CN110017177A - 一种带水滴形扰流柱和腰圆形导流体的网格缝冷却结构 - Google Patents

一种带水滴形扰流柱和腰圆形导流体的网格缝冷却结构 Download PDF

Info

Publication number
CN110017177A
CN110017177A CN201910271262.4A CN201910271262A CN110017177A CN 110017177 A CN110017177 A CN 110017177A CN 201910271262 A CN201910271262 A CN 201910271262A CN 110017177 A CN110017177 A CN 110017177A
Authority
CN
China
Prior art keywords
plane
drop
baffle
conservancy diversion
water conservancy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910271262.4A
Other languages
English (en)
Inventor
朱惠人
姚春意
张博伦
刘存良
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northwestern Polytechnical University
Original Assignee
Northwestern Polytechnical University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Northwestern Polytechnical University filed Critical Northwestern Polytechnical University
Priority to CN201910271262.4A priority Critical patent/CN110017177A/zh
Publication of CN110017177A publication Critical patent/CN110017177A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • F01D5/186—Film cooling

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

本发明公开了一种带水滴形扰流柱和腰圆形导流体的网格缝冷却结构，通过在二维缝中布设水滴形扰流柱阵列，并在出口处设置导流斜面以及在斜面上有规律地布置腰圆形导流体而成。冷却结构包括进气腔、唇板、底板、水滴形扰流柱阵列、唇板导流斜面、底板导流斜面、腰圆形导流体。其中，水滴形扰流柱可减弱扰流柱后的流动分离和回流涡，减小流动阻力；水滴形扰流柱的尾端进行倒圆处理，以缓解其应力集中引起的结构强度问题。唇板导流斜面与底板导流斜面形成的倾斜出气通道降低了气流的法向动量，使气流更易贴附壁面形成气体保护膜，腰圆形导流体的布置可分流网格缝出口的气体，改善气流在壁面分布的均匀性，提高冷却效果。

