CN110700893A - 一种包括v肋-凹坑复合冷却结构的燃气轮机涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种包括V肋‑凹坑复合冷却结构的燃气轮机涡轮叶片，包括上壁、下壁，所述上壁为吸力面，所述下壁为压力面，上壁和下壁的内壁上均设置V肋‑凹坑复合冷却结构；所述V肋‑凹坑复合冷却结构包括复合冷却单元，复合冷却单元包括直角V肋和其后方的圆形凹坑。本发明整个结构使得换热面积增大，提高换热效果。相邻的V型肋片之间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，间断肋片使阻塞比减小，降低了压力损失，平衡了肋前后气压的同时增强了扰动，大大加强了换热。

Description

一种包括V肋-凹坑复合冷却结构的燃气轮机涡轮叶片
技术领域
本发明涉及的是一种燃气轮机，具体地说是燃气轮机涡轮叶片。
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，因此从压气机产生空气，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。因此，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。
内部对流冷却是以强制对流换热的涡轮叶片内部冷却形式。其中，肋片以及其他诸如凹坑等扰流结构，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，增强流体湍动强度，起到强化换热的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供提高冷却性能、降低冷却流体压力损失、提高综合热效率的一种包括V肋-凹坑复合冷却结构的燃气轮机涡轮叶片。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种包括V肋-凹坑复合冷却结构的燃气轮机涡轮叶片，其特征是：包括上壁、下壁，所述上壁为吸力面，所述下壁为压力面，上壁和下壁的内壁上均设置V肋-凹坑复合冷却结构；所述V肋-凹坑复合冷却结构包括复合冷却单元，复合冷却单元包括直角V肋和其后方的圆形凹坑。
本发明还可以包括：
1、上壁和下壁组成的叶片内部空间里设置蛇形冷却通道，位于蛇形冷却通道里的复合冷却单元，其V肋尖角方向迎风，垂直于蛇形通道侧壁面方向的复合冷却构成一排。
2、复合冷却单元在蛇形冷却通道内相邻两排个数的奇偶性相反；压力面与吸力面上相对应的两排复合冷却单元个数的奇偶性相反。
3、相邻两排复合冷却单元的复合冷却单元数量较少的一排，对应的蛇形通道两个侧壁面上分别有半个V肋。
4、在气体流经的第一段蛇形通道内，第一排复合冷却单元与短侧壁端部平齐；在除第一段蛇形通道外的每段蛇形通道内，其第一排复合冷却单元位于其短侧壁端部沿流动方向后方位置。
5、V肋的高度、V肋的厚度、V肋与前后两侧相邻的圆形凹坑的最近距离、圆形凹坑的直径、圆形凹坑的深度以及圆形凹坑的曲率，其尺寸的比例为1:1:1:20:4:14.5。
本发明的优势在于：首先，整个结构使得换热面积增大，提高换热效果。其次，相邻的V型肋片之间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，间断肋片使阻塞比减小，降低了压力损失，平衡了肋前后气压的同时增强了扰动，大大加强了换热。最重要的是，相邻通道内相邻每排小单元个数的奇偶性相反，压力面与吸力面上相对应的每排小单元个数的奇偶性相反，使得在产生最小阻力损失的情况下，由于V肋扰流和导向作用以及凹坑处通道由于截面积增大产生的压差使得气流更容易流向凹坑，圆形凹坑内的气流由于V肋后方的压差作用，撞击凹坑后产生较强回流，冲刷凹坑壁面，增强换热；凹坑的存在使得阻塞比减小，增强换热效果。与现有技术相比，本发明降低了流动损失，增强了冷却效果。
附图说明
图1是本发明的A处横向截面示意图；
图2是本发明的B处纵向截面示意图；
图3a是带有局部放大位置E的B处纵向截面示意图，图3b是带有局部放大位置F的C处纵向截面示意图；
图4a是E置放大后的示意图，图4b是F位置放大后的示意图。
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1-4b，图1显示出本发明的A处(横向)截面示意图，本发明中的V肋-凹坑复合结构1于叶片中部蛇形冷却通道内上壁面3和下壁面2内侧。叶片前缘的斜肋冷却结构和内部冲击冷却结构以及叶片尾缘的圆柱肋冷却结构与常规叶片内部相似。
图2显示出本发明的B处纵向截面示意图，展示的是叶片上壁面内侧的剖视图。冷却气流从叶片根部流入，一部分气体进入叶片前缘冷却通道，经过斜肋扰流换热后，部分气体从叶片顶端流出，部分气体通过气孔射入内部冲击冷却通道并冲击在叶片壁上，冲击换热后的气体从叶片顶端流出；一部分气体进入叶片中后方冷却通道，进入尾缘的气体经过圆柱肋扰流换热后从叶片顶端和尾部流出，进入中部蛇形冷却通道的气体经过V肋-凹坑复合冷却结构扰流换热后从叶片顶端流出。V肋-凹坑复合结构在通道内相邻每排小单元个数的奇偶性相反；压力面与吸力面上相对应的每排小单元个数的奇偶性相反。小单元的尺寸以及每排数量适应于通道尺寸，并且均取决于燃机工况。V肋-凹坑复合结构在单个通道内，小单元数量较少的每排两侧，按照每排V肋排列规律，蛇形通道两个侧壁面上分别有半个V肋。
图3本发明的B处和C处纵向截面示意图，并标出上壁面和下壁面内侧局部放大位置E、F，图4是本发明的图3示意图中E、F位置放大后的示意图。V肋-凹坑复合结构由多个小单元构成，每个小单元由一个小型直角V肋和其后方的圆形凹坑组成。V肋尖角方向迎风，垂直于蛇形通道侧壁面方向的小单元构成一排。通道内相邻每排小单元个数的奇偶性相反；压力面与吸力面上相对应的每排小单元个数的奇偶性相反。在单个通道内，小单元数量较少的每排两侧，按照每排V肋排列规律，蛇形通道两个侧壁面上分别有半个V肋。V肋的高度，V肋的厚度，V肋与前后两侧相邻的圆形凹坑的最近距离，圆形凹坑的直径，圆形凹坑的深度，圆形凹坑的曲率，尺寸的比例为1:1:1:20:4:14.5，比例以及所有尺寸数值可根据叶片气动性能以及叶片的尺寸、材料、结构、强度等因素稍作调整。不同尺寸以及比例造成的换热结果也会不同，存在最佳匹配值。
图4中E、F详细展示的本发明的结构可以使得小单元布满通道的上下壁面的同时，最大程度上的降低流动阻力提高换热，提高综合换热效率。由于通道内相邻每排小单元个数的奇偶性相反；压力面与吸力面上相对应的每排小单元个数的奇偶性相反，导致气流经过V肋时有最大程度的扰动，同时也使得流经V肋的气流更容易流入圆形凹坑中，V肋后方及凹坑中的负压使得气流产生回流旋涡，极大程度上的增强的换热。因为刚流经蛇形通道转角处的气流不稳定，所以在转角后一段通道距入口一小段距离处开始添加V肋-凹坑复合结构，否则这股极其不稳定的气流会造成很大的流动损失的同时换热效果提高不明显。

