CN110043327A - 一种用于燃气轮机涡轮叶片的间断肋内部冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种用于燃气轮机涡轮叶片的间断肋内部冷却结构，包括上壁、下壁，上壁和下壁围成叶片主体结构，叶片主体结构里分别设置左侧壁、右侧壁，左侧壁位于叶片主体结构前缘一侧，左侧壁与叶片主体结构形成叶片前缘冲击冷却通道，右侧壁位于叶片主体结构中部，左侧壁上设置左侧壁气孔，叶片主体结构内部设置U型叉壁，U型叉壁的下端部将叶片根部分隔成左进气部分和右进气部分，右侧壁位于U型叉壁的中部，叶片主体结构的尾缘部分设置出气孔，上壁的内侧和下壁的内侧均设置间断肋。本发明间断肋片的断口对气流产生的扰流强，使气体流动产生分离的程度变大，从而破坏边界层程度变大，大大增强流体湍动度，大大强化了换热。

Description

一种用于燃气轮机涡轮叶片的间断肋内部冷却结构

技术领域

本发明涉及的是一种燃气轮机涡轮叶片，具体地说是叶片的冷却结构。

背景技术

燃气轮机具有质量轻、体积小、单机功率大、启动快、污染少、热效率高、经济性好等特点。由燃气轮机的简单循环方式可知，通过提高燃气初温的方式来提高比功率和性能。涡轮叶片所处的位置温度高、应力复杂、工作环境恶劣，因此涡轮叶片能否安全可靠的工作对于发动机的运行至关重要。叶片的各项性能指标成为了衡量发动机发展程度的重要指标，特别是涡轮叶片所能承受高温的能力。总之，涡轮叶片的发展水平成为了衡量一个国家燃气轮机发展水平的重要标志。

目前，燃气轮机涡轮叶片前温度早已超过其材料的承受温度。保证叶片能够安全可靠地工作，主要通过两个途径来实现，一是提高材料的耐高温性能，二是采用冷却能力更强的冷却方式来降低叶片的温度。从现有的资料来看，过去几十年，涡轮前温度平均每年提升22K，其中，70％是因为采用了更加有效地冷却方式，30％是因为部件材料耐热性能的提升和生产工艺的发展。随着冷却方式的发展，新的传热换热机理的引入，涡轮前温度将逐渐提高。

先进的燃气轮机设计是通过提高燃气初温来提高效率，在过去，是通过发展耐高温材料和冷却技术来提高燃气初温，确保涡轮材料能够在高温燃气下，满足强度要求与使用寿命。冷却空气的使用量越多，对压气机的耗功就越大，因此降低冷却空气的阻力损失，减少压气机做功，提高燃机效率。如今，不仅要提高效率，还要降低燃气对环境的污染，从压气机产生空气，需要更多的进入燃烧室参与燃烧，降低污染物得排放。因此，用来冷却的空气将要减少。空气量的减少将为涡轮的冷却结构设计带来挑战。如今燃机涡轮叶片冷却结构的设计目的，主要有两个方面，一是提高冷却效果，降低叶片材料温度；二是降低压力损失。

发明内容

本发明的目的在于提供提高燃气轮机涡轮叶片的冷却性能、降低冷却流体压力损失、提高综合热效率的一种用于燃气轮机涡轮叶片的间断肋内部冷却结构。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种用于燃气轮机涡轮叶片的间断肋内部冷却结构，其特征是：包括上壁、下壁，上壁和下壁围成叶片主体结构，叶片主体结构里分别设置左侧壁、右侧壁，左侧壁位于叶片主体结构前缘一侧，左侧壁与叶片主体结构形成叶片前缘冲击冷却通道，右侧壁位于叶片主体结构中部，左侧壁上设置左侧壁气孔，叶片主体结构内部设置U型叉壁，U型叉壁的下端部将叶片根部分隔成左进气部分和右进气部分，右侧壁位于U型叉壁的中部，叶片主体结构的尾缘部分设置出气孔，叶片主体结构的上端面为顶壁，右侧壁与叶片主体结构前缘之间的顶壁上开设出气口，右侧壁与叶片主体结构的尾缘部分之间的顶壁为封闭结构，上壁的内侧和下壁的内侧均设置间断肋。

本发明还可以包括：

1、U型叉壁的左侧连接顶壁，U型叉壁的右侧与顶壁断开，叶片主体结构的尾缘部分、U型叉壁的右侧、右侧壁、U型叉壁的左侧形成蛇形冷却通道。

2、左侧壁与U型叉壁左侧之间、U型叉壁左侧与右侧壁之间、右侧壁与U型叉壁右侧之间均设置有间断肋，间断肋成对设置。

3、所述间断肋为与右侧壁相垂直的直肋或与右侧壁倾斜30°至60°之间的倾斜肋。

本发明的优势在于：首先，间断肋片的断口对气流产生的扰流增强，使气体流动产生分离的程度变大，之后再附着于壁面，从而破坏边界层程度变大，大大增强流体湍动度，大大强化了换热；其次间断肋片使阻塞比减小，降低了压力损失；重要的是，间断肋的断口平衡了肋前后气压的同时增强了扰动，大大加强了换热。因此具有更有效的抑制阻力损失的增加，提高换热性能等优点。

