CN110821573A

CN110821573A - 通过调控内部灰尘沉积位置减缓冷却效果退化的涡轮叶片

Info

Publication number: CN110821573A
Application number: CN201911218114.2A
Authority: CN
Inventors: 李广超; 王裕东; 张魏; 赵长宇; 曾睿; 寇志海; 朱建勇; 毛晓东
Original assignee: Shenyang Aerospace University
Current assignee: Shenyang Aerospace University
Priority date: 2019-12-03
Filing date: 2019-12-03
Publication date: 2020-02-21
Anticipated expiration: 2039-12-03
Also published as: CN110821573B

Abstract

通过调控内部灰尘沉积位置减缓冷却效果退化的涡轮叶片，所属燃气轮机技术领域，涡轮叶片为双层壁结构，在现有双层壁的内壁上连接有遮挡结构。本发明涡轮叶片通过遮挡结构来调控内部灰尘沉积位置，以减缓涡轮叶片的冷却效果退化问题，沉积在双层壁的灰尘可减少10％～13％，从而可减缓20％～23％叶片冷却效果退化时间，并且遮挡结构形状较为简单，易于加工，可实现性强。

Description

通过调控内部灰尘沉积位置减缓冷却效果退化的涡轮叶片

技术领域

本发明属于燃气轮机技术领域，特别涉及一种通过调控内部灰尘沉积位置减缓冷却效果退化的涡轮叶片。

背景技术

随着燃气轮机技术的发展，涡轮前温度进一步提升，对涡轮叶片的冷却提出了更高的要求。目前，现有技术中，叶片内部的冷却方式主要包括对流冷却和冲击冷却，其中冲击冷却是增强局部冷却效果最有效的方法。冲击冷却主要是利用高速气流冲刷被冷却表面以达到冷却的目的，冷却空气通过射流孔进入带扰流柱的双层壁结构，气流走向如图1所示，冲击待冷却表面，实现冲击冷却，而后在内部流动，与叶片内壁面进行对流换热，带走一部分热量后经由气膜孔流出。

由于飞机在起飞、降落或经过火山灰云层时，发动机不可避免地要吸入灰尘，带有灰尘的冷却空气经由射流孔进入双层壁结构，灰尘在双层壁结构内部会形成沉积，由于灰尘的热导率相对较小，相当于在传热过程中增加了一个很大的热阻，严重影响了叶片的换热能力和冷却效果。尤其是在冲击靶面上的沉积，大幅度减弱了冲击冷却的效果，从而造成叶片冷却性能衰减。

目前的涡轮叶片没有抑制内部灰尘沉积的有效措施，灰尘沉积问题日益凸显，解决叶片内部灰尘沉积问题对高性能燃气轮机的稳定工作至关重要。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种通过调控内部灰尘沉积位置减缓冷却效果退化的涡轮叶片，通过调控内部灰尘沉积位置，以减缓涡轮叶片的冷却效果退化问题，其具体技术方案如下：

通过调控内部灰尘沉积位置减缓冷却效果退化的涡轮叶片，涡轮叶片为双层壁结构，具体包括内壁、外壁和扰流柱，所述扰流柱位于内壁与外壁之间，所述外壁上设置有气膜孔，所述内壁上设置有射流孔，所述内壁上连接有遮挡结构，所述遮挡结构位于射流孔上游，遮挡结构与射流孔中心距离为射流孔的孔径1～1.5倍；

所述遮挡结构为直角形挡板、四分之一圆环形挡板、与内壁面成一定夹角挡板或以倒圆角相接的竖直与水平挡板；

所述直角形挡板的竖直与水平挡板的长度与高度比值为(1.5～2.5):1，长度与宽度比值为(1.5～2.5):1；

所述四分之一圆环形挡板的长度与半径比值为(1.5～2.5):1；

所述与内壁面成一定夹角挡板的夹角范围为30°～60°，长度与高度比值为(1.2～1.5):1；

所述以倒圆角相接的竖直与水平挡板的长度与高度比值为(1.5～2.5):1，长度与宽度比值为(1.5～2.5):1；

所述遮挡结构的长度与厚度比值为(7～9):1。

本发明的通过调控内部灰尘沉积位置减缓冷却效果退化的涡轮叶片，与现有技术相比，有益效果为：

一、本发明涡轮叶片增加遮挡结构，在冷气腔内横流流动的带有灰尘的空气在进入射流孔前首先冲击该结构，由于灰尘的密度比空气大，灰尘会在靠近壁面处运动，撞击遮挡结构并形成沉积，实现对灰尘的阻挡作用，使冷气中的灰尘沉积在冷气通道内，基于源头控制灰尘运动，阻止灰尘进入双层壁结构。进入双层壁的灰尘较之前减少10％～13％。