Description

一种带水滴形扰流柱和腰圆形导流体的网格缝冷却结构
技术领域
本发明涉及燃气轮机涡轮叶片的冷却技术领域，具体地说，涉及一种带水滴形扰流柱和腰圆形导流体的网格缝冷却结构。
背景技术
在现代工业生产中，燃气轮机广泛应用于电力和航空等领域，是目前能源动力行业不可或缺的组成部分。为了提高燃气轮机的工作性能，燃气轮机科研设计人员根据工程热力学原理逐渐提高了涡轮前温度，这使得当前燃气轮机的性能逐步升高；但是目前燃气轮机涡轮叶片的材料耐热程度有限，因此，为了保护燃气轮机长时间安全可靠高效地工作，必须对涡轮叶片进行有效的冷却设计。气膜冷却作为一种外部冷却方式被广泛应用于燃气轮机的高温部件冷却结构设计中，气膜冷却的基本原理是在高温部件上开缝槽或者小孔，沿一定方向向主流喷入冷气，在主流的压力和摩擦力作用下，射流弯曲覆盖于高温部件表面，形成温度较低的冷气膜，将壁面同高温燃气隔离，并带走部分高温燃气或明亮火焰对壁面的辐射热量，从而对壁面起到良好的保护作用。
最初应用在涡轮叶片上的气膜冷却孔是离散圆柱孔，Eckert(Film coolingfollowing injection through inclined circular tubes[J],Israel Journal ofTechnology,1970,8(1-2))较早地对圆柱气膜孔的冷却效果进行了实验研究，发现带有复合角的圆柱孔具有良好的气膜冷却效果。随着研究工作的深入，国内外学者发现圆柱孔由于其结构局限性，冷气流的展向覆盖效果不好；而且由于从圆柱孔射出的冷流法向动量较大，导致射流在近壁面处冷却效果较差。基于此，国内外关于孔型的研究集中在异型孔上。Goldstein(Effects of hole geometry and density on threedimensional filmcooling[J],International Journal of Heat&Mass Transfer,1974,17(5):595-607)研究发现扇形孔可以降低冷气流的法向动量，增大了冷气在涡轮叶片表面的覆盖面积，最终改善了气膜冷却效率，但是依然不能在涡轮叶片表面实现全覆盖。基于这个问题，一种二维缝气膜冷却结构(Hot Air Discharge for De-Icing[R].AAF Translation Report No.F-TS-919-RE,1946:1-44)逐渐被提出并被进行了研究，Kacker和Whitelaw(Investigationof the Influence of Slot-Lip-Thickness on the Impervious Wall Effectivenessof the Uniform Density Two Dimensional Wall Jet[J].International Journal ofHeat&Mass Transfer,1969,12(9):1196-1201)研究了二维缝结构的气膜冷却效率，发现唇板厚度的增加会降低气膜冷效，且受射流与主流速度比的影响较大。Martini等人(Experimental and Numerical Investigation of Trailing Edge Film Cooling byCircular Coolant Wall Jets Ejected From a Slot With Internal Rib Arrays[R],ASME Paper No.GT2003-38157；Film Cooling Effectiveness and Heat Transfer onthe Trailing Edge Cut-Back of Turbine Airfoils With Various Internal CoolingDesigns[R],ASME Paper No.GT2005-68083)在尾缘劈缝中的研究证实，内部通道扰流柱的形状对下游的冷却效率分布有明显的影响。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种带水滴形扰流柱和腰圆形导流体的网格缝冷却结构；该网格缝冷却结构通过在二维缝中叉排布设阵列的水滴形扰流柱而成，水滴形扰流柱可大大减弱扰流柱后的流动分离和回流涡，进而减小流动阻力；腰圆形导流体的设置可分流网格缝通道出口的气流，改善气流在壁面分布的均匀性，提高冷却效果。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括进气腔、唇板、底板、唇板导流斜面、底板导流斜面、水滴形扰流柱和腰圆形导流体，所述唇板为燃气侧，所述底板为冷气侧，唇板与底板共同形成冷气通道缝，唇板与底板之间的水滴形扰流柱用来导流和强化结构，唇板导流斜面与底板导流斜面形成出口通道，实现冷气在下游形成气膜覆盖，腰圆形导流体可分流冷气实现气膜覆盖均匀；所述进气腔宽度为W，取值范围为0.8～3.0mm，冷气通道缝的高度为H，取值范围为0.5～1.5mm，唇板的厚度为L，取值范围为0.5～1.5mm；唇板导流斜面与竖直方向的夹角α，取值范围为30～60°；腰圆形导流体的上表面与主流方向的夹角为θ，取值范围为30～60°底板导流斜面与水平方向的夹角为β，取值范围为15～45°；
所述水滴形扰流柱由圆柱和两个对称的平面组合而成，两个平面与圆弧部分相切，圆弧部分的直径D，取值范围为0.5～2.0mm，两个侧面之间夹角γ，取值范围为30～120°，夹角的尖锐部位进行倒圆处理，水滴形扰流柱的横向间距P，取值范围为1.5D～3D，水滴形扰流柱的流向间距S，取值范围为1.5D～3D，水滴形扰流柱末端与底板导流斜面起始处的距离为V，取值范围为0.2～1.0mm；
所述腰圆形导流体的底部宽度为M，取值范围为1D～2D，腰圆形导流体和上游靠近的水滴扰流柱相对位置根据网格缝气流的出气方向确定。
所述水滴形扰流柱为若干，水滴形扰流柱阵列为叉排布设，或顺排设置。
有益效果