附图说明

图1为本发明的横向截面示意图；

图2为间断肋垂直于蛇形通道壁时的纵向截面示意图；

图3为间断肋倾斜于蛇形通道壁时的纵向截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-3，本发明一种用于燃气轮机涡轮叶片的间断肋内部冷却结构，包括上壁3、下壁2、间断肋1。上壁1为叶片的吸力面，下壁2为叶片压力面。间断肋1位于涡轮叶片蛇形冷却通道内，两排间断肋1分别位于叶片的上壁3和下壁2内侧。间断肋1为一直肋，可以垂直于蛇形冷却通道壁，也可相对于其倾斜30°至60°。间断肋1相当于在传统的完整肋片开断口，断口的宽度与肋1的高度相等，开口方向并且与蛇形冷却通道方向相同，断口位置与肋1的倾斜角度有一最佳关系。位于叶片的上壁3和下壁2内侧的两排间断肋1，相对位置可以对称，可以交错。

图1为本发明的A处横向截面示意图，间断肋位于蛇形冷却通道内的叶片吸力面和压力面内侧，间断肋的开的断口宽度与间断肋高度大致相等。加工方式为熔模铸造。

图2为本发明的间断肋垂直于蛇形通道壁时的纵向截面示意图，间断肋在蛇形冷却通道内除通道转角处等间距排列，断口开在间断肋的中间位置。气流从叶片根部流入，经过间断肋时，肋前的压力大，肋后的压力小，同时对气流产生扰流，使气体流动产生分离，之后再附着于壁面，从而破坏边界层，增强流体湍动度。由于气压的不平衡气流流到肋后会产生小的涡流，而此发明在叶片的中央开断口，平衡了压力的同时也缩小了阻塞比，压力损失会下降。气流流过断口之后，向肋后气压小处流动来平衡压力，此时会产生一个较之前更大的扰动来增强换热。冷却气体从叶片根部流入，进入前半部的气体受到间断肋的扰动作用，一部分气流流经冷却通道直接从叶片顶端流出，部分气流进入叶片前缘冲击冷却通道并从叶片顶端流出；叶片尾缘区域是柱肋冷却结构，流入后半部分的气体，部分流入蛇形冷却通道经过间断肋扰动从叶片顶端流出，部分流入尾缘的气体从尾缘狭缝流出。

图3是本发明的间断肋倾斜于蛇形通道壁时的纵向截面示意图。间断肋可以垂直于蛇形冷却通道壁，也可相对于其倾斜。间断肋倾斜于蛇形通道壁时，蛇形通道内的流场与压力分布与垂直时不同，在倾斜的肋前气压最大处在沿气流方向较远一端，但是若在紧贴蛇形冷却通道开断口，虽然平衡气压时的扰动变大，但是会减小肋本身的扰流效果，换热效果不理想，所以在距离蛇形冷却通道壁的一小段位置处开断口，在气流平衡气压产生涡流同时，肋本身的扰流效果减少不大，这样会增强叶片的换热，同时减小压力损失。开断口位置与肋的倾斜角度有一个最佳关系。位于叶片的上壁和下壁内侧的两排间断肋，相对位置可以对称，可以交错。

Claims (5)

1.一种用于燃气轮机涡轮叶片的间断肋内部冷却结构，其特征是：包括上壁、下壁，上壁和下壁围成叶片主体结构，叶片主体结构里分别设置左侧壁、右侧壁，左侧壁位于叶片主体结构前缘一侧，左侧壁与叶片主体结构形成叶片前缘冲击冷却通道，右侧壁位于叶片主体结构中部，左侧壁上设置左侧壁气孔，叶片主体结构内部设置U型叉壁，U型叉壁的下端部将叶片根部分隔成左进气部分和右进气部分，右侧壁位于U型叉壁的中部，叶片主体结构的尾缘部分设置出气孔，叶片主体结构的上端面为顶壁，右侧壁与叶片主体结构前缘之间的顶壁上开设出气口，右侧壁与叶片主体结构的尾缘部分之间的顶壁为封闭结构，上壁的内侧和下壁的内侧均设置间断肋。

2.根据权利要求1所述的一种用于燃气轮机涡轮叶片的间断肋内部冷却结构，其特征是：U型叉壁的左侧连接顶壁，U型叉壁的右侧与顶壁断开，叶片主体结构的尾缘部分、U型叉壁的右侧、右侧壁、U型叉壁的左侧形成蛇形冷却通道。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于燃气轮机涡轮叶片的间断肋内部冷却结构，其特征是：左侧壁与U型叉壁左侧之间、U型叉壁左侧与右侧壁之间、右侧壁与U型叉壁右侧之间均设置有间断肋，间断肋成对设置。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于燃气轮机涡轮叶片的间断肋内部冷却结构，其特征是：所述间断肋为与右侧壁相垂直的直肋或与右侧壁倾斜30°至60°之间的倾斜肋。

5.根据权利要求3所述的一种用于燃气轮机涡轮叶片的间断肋内部冷却结构，其特征是：所述间断肋为与右侧壁相垂直的直肋或与右侧壁倾斜30°至60°之间的倾斜肋。