二、冲击靶面两侧流体温差较大，是叶片燃气侧热量传递的主要载体，而冷气腔内流体和双层壁内部流体温差较小，壁面换热量较小，且冷气腔空间较双层壁内部大，因此通过调控让灰尘沉积于冷气腔内，减少在双层壁内部的沉积，能很大程度上保证叶片的换热能力和冷却效果。叶片保持良好冷却效果时间较之前增加20％～23％。

三、涡轮叶片的气膜孔孔径较小，经常有堵塞的问题，本发明方案减少了灰尘在双层壁内部的沉积也就降低了气膜孔堵塞的可能性，气膜孔出流顺畅，使得气膜冷却的效果不受影响。气膜孔无堵塞时间较之前增加3％～5％。

四、气流的走向方面：冷气通过遮挡结构后，产生旋流进入射流孔，在一定程度上有利于双层壁结构内部强化换热。

五、遮挡结构形状较为简单，易于加工，可实现性强。减缓叶片冷却效果退化也就意味着增加了叶片的有效使用时间，降低了维护和更换的成本。

附图说明

图1为现有技术的涡轮叶片双层壁结构及气流走向示意图；

图2为实施例1的涡轮叶片双层壁及气流走向示意图；

图3为实施例1增加直角形挡板的涡轮叶片双层壁结构及气流走向示意图；

图4为实施例2增加四分之一圆环形挡板的涡轮叶片双层壁结构及气流走向示意图；

图5为实施例3增加与内壁面成一定夹角挡板的涡轮叶片双层壁结构及气流走向示意图；

图6为实施例4增加以倒圆角相接的竖直与水平挡板的涡轮叶片双层壁结构及气流走向示意图；

图7为本发明的涡轮叶片双层壁俯视示意图；

图中：1-内壁，2-外壁，3-扰流柱，4-气膜孔，5-射流孔，6-遮挡结构。

具体实施方式

下面结合具体实施案例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。

实施例1

通过调控内部灰尘沉积位置减缓冷却效果退化的涡轮叶片，涡轮叶片为双层壁结构，具体包括内壁1、外壁2和扰流柱3，扰流柱3位于内壁1与外壁2之间，外壁2上设置有气膜孔4，内壁1上设置有射流孔5，内壁1上连接有遮挡结构6，遮挡结构6位于射流孔5上游，如图2、图3和图7所示；

内壁1高1mm，射流孔5直径1mm，外壁2高1mm，内壁1与外壁2之间距离1mm；气膜孔4直径0.4mm，气膜孔4中心与射流孔5中心横向距离8mm，纵向距离8mm；扰流柱3直径0.8mm，扰流柱3中心与射流孔5中心横向距离4mm，纵向距离4mm；遮挡结构6位于射流孔5上游，距离射流孔5中心1mm；遮挡结构6为直角形挡板，由竖直壁面和水平壁面构成，竖直壁面高1mm，厚度0.25mm，长2mm，水平壁面宽0.75mm，厚度0.25mm，长2mm。

带有灰尘的空气在靠近内壁处流动，撞击遮挡结构后一部分灰尘直接沉积于竖直壁面，一部分灰尘在空气作用下继续运动，撞击水平壁面并形成沉积，实现了对灰尘的阻挡作用。进入双层壁的灰尘较之前减少11％。叶片保持良好冷却效果时间较之前增加21％。

实施例2

通过调控内部灰尘沉积位置减缓冷却效果退化的涡轮叶片，涡轮叶片为双层壁结构，具体包括内壁1、外壁2和扰流柱3，扰流柱3位于内壁1与外壁2之间，外壁2上设置有气膜孔4，内壁1上设置有射流孔5，内壁1上连接有遮挡结构6，遮挡结构6位于射流孔5上游，如图4和图7所示；

内壁1高1mm，射流孔5直径1mm，外壁2高1mm，内壁1与外壁2之间距离1mm；气膜孔4直径0.4mm，气膜孔4中心与射流孔5中心横向距离8mm，纵向距离8mm；扰流柱3直径0.8mm，扰流柱3中心与射流孔5中心横向距离4mm，纵向距离4mm；遮挡结构6位于射流孔5上游，距离射流孔5中心1mm；遮挡结构6为四分之一圆环形，半径1mm，厚度0.25mm，长2mm。

带有灰尘的空气在靠近内壁处流动，撞击遮挡结构后形成回流涡，在遮挡结构壁面的摩擦作用下灰尘运动速度逐渐减小，最终沉积于壁面，实现了对灰尘的阻挡作用。进入双层壁的灰尘较之前减少12％。叶片保持良好冷却效果时间较之前增加22％。