本发明提出的一种带水滴形扰流柱和腰圆形导流体的网格缝冷却结构，通过在二维缝中布设水滴形扰流柱阵列，并在出口处设置导流斜面以及在斜面上有规律地布置阵列的腰圆形导流体而成。该结构包括进气腔，唇板，底板，水滴形扰流柱阵列，唇板导流斜面，底板导流斜面，腰圆形导流体阵列。其中，水滴形扰流柱可减弱扰流柱后的流动分离和回流涡，进而减小流动阻力；水滴形扰流柱的尾端进行倒圆处理，以缓解其应力集中引起的结构强度问题。唇板导流斜面与底板导流斜面形成的倾斜出气通道降低了气流的法向动量，使气流更易贴附壁面形成气体保护膜，腰圆形导流体的布置可分流网格缝出口的气体，改善气流在壁面分布的均匀性，提高冷却效果。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种带水滴形扰流柱和腰圆形导流体的网格缝冷却结构作进一步详细说明。
图1为本发明带水滴形扰流柱和腰圆形导流体的网格缝冷却结构示意图。
图2为本发明带水滴形扰流柱和腰圆形导流体的网格缝冷却结构俯视图。
图3为本发明带水滴形扰流柱和腰圆形导流体的网格缝冷却结构侧视图。
图4为本发明用于涡轮叶片的冷却结构位置示意图。
图中:
1.进气腔 2.水滴形扰流柱 3.唇板 4.底板 5.唇板导流斜面 6.底板导流斜面7.腰圆形导流体 8.吸力面供气腔 9.吸力面网格缝通道 10.压力面供气腔 11.压力面网格缝通道
A.主流燃气 B.冷却气流 C.冷却气膜 D.燃气冷气掺混流体
α为唇板导流斜面与竖直方向的夹角 β为底板导流斜面与水平方向的夹角
θ为腰圆形导流体斜面和主流方向的夹角 γ为水滴形扰流柱的收缩角
W为进气腔宽度 L为唇板厚度 H为冷气通道缝的高度
P为水滴形扰流柱的横向间距 S为水滴形扰流柱的流向间距
V为水滴形扰流柱末端与底板导流斜面起始处的距离
M为腰圆形导流体底部宽度
具体实施方式
本实施例是一种带水滴形扰流柱和腰圆形导流体的网格缝冷却结构。
参阅图1～图4，本实施例带水滴形扰流柱和腰圆形导流体的网格缝冷却结构在涡轮叶片上的应用布设位置；在涡轮叶片前缘，吸力面或压力面上设置包括进气腔1、唇板3、底板4、唇板导流斜面5、底板导流斜面6、水滴形扰流柱2和腰圆形导流体7对叶片进行冷却。其中，唇板3为燃气侧，底板4为冷气侧，唇板3和底板4共同构成冷气通道缝，唇板3与底板4之间的水滴形扰流柱有导流和强化结构的作用。唇板导流斜面5和底板导流斜面6形成出口通道，实现冷气在下游形成很好的气膜覆盖。
本实施例中，在冷气通道缝中排布水滴形扰流柱阵列和在底板导流斜面上布置腰圆形导流体。水滴形扰流柱2由圆柱和两个对称的平面组合而成，两个平面与圆弧部分为相切的几何关系，该圆弧部分的直径为D，其取值范围为0.5～2.0mm，两个侧面之间的夹角γ，取值范围是30～120°，该夹角的尖锐部分进行倒圆处理以降低应力和改善流动状况。水滴形扰流柱2的横向间距为P，取值范围为1.5D～3D，水滴形扰流柱的流向间距为S，取值范围为1.5D～3D，水滴形扰流柱阵列可叉排布置，或顺排布置。在底板导流斜面上布置有腰圆形导流体，腰圆形导流体的底部宽度为M，其取值范围为1D～2D。进气腔宽度为W，取值范围为1.0～3.0mm，冷气通道的缝高为H，取值范围是0.5～1.5mm，唇板导流斜面与竖直方向的夹角α，取值范围为30～60°；腰圆形导流体的斜面与主流方向的夹角为θ，取值范围为30～60°。底板导流斜面与水平方向的夹角为β，取值范围为15～45°，水滴形扰流柱末端与底板导流斜面起始处的距离为V，取值范围为0.2～1.0mm。
实施例一
本实施例是带水滴形扰流柱和腰圆形导流体的网格缝冷却结构应用在涡轮导叶上，在涡轮叶片的吸力面上布置吸力面供气腔8和吸力面网格缝通道9，由吸力面供气腔8提供冷气，冷气经过吸力面网格缝通道9后在出口处形成气膜。其中，在网格缝通道中布置有四排水滴形扰流柱和在网格缝出口处布置腰圆形导流体，在出口导流斜面的拐角处进行倒圆处理。水滴形扰流柱圆弧部分的曲率直径D为0.8mm，收缩角γ为50°。水滴形扰流柱的横向间距P为1.6mm，流向间距S为1.6mm，前后排的水滴形扰流柱叉排布置。进气腔宽度W为1.6mm，通道缝的高度为H为1.0mm，唇板厚度L为0.8mm，唇板导流斜面与竖直方向的夹角α为30°，底板导流斜面与水平方向的夹角β为20°，水滴形扰流柱末端与底板导流斜面起始处的距离V为0.4mm。腰圆形导流体的底部宽度M为0.8mm，腰圆形导流体的斜面与主流的夹角θ为26°。本实施例中，若干水滴形扰流柱形成阵列，水滴形扰流柱阵列的排数量居中，水滴形扰流柱排布密度居中，该布置方式对叶片的结构强度破坏较小。由于吸力面的冷气流量较大，需要在较远的下游有较好的气膜覆盖，因此通道缝高较大保证流量足够，这种布置可使流体在网格缝里的流动损失小，在叶片的后半段能起到很好的保护作用。
实施例二
本实施例是带水滴形扰流柱和腰圆形导流体的网格缝冷却结构应用在涡轮导叶上，在涡轮叶片的压力面上布置压力面供气腔10和压力面网格缝通道11，由压力面供气腔10提供冷气，冷气经过压力面网格缝通道11后在出口处形成气膜。其中，在网格缝通道中布置五排水滴形扰流柱和网格缝出口处布置腰圆形导流体，在出口导流斜面的拐角处可进行倒圆处理。水滴形扰流柱圆弧部分的曲率直径D为1.2mm，收缩角γ为60°。水滴形扰流柱的横向间距P为1.5mm，水滴形扰流柱的流向间距S为2.0mm，前后排的水滴形扰流柱叉排布置。进气腔宽度W为2.0mm，通道缝的高度H为1.0mm，唇板厚度L为1.0mm，唇板导流斜面与竖直方向的夹角α为45°，底板导流斜面与水平方向的夹角β为35°，水滴形扰流柱末端与底板导流斜面起始处的距离为V为0.3mm。腰圆形导流体的底部宽度为M为1.2mm，腰圆形导流体斜面与主流方向的夹角θ为42°。本实施例中，由于压力面受力较大，因此水滴形扰流柱的尺寸较大，压力面多采用多排冷却结构，因此水滴形扰流柱排布数量较多，冷气流经过网格缝结构后在下游形成较好的覆盖，对下游网格缝具有保护作用，从而对叶片起到较好的保护作用。