Claims (10)

1.一种包括V肋-凹坑复合冷却结构的燃气轮机涡轮叶片，其特征是：包括上壁、下壁，所述上壁为吸力面，所述下壁为压力面，上壁和下壁的内壁上均设置V肋-凹坑复合冷却结构；所述V肋-凹坑复合冷却结构包括复合冷却单元，复合冷却单元包括直角V肋和其后方的圆形凹坑。
2.根据权利要求1所述的一种包括V肋-凹坑复合冷却结构的燃气轮机涡轮叶片，其特征是：上壁和下壁组成的叶片内部空间里设置蛇形冷却通道，位于蛇形冷却通道里的复合冷却单元，其V肋尖角方向迎风，垂直于蛇形通道侧壁面方向的复合冷却构成一排。
3.根据权利要求1或2所述的一种包括V肋-凹坑复合冷却结构的燃气轮机涡轮叶片，其特征是：复合冷却单元在蛇形冷却通道内相邻两排个数的奇偶性相反；压力面与吸力面上相对应的两排复合冷却单元个数的奇偶性相反。
4.根据权利要求1或2所述的一种包括V肋-凹坑复合冷却结构的燃气轮机涡轮叶片，其特征是：相邻两排复合冷却单元的复合冷却单元数量较少的一排，对应的蛇形通道两个侧壁面上分别有半个V肋。
5.根据权利要求3所述的一种包括V肋-凹坑复合冷却结构的燃气轮机涡轮叶片，其特征是：相邻两排复合冷却单元的复合冷却单元数量较少的一排，对应的蛇形通道两个侧壁面上分别有半个V肋。
6.根据权利要求1或2所述的一种包括V肋-凹坑复合冷却结构的燃气轮机涡轮叶片，其特征是：在气体流经的第一段蛇形通道内，第一排复合冷却单元与短侧壁端部平齐；在除第一段蛇形通道外的每段蛇形通道内，其第一排复合冷却单元位于其短侧壁端部沿流动方向后方位置。
7.根据权利要求3所述的一种包括V肋-凹坑复合冷却结构的燃气轮机涡轮叶片，其特征是：在气体流经的第一段蛇形通道内，第一排复合冷却单元与短侧壁端部平齐；在除第一段蛇形通道外的每段蛇形通道内，其第一排复合冷却单元位于其短侧壁端部沿流动方向后方位置。
8.根据权利要求4所述的一种包括V肋-凹坑复合冷却结构的燃气轮机涡轮叶片，其特征是：在气体流经的第一段蛇形通道内，第一排复合冷却单元与短侧壁端部平齐；在除第一段蛇形通道外的每段蛇形通道内，其第一排复合冷却单元位于其短侧壁端部沿流动方向后方位置。
9.根据权利要求5所述的一种包括V肋-凹坑复合冷却结构的燃气轮机涡轮叶片，其特征是：在气体流经的第一段蛇形通道内，第一排复合冷却单元与短侧壁端部平齐；在除第一段蛇形通道外的每段蛇形通道内，其第一排复合冷却单元位于其短侧壁端部沿流动方向后方位置。
10.根据权利要求1或2所述的一种包括V肋-凹坑复合冷却结构的燃气轮机涡轮叶片，其特征是：V肋的高度、V肋的厚度、V肋与前后两侧相邻的圆形凹坑的最近距离、圆形凹坑的直径、圆形凹坑的深度以及圆形凹坑的曲率，其尺寸的比例为1:1:1:20:4:14.5。
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