实施例3

通过调控内部灰尘沉积位置减缓冷却效果退化的涡轮叶片，涡轮叶片为双层壁结构，具体包括内壁1、外壁2和扰流柱3，扰流柱3位于内壁1与外壁2之间，外壁2上设置有气膜孔4，内壁1上设置有射流孔5，内壁1上连接有遮挡结构6，遮挡结构6位于射流孔5上游，如图5和图7所示；

内壁1高1mm，射流孔5直径1mm，外壁2高1mm，内壁1与外壁2之间距离1mm，气膜孔4直径0.4mm；气膜孔4中心与射流孔5中心横向距离8mm，纵向距离8mm；扰流柱3直径0.8mm，扰流柱3中心与射流孔5中心横向距离4mm，纵向距离4mm；遮挡结构6位于射流孔5上游，距离射流孔5中心1mm；遮挡结构6为与内壁1面成一定夹角挡板，夹角为45°，挡板高1.4mm，厚度0.25mm，长2mm。

带有灰尘的空气在靠近内壁处流动，进入遮挡结构与内壁面的夹角区域内，灰尘形成沉积，实现了对灰尘的阻挡作用。进入双层壁的灰尘较之前减少10％。叶片保持良好冷却效果时间较之前增加20％。

实施例4

通过调控内部灰尘沉积位置减缓冷却效果退化的涡轮叶片，涡轮叶片为双层壁结构，具体包括内壁1、外壁2和扰流柱3，扰流柱3位于内壁1与外壁2之间，外壁2上设置有气膜孔4，内壁1上设置有射流孔5，内壁1上连接有遮挡结构6，遮挡结构6位于射流孔5上游，如图6和图7所示；

内壁1高1mm，射流孔5直径1mm，外壁2高1mm，内壁1与外壁2之间距离1mm，气膜孔4直径0.4mm；气膜孔4中心与射流孔5中心横向距离8mm，纵向距离8mm；扰流柱3直径0.8mm，扰流柱3中心与射流孔5中心横向距离4mm，纵向距离4mm；遮挡结构6位于射流孔5上游，距离射流孔5中心1mm；遮挡结构6为以倒圆角相接的竖直与水平挡板，倒圆角半径0.25mm，竖直壁面高0.75mm，厚度0.25mm，长2mm，水平壁面宽0.75mm，厚度0.25mm，长2mm。

带有灰尘的空气在靠近内壁处流动，撞击遮挡结构后一部分灰尘直接沉积于竖直壁面，一部分灰尘在空气作用下继续运动，撞击水平壁面并形成沉积，实现了对灰尘的阻挡作用。倒圆角的存在强化了回流涡的生成，增强了灰尘与壁面的摩擦作用，阻挡更多的灰尘。进入双层壁的灰尘较之前减少13％。叶片保持良好冷却效果时间较之前增加23％。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.通过调控内部灰尘沉积位置减缓冷却效果退化的涡轮叶片，涡轮叶片为双层壁结构，具体包括内壁、外壁和扰流柱，所述扰流柱位于内壁与外壁之间，所述外壁上设置有气膜孔，所述内壁上设置有射流孔，所述内壁上连接有遮挡结构，所述遮挡结构位于射流孔上游，遮挡结构与射流孔中心距离为射流孔的孔径1～1.5倍。

2.根据权利要求1所述的通过调控内部灰尘沉积位置减缓冷却效果退化的涡轮叶片，其特征在于，所述遮挡结构为直角形挡板、四分之一圆环形挡板、与内壁面成一定夹角挡板或以倒圆角相接的竖直与水平挡板。

3.根据权利要求2所述的通过调控内部灰尘沉积位置减缓冷却效果退化的涡轮叶片，其特征在于，所述直角形挡板的竖直与水平挡板的长度与高度比值为(1.5～2.5):1，长度与宽度比值为(1.5～2.5):1。

4.根据权利要求2所述的通过调控内部灰尘沉积位置减缓冷却效果退化的涡轮叶片，其特征在于，所述四分之一圆环形挡板的长度与半径比值为(1.5～2.5):1。

5.根据权利要求2所述的通过调控内部灰尘沉积位置减缓冷却效果退化的涡轮叶片，其特征在于，所述与内壁面成一定夹角挡板的夹角范围为30°～60°，长度与高度比值为(1.2～1.5):1。

6.根据权利要求2所述的通过调控内部灰尘沉积位置减缓冷却效果退化的涡轮叶片，其特征在于，所述以倒圆角相接的竖直与水平挡板的长度与高度比值为(1.5～2.5):1，长度与宽度比值为(1.5～2.5):1。

7.根据权利要求1所述的通过调控内部灰尘沉积位置减缓冷却效果退化的涡轮叶片，其特征在于，所述遮挡结构的长度与厚度比值为(7～9):1。