Claims (2)

1.一种带水滴形扰流柱和腰圆形导流体的网格缝冷却结构，其特征在于:包括进气腔、唇板、底板、唇板导流斜面、底板导流斜面、水滴形扰流柱和腰圆形导流体，所述唇板为燃气侧，所述底板为冷气侧，唇板与底板共同形成冷气通道缝，唇板与底板之间的水滴形扰流柱用来导流和强化结构，唇板导流斜面与底板导流斜面形成出口通道，实现冷气在下游形成气膜覆盖，腰圆形导流体可分流冷气实现气膜覆盖均匀；所述进气腔宽度为W，取值范围为0.8～3.0mm，冷气通道缝的高度为H，取值范围为0.5～1.5mm，唇板的厚度为L，取值范围为0.5～1.5mm；唇板导流斜面与竖直方向的夹角α，取值范围为30～60°；腰圆形导流体的上表面与主流方向的夹角为θ，取值范围为30～60°底板导流斜面与水平方向的夹角为β，取值范围为15～45°；
所述水滴形扰流柱由圆柱和两个对称的平面组合而成，两个平面与圆弧部分相切，圆弧部分的直径D，取值范围为0.5～2.0mm，两个侧面之间夹角γ，取值范围为30～120°，夹角的尖锐部位进行倒圆处理，水滴形扰流柱的横向间距P，取值范围为1.5D～3D，水滴形扰流柱的流向间距S，取值范围为1.5D～3D，水滴形扰流柱末端与底板导流斜面起始处的距离为V，取值范围为0.2～1.0mm；
所述腰圆形导流体的底部宽度为M，取值范围为1D～2D，腰圆形导流体和上游靠近的水滴扰流柱相对位置根据网格缝气流的出气方向确定。
2.根据权利要求1所述的带水滴形扰流柱和腰圆形导流体的网格缝冷却结构，其特征在于:所述水滴形扰流柱为若干，水滴形扰流柱阵列为叉排布设，或顺排设置。
CN201910271262.4A 2019-04-04 2019-04-04 一种带水滴形扰流柱和腰圆形导流体的网格缝冷却结构 Pending CN110017177A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910271262.4A CN110017177A (zh) 2019-04-04 2019-04-04 一种带水滴形扰流柱和腰圆形导流体的网格缝冷却结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910271262.4A CN110017177A (zh) 2019-04-04 2019-04-04 一种带水滴形扰流柱和腰圆形导流体的网格缝冷却结构

