所述外层壁和所述内层壁之间将所述外层壁和所述内层壁之间的空间分隔为至少两个冷却单元，所述短隔板上设有横向通气孔，所述内层壁围成的腔室被所述长隔板分隔，且至少分隔为两个进气腔室。

进一步地，所述涡轮叶片的尾部设有尾缘排气缝。

进一步地，所述横向通气孔的横截面形状为圆形。

进一步地，所述短隔板数量为2-10个。

进一步地，所述气膜孔中心线与所述外层壁水平面呈25°～35°的夹角。

进一步地，所述冷却单元的所述外层壁上包含的所述气膜孔数量按所述冷却单元容积大小设置。

进一步地，所述冷却单元的所述内层壁上包含的所述射流孔数量按所述冷却单元容积大小设置。

进一步地，所述长隔板延伸方向为所述涡轮叶片的纵向宽度方向。

进一步地，所述外层壁和所述内层壁之间设有扰流柱。

进一步地，所述外层壁的内表面设有粗糙肋。

在本发明的较佳实施例中，所述长隔板延伸方向两端分别设有一块所述短隔板，每个所述冷却单元仅由一个进气腔室提供冷却气体。

本发明提供一种具有横向通气孔的涡轮叶片双层壁冷却结构至少具有以下有益的技术效果：

1、本发明通过在短隔板上的横向通气孔减少了气膜冷却的冷气流量，改善了冷却气膜的附壁效果，提高了气膜的冷却效率。

2、本发明通过在短隔板上的横向通气孔平衡了涡轮叶片上游和下游的气膜孔冷气流量，使得涡轮叶片冷却更均匀，同时有一部分冷却气体流通过横向通气孔流向涡轮叶片尾部从尾缘排气缝流出，有利于改善涡轮叶片尾部冷却效果。

3、本发明通过在短隔板上的横向通气孔增加了换热面积，减轻了涡轮叶片重量，加工简单，容易实现。

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一种具有横向通气孔的涡轮叶片双层壁冷却结构的剖面示意图。

其中，涡轮叶片10，外层壁11，内层壁12，冷却单元13，气膜孔14，射流孔18，短隔板19，长隔板15，横向通气孔20，进气腔室21，尾缘排气缝23。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的一个优选实施例，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。

如图1所示，本实施例的具有横向通气孔的涡轮叶片双层壁冷却结构，包括涡轮叶片10的外层壁11、内层壁12、短隔板19和长隔板15。外层壁11上设有气膜孔14，气膜孔14中心线与外层壁11水平面呈25°～35°的夹角。内层壁12上设有射流孔18。内层壁12围成的腔室被若干个长隔板15分割为若干个进气腔室21。在本实施例中，用三块长隔板15分隔为四个进气腔室21。在外层壁11和内层壁12之间设置有若干个短隔板19，将外层壁11和内层壁12之间的空间分割成若干个冷却单元13。在本实施例中，共设置有六块短隔板19连接在外层壁11和内层壁12之间，将外层壁11和内层壁12之间的空间分隔为六个冷却单元13，且每个冷却单元13仅与一个进气腔室21相通。

在每个冷却单元13的外层壁11上至少设置有一个气膜孔14，每个冷却单元13的气膜孔14数量可根据冷却单元13的容积大小予以调整。在本实施例中，位于两侧的冷却单元13包含有3个气膜孔14，位于顶部的冷却单元13包含有7个气膜孔14，位于尾部的冷却单元13包含有6个气膜孔14。

在每个冷却单元13的内层壁12上至少设置有一个射流孔18，每个冷却单元13的射流孔18的数量可根据冷却单元13的容积大小予以调整。在本实施例中，位于两侧的冷却单元13包含有2个射流孔18，位于顶部的冷却单元13包含有5个射流孔18，位于尾部的冷却单元13包含有4个射流孔18。

短隔板19上设有横向通气孔20，横向通气孔20横截面形状为圆形，且横向通气孔20的中心线与短隔板19水平面成90°垂直。为了给气膜孔14提供更好的进气条件，横向通气孔20的高度小于冷却单元13的高度，且横向通气孔20的内壁面不与外层壁11的内壁面平齐。

横向通气孔20的大小和数量根据涡轮叶片10的冷却需求设置，数量为2-10个，在本实施例中，设置了6个横向通气孔20。同时，既可以在涡轮叶片10的单侧短隔板19上设置横向通气孔20，也可以在涡轮叶片10的两侧短隔板19上均设置横向通气孔20。在本实施例中，在涡轮叶片10的两侧均设置了横向通气孔20。

涡轮叶片10的尾部设有尾缘排气缝23，使得一部分冷却气体流向涡轮叶片10的尾部，有利于改善涡轮叶片尾部的冷却效果。

为了进一步加强冷却效果，在外层壁11的内表面还设置有粗糙肋，还可以在外层壁11和内层壁12之间设置扰流柱。

本实施例中的具有横向通气孔的涡轮叶片双层壁冷却结构冷却过程如下：

在进气腔室21通入温度较低的冷却气体，由于进气腔室21相对冷却单元13压力较高，这些冷却气体以冲击的方式通过内层壁12上射流孔18对外层壁11内表面形成冲击冷却，每个冷却单元13仅由与其相邻的一个冷却腔室21提供冷却气体，一部分冷却气体通过外层壁11上的气膜孔14流出，并在涡轮叶片10外层壁11上形成气膜冷却，另一部分冷却气体从隔板19上的横向通气孔20流向下一个冷却单元13，使得上游气膜孔14和下游气膜孔14的冷却气体分布更为均匀；在冷却单元13中，气体经过扰流柱，被扰动强化换热进一步降低叶片温度后流向尾部，部分冷却气体通过尾缘排气缝23排出，对涡轮叶片尾部进行冷却。

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 (10)

1.一种具有横向通气孔的涡轮叶片双层壁冷却结构，其特征在于，包括外层壁、内层壁、短隔板和长隔板，涡轮叶片所述外层壁上设有气膜孔，所述内层壁上设有射流孔，所述短隔板连接在所述外层壁和所述内层壁之间，将所述外层壁和所述内层壁之间的空间分隔为至少两个冷却单元，所述短隔板上设有横向通气孔，所述内层壁围成的腔室被所述长隔板分隔，且至少分隔为两个进气腔室。

2.如权利要求1所述的具有横向通气孔的涡轮叶片双层壁冷却结构，其特征在于，所述涡轮叶片的尾部设有尾缘排气缝。

3.如权利要求1所述的具有横向通气孔的涡轮叶片双层壁冷却结构，其特征在于，所述横向通气孔的横截面形状为圆形。

4.如权利要求1所述的具有横向通气孔的涡轮叶片双层壁冷却结构，其特征在于，所述短隔板数量为2-10个。

5.如权利要求1所述的具有横向通气孔的涡轮叶片双层壁冷却结构，其特征在于，所述气膜孔中心线与所述外层壁水平面呈25°～35°的夹角。

6.如权利要求1所述的具有横向通气孔的涡轮叶片双层壁冷却结构，其特征在于，所述冷却单元的所述外层壁上包含的所述气膜孔数量按所述冷却单元容积大小设置。

7.如权利要求1所述的具有横向通气孔的涡轮叶片双层壁冷却结构，其特征在于，所述冷却单元的所述内层壁上包含的所述射流孔数量按所述冷却单元容积大小设置。

8.如权利要求1所述的具有横向通气孔的涡轮叶片双层壁冷却结构，其特征在于，所述长隔板延伸方向为涡轮叶片的纵向宽度方向。

9.如权利要求1所述的具有横向通气孔的涡轮叶片双层壁冷却结构，其特征在于，所述外层壁和所述内层壁之间设有扰流柱。

10.如权利要求1所述的具有横向通气孔的涡轮叶片双层壁冷却结构，其特征在于，所述外层壁的内表面设有粗糙肋。