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110017177A true CN110017177A (zh) 2019-07-16

Family

ID=67190661

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910271262.4A Pending CN110017177A (zh) 2019-04-04 2019-04-04 一种带水滴形扰流柱和腰圆形导流体的网格缝冷却结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110017177A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113735210A (zh) * 2021-10-14 2021-12-03 恩拓必(临沂)能源发展有限责任公司 一种蒸馏式海水淡化系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030152460A1 (en) * 2001-09-03 2003-08-14 Frank Haselbach Turbine blade of a gas turbine with at least one cooling excavation
CN202202899U (zh) * 2011-06-30 2012-04-25 中航商用航空发动机有限责任公司 涡轮冷却叶片及其涡轮
CN103806951A (zh) * 2014-01-20 2014-05-21 北京航空航天大学 一种缝气膜冷却加扰流柱的组合式涡轮叶片

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030152460A1 (en) * 2001-09-03 2003-08-14 Frank Haselbach Turbine blade of a gas turbine with at least one cooling excavation
CN202202899U (zh) * 2011-06-30 2012-04-25 中航商用航空发动机有限责任公司 涡轮冷却叶片及其涡轮
CN103806951A (zh) * 2014-01-20 2014-05-21 北京航空航天大学 一种缝气膜冷却加扰流柱的组合式涡轮叶片

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
杨成凤，张靖周，谭晓茗: "《水滴形叉排扰流柱阵列矩形通道内流动和换热数值模拟》", 《航空动力学报》 *
蔡庆芝: "带扰流柱进气方式的缝形孔气膜冷却特性研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库2019/02》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113735210A (zh) * 2021-10-14 2021-12-03 恩拓必(临沂)能源发展有限责任公司 一种蒸馏式海水淡化系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110080827A (zh) 一种带水滴形扰流柱和梯形导流体的网格缝冷却结构
CN211715181U (zh) 一种带开缝圆形扰流柱的层板冷却结构
CN110130996A (zh) 一种带鱼尾形扰流柱的网格缝冷却结构
CN107035421A (zh) 一种带有阵列针肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构
CN107060893A (zh) 一种带有v型肋的涡轮叶片尾缘扰流半劈缝冷却结构
CN110080828A (zh) 一种带线轴型扰流柱及双倒圆出口的网格缝气膜冷却结构
CN106761947A (zh) 一种用于涡轮叶片的漏斗型气膜孔结构
CN109931114A (zh) 一种新型冲击冷却扰流结构
CN105673089A (zh) 一种燃气轮机涡轮无冠气膜冷却转子叶片
CN112178692B (zh) 一种带l型冲击孔板的纵向波纹冷却结构
CN106050736B (zh) 一种离心风机降噪叶片结构
CN112112687A (zh) 一种用于改善气膜冷却效果的涡流发生器
CN110017177A (zh) 一种带水滴形扰流柱和腰圆形导流体的网格缝冷却结构
CN112343666A (zh) 一种应用于涡轮叶片尾缘半劈缝的波纹型肋导流结构
CN205558979U (zh) 待冷却壁体结构、涡轮叶片以及航空发动机
CN114109514A (zh) 一种涡轮叶片压力面冷却结构
CN114109515A (zh) 一种涡轮叶片吸力面冷却结构
CN109736897A (zh) 一种用于涡轮叶片的交叉型y气膜孔冷却结构
CN112523810B (zh) 一种应用于涡轮叶片尾缘半劈缝的三角柱型导流结构
CN204609950U (zh) 一种具有纵向相交肋冷却结构的燃气透平叶片
CN207245863U (zh) 一种改善冷却效果的新结构
CN112343667B (zh) 一种应用于涡轮叶片尾缘半劈缝的连续v型肋导流结构
CN110043326A (zh) 一种带椭圆型扰流柱及导流锥出口的网格缝气膜冷却结构
CN109469512A (zh) 一种用于涡轮叶片的交叉型x气膜孔冷却结构
CN110529191B (zh) 一种用于改善涡轮冷却效果的冷却结构

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20190716

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication