CN111255525A

CN111255525A - 燃气涡轮发动机、叶片及其内部冷却结构

Info

Publication number: CN111255525A
Application number: CN202010156152.6A
Authority: CN
Inventors: 蒋洪德; 任静; 李雪英; 任敏
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2020-03-09
Filing date: 2020-03-09
Publication date: 2020-06-09

Abstract

本发明提供一种燃气涡轮发动机、叶片及其内部冷却结构。该内部冷却结构包括：第一侧板，所述第一侧板上开设多个供流体进入的冲击孔；与所述第一侧板间隔设置的第二侧板，所述第二侧板用于止挡流体，并与流体换热；以及多个设置于所述第一侧板与所述第二侧板之间的柱肋，所述柱肋用于扰动流体；其中，所述柱肋的导热系数高于所述第二侧板的导热系数，所述第一侧板的导热系数高于所述第二侧板的导热系数。柱肋不断破坏流动的边界层，增强了附近壁面的扰动，强化换热，同时柱肋增加了换热面积；并且，柱肋与第一侧板的导热系数高于第二侧板的导热系数，降低了导热热阻，提高内部冷却结构的整体冷却性能。

Description

燃气涡轮发动机、叶片及其内部冷却结构

技术领域

本发明涉及发动机设备技术领域，特别是涉及一种燃气涡轮发动机、叶片及其内部冷却结构。

背景技术

现代燃气涡轮发动机的工作温度均已超过金属材料的可承受温度。而内部强化传热是燃气轮机主要的冷却形式之一，其通过强化冷却气体与热端部件金属内壁面的对流传热，使得冷却气体带走更多的热量，从而降低金属温度。在燃气涡轮发动机中，用于冷却的空气一般是从压气机相应级中抽出的压缩空气，冷却效率的高低直接关系到压缩空气量的大小。但是，目前基于传统强化换热机理增强换热已趋于极限，无法再提高燃气涡轮发动机的冷却效率，影响冷却效果，进而影响整机的运行效率和性能。

发明内容

基于此，有必要针对目前的燃气涡轮发动机传统强化换热趋于极限导致无法提高冷却效率的问题，提供一种能够提高整体冷却性能的燃气涡轮发动机、叶片及其内部冷却结构。

上述目的通过下述技术方案实现：

一种内部冷却结构，包括：

第一侧板，所述第一侧板上开设多个供流体进入的冲击孔；

与所述第一侧板间隔设置的第二侧板，所述第二侧板用于止挡流体，并与流体换热；以及

多个设置于所述第一侧板与所述第二侧板之间的柱肋，所述柱肋用于扰动流体；其中，所述柱肋的导热系数高于所述第二侧板的导热系数，所述第一侧板的导热系数高于所述第二侧板的导热系数。

在其中一个实施例中，所述柱肋的端部与所述第一侧板和/或所述第二侧板抵接。

在其中一个实施例中，多个所述冲击孔呈阵列式布置；

多个所述柱肋设置于所述冲击孔的周侧，并与所述冲击孔交错布置。

在其中一个实施例中，所述柱肋的导热系数与所述第二侧板的导热系数的比值在1～8之间；

所述第一侧板的导热系数与所述第二侧板的导热系数的比值的范围为1～8。

在其中一个实施例中，所述第一侧板与所述柱肋的导热系数相同，或者，所述第一侧板的导热系数高于所述柱肋的导热系数。

在其中一个实施例中，所述柱肋的截面内接圆直径与所述冲击孔的直径之比的范围为0.5～3。

在其中一个实施例中，所述柱肋的高度与所述冲击孔的高度之比的范围为1～2。

在其中一个实施例中，在同一排中，相邻的所述冲击孔之间的距离与所述冲击孔的直径之比的范围为4～6。

在其中一个实施例中，相邻两排中相邻所述冲击孔之间的距离与所述冲击孔的直径之比的范围为4～6。

在其中一个实施例中，所述柱肋的截面形状为圆形或多边形。

一种叶片，包括具有供气腔的叶片主体以及如上述任一技术特征所述的内部冷却结构；

所述内部冷却结构设置于所述叶片主体中，所述叶片主体包括第一主体与第二主体，所述第一主体与所述第一侧板为一体结构，所述第二主体与所述第二侧板为一体结构，所述冲击孔贯通所述第一主体；

所述柱肋的导热系数高于所述第二主体的导热系数，所述第一主体的导热系数高于所述第二主体的导热系数。

在其中一个实施例中，所述柱肋的导热系数与所述第二主体的导热系数的比值在1～8之间；

所述第一主体的导热系数与所述第二侧板的导热主体的比值的范围为1～8。

在其中一个实施例中，所述第一主体与所述柱肋的导热系数相同，或者，所述第一主体的导热系数高于所述柱肋的导热系数。

在其中一个实施例中，所述第二主体具有多个气膜孔，多个所述气膜孔成列设置，所述气膜孔的长度与所述冲击孔的直径之比的范围为1～2。

一种燃气涡轮发动机，包括如上述任一技术特征所述的叶片。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下技术效果：

本发明的燃气涡轮发动机、叶片及其内部冷却结构，流体从第一侧板的冲击孔进入内部冷却结构后与柱肋接触，柱肋不断破坏流动的边界层，增强了附近壁面的扰动，强化换热，同时柱肋增加了换热面积；并且，柱肋与第一侧板的导热系数高于第二侧板的导热系数，降低了导热热阻，提升换热效果，有效的解决目前传统强化换热趋于极限导致无法提高冷却效率的问题，实现流体的换热，提高内部冷却结构的整体冷却性能，进而提高叶片的换热效率，保证燃气涡轮发动机的冷却效果。

附图说明

图1为本发明一实施例的内部冷却结构的立体图；

图2为图1所示的内部冷却结构的主视图；

图3为图2所示的内部冷却结构在A-A处的剖视图；

图4为图1所示的内部冷却结构中柱肋另一种形式的示意图；

图5为图1所示的多材料的内部冷却结构与目前的单材料的内部冷却结构进行冷却效率实验的对比图；

图6为图1所示的内部冷却结构设置于叶片中的立体图。

其中：

100-叶片；

110-内部冷却结构；

111-第一侧板；

1111-冲击孔；

112-第二侧板；

113-柱肋；

114-流通通道；

120-第一主体；

130-第二主体；

140-供气腔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明的燃气涡轮发动机、叶片及其内部冷却结构进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参见图1，本发明提供了一种内部冷却结构110。该内部冷却结构110应用于燃气涡轮发动机的叶片100中，用于提高叶片100的换热效果。这里的燃气涡轮发动机包括发电用重型燃气轮机、航空发动机及舰船燃气轮机等，以提高燃气涡轮发动机的冷却效果。当然，在本发明的其他实施方式中，该内部冷却结构110还可应用于其他类型的需要散热的叶片100中。本发明的内部冷却结构110可以增加流体的换热面积，提升换热效果，实现流体的有效换热，以提高内部冷却结构110的整体冷却性能，进而提高叶片100的换热效率，保证燃气涡轮发动机的冷却效果。

参见图1至图4，在一实施例中，内部冷却结构110包括第一侧板111、第二侧板112以及多个柱肋113。第一侧板111上开设多个供流体进入的冲击孔1111。第二侧板112与第一侧板111间隔设置，第二侧板112用于止挡流体，并与流体换热。柱肋113设置于第一侧板111与第二侧板112之间，柱肋113用于扰动流体；其中，柱肋113的导热系数高于第二侧板112的导热系数，第一侧板111的导热系数高于第二侧板112的导热系数。

第一侧板111与第二侧板112间隔设置，中间围设成供流体流动的流通通道114。如图1和图2所示，第一侧板111位于第二侧板112的上方，第一侧板111与第二侧板112之间为流通通道114，可以理解的，本发明中所指的上下左右以对应的附图为基准，是为了便于内部冷却结构110具体结构的描述，并不代表其使用时的具体方位。并且，流体从第一侧板111的冲击孔1111进入，经过第二侧板112的侧面阻挡接触后进行接触换热，换热完成后的流体在图1所示的方向从左向右流动流出内部冷却结构110。当然，换热完成后的流体也可在图1所示的方向从右向左流动流出内部冷却结构110。

而且，第一侧板111与第二侧板112之间具有柱肋113。柱肋113具有扰动流体的功能。当流体进入内部冷却结构110的流通通道114后，流体会与柱肋113接触，柱肋113不断地破坏流动流体的边界层，增强了壁面附近扰动，提高了避免附近的湍动能，从而提高第二侧板112壁面的传热性能，强化换热。同时，柱肋113增加了与流体接触的表面积，进而增加换热面积，提高换热效率与换热效果。

并且，柱肋113的导热系数高于第二侧板112的导热系数，第一侧板111的导热系数高于第二侧板112的导热系数。也就是说，柱肋113由高导热系数的材料制成，第一侧板111由高导热系数的材料制成，第二侧板112由低导热系数的材料制成，以使内部冷却结构110采用多种材料制成，即为多材料的内部冷却结构110。这样，柱肋113与第一侧板111采用高导热系数材料可以降低导热热阻，从而整体提高冷却效果。具体的，通过耦合数值计算表明，在雷诺数为60000条件下，本发明的内部冷却结构110的区域平均综合冷却效率能够比传统的单材料内部冷却结构提高0.02，如图5所示。

与目前单材料的内部冷却结构110相比，本发明的多材料的内部冷却结构110不仅强化了传热，同时还考虑到了导热热阻的影响，通过采用多材料降低导热热阻，提高整体冷却效果。另外，在目前增材制造技术的基础上，本发明的内部冷却结构110具有良好的可实现性，这些对于实际的强化整体冷却性能应用具有重要的意义。

参见图1、图2和图4，在一实施例中，柱肋113的端部与第一侧板111和/或第二侧板112抵接。可选地，柱肋113的两端端部可以分别于第一侧板111及第二侧板112的壁面接触，如图1和图2所示。这样，柱肋113可以对第一侧板111与第二侧板112进行可靠支撑，提高抗冲击能力。可选地，柱肋113与第一侧板111的壁面抵接，与第二侧板112的壁面之间存在间距，如图4所示。这样可以增加柱肋113与流体接触的表面积，提高换热效果。可选地，柱肋113与第二侧板112的壁面抵接，与第一侧板111的壁面之间存在间距。这样可以增加柱肋113与流体接触的表面积，提高换热效果。

在一实施例中，柱肋113的导热系数与第二侧板112的导热系数的比值在1～8之间。第一侧板111的导热系数与第二侧板112的导热系数的比值的范围为1～8。也就是说，柱肋113采用导热系数较高的材料制成，第一侧板111也采用导热系数较高的材料制成，第二侧板112采用导热系数较低的材料制成。这样，柱肋113与第一侧板111的导热系数高于第一侧板111的导热系数，降低了导热热阻，提高了整体结构的冷却性能。通过耦合数值计算表明，在雷诺数为60000条件下，本发明的多材料的内部冷却结构110的区域平均综合冷却效率能够比传统单材料的内部冷却结构110提高0.02。

可选地，第一侧板111与柱肋113的导热系数相同。也就是说，第一侧板111与柱肋113可以由同种导热系数较高的材料制成，当然，第一侧板111与柱肋113也可采用不同材料但导热系数基本相同的材料制成。又可选地，第一侧板111的导热系数高于柱肋113的导热系数。也就是说，柱肋113采用导热系数较高的材料制成，第一侧板111采用导热系数更高的材料制成。示例性地，第一侧板111与柱肋113的导热系数相同，二者由同种材料制成。

进一步地，第二侧板112由传统的导热系数为22.5W/(c*K)的镍基材料制成，柱肋113与第一侧板111由比第二侧板112导热系数更高的合金材料制成，示例性地，柱肋113与第一侧板111的导热系数可以为45W/(c*K)。示例性地，第二侧板112由传统的镍基合金制成，柱肋113与第一侧板111可用导热系数更高的铜合金等材料。

本发明的内部冷却结构110的第一侧板111、第二侧板112以及柱肋113具有至少两种导热系数，使得内部冷却结构110采用多种材料制成，这样，不仅强化了传热，同时还考虑到了导热热阻的影响，通过采用多材料降低导热热阻，提高整体冷却效果。另外，在目前的增材制造技术的基础上，该内部冷却结构110具有良好的可实现性，这些对于实际的强化整体冷却性能应用具有重要的意义。

参见图1至图3，在一实施例中，多个冲击孔1111呈阵列式布置。多个柱肋113设置于冲击孔1111的周侧，并与冲击孔1111交错布置。也就是说，多个冲击孔1111成行成列分布。每行冲击孔1111的数量为多个，每列冲击孔1111的数量为多个。如图1所示，本发明仅仅示意出多个冲击孔1111成一列设置，当然，第一侧板111与第二侧板112的面积还可更大，相应的，冲击孔1111的数量还可为更多列。并且，柱肋113与冲击孔1111之间插排布置，如图3所示，中间的为柱肋113，柱肋113四周为冲击孔1111。

设每列冲击孔1111的数量为n个，冲击孔1111的流向间距为x，单元侧向间距为p。也就是说，图1所示的流通通道114中流体的流动方向来看，流向间距是指两个冲击孔1111从左向右的间距，即为同一列中相邻两个冲击孔1111之间的距离。单元侧向间距为相邻两列的两个冲击孔1111之间的距离，由于附图中仅仅示意一列冲击孔1111，所以侧向间距是指该列冲击孔1111与未画出的相邻一列的冲击孔1111之间的距离。冲击孔1111的直径为D₀，冲击孔1111的高度为L₀，柱肋113的内接圆直径为D₁，冲击距离Z即为柱肋113的高度。

在一实施例中，柱肋113的截面内接圆直径与冲击孔1111的直径之比的范围为0.5～3。也就是说，柱肋113的内接圆直径D₁与冲击孔1111的直径D₀之比D₁/D₀的范围为0.5～3。这样可以改变柱肋113的扰动效果，提高壁面附近的湍动能。

在一实施例中，柱肋113的高度与冲击孔1111的高度之比的范围为1～2。也就是说，柱肋113的高度Z与冲击孔1111的高度L₀之比Z/L₀的范围为1～2。这样可以增加流体的流动路径，增加流体的冲击，提高柱肋113的扰动效果，进而提高壁面附近的湍动能。

在一实施例中，柱肋113的截面形状为圆形或多边形。也就是说，柱肋113可以为圆柱形或者棱柱型。示例性地，柱肋113为圆柱形。当然，柱肋113还可为三棱柱、四棱柱等截面为多边形的棱柱。

在一实施例中，在同一排中，相邻的冲击孔1111之间的距离与冲击孔1111的直径之比的范围为4～6。这样可以避免流体混流，保证流体可以准确的经冲击孔1111进入流通通道114。

在一实施例中，相邻两排中相邻冲击孔1111之间的距离与冲击孔1111的直径之比的范围为4～6。这样可以避免流体混流，保证流体可以准确的经冲击孔1111进入流通通道114。

采用本发明的内部冷却结构110后，流体从第一侧板111的冲击孔1111进入内部冷却结构110后与柱肋113接触，柱肋113不断破坏流动的边界层，增强了附近壁面的扰动，强化换热，同时柱肋113增加了换热面积；并且，柱肋113与第一侧板111的导热系数高于第二侧板112的导热系数，降低了导热热阻，提升换热效果，有效的解决目前传统强化换热趋于极限导致无法提高冷却效率的问题，实现流体的换热，提高内部冷却结构110的整体冷却性能，进而提高叶片100的换热效率，保证燃气涡轮发动机的冷却效果。

参见图1和图6，本发明提供了一种叶片100，包括具有供气腔140的叶片100主体以及上述实施例的内部冷却结构110。内部冷却结构110设置于叶片100主体中，叶片100主体包括第一主体120与第二主体130，第一主体120与第一侧板111为一体结构，第二主体130与第二侧板112为一体结构，冲击孔1111贯通第一主体120。柱肋113的导热系数高于第二主体130的导热系数，第一主体120的导热系数高于第二主体130的导热系数。叶片100还具有中空的供气腔140。本发明的叶片100采用上述实施例的内部冷却结构110后，可以保证叶片100的整体冷却效果，提高叶片100的整体冷却性能。

可以理解的，叶片100的内部采用内部冷却结构110进行冷却，当然，叶片100的内部还采用其他结构形式的冷却，本发明仅说明本次的改进之处内部冷却结构110与叶片100结合的具体结构，其余的冷却方式为现有技术，在此不一一赘述。

具体的，内部冷却结构110应用于叶片100后，第一主体120与第一侧板111为一体结构，第二主体130与第二侧板112为一体结构，相应的，流体从第一主体120的冲击孔1111进入。当流体进入内部冷却结构110的流通通道114后，流体会与柱肋113接触，柱肋113不断地破坏流动流体的边界层，增强了壁面附近扰动，提高了避免附近的湍动能，从而提高第二主体130壁面的传热性能，强化换热。同时，柱肋113增加了与流体接触的表面积，进而增加换热面积，提高换热效率与换热效果。

并且，柱肋113的导热系数高于第二主体130的导热系数，第一主体120的导热系数高于第二主体130的导热系数。也就是说，柱肋113由高导热系数的材料制成，第一主体120由高导热系数的材料制成，第二主体130由低导热系数的材料制成，以使内部冷却结构110采用多种材料制成，即为多材料的内部冷却结构110。这样，柱肋113与第一主体120采用高导热系数材料可以降低导热热阻，从而整体提高冷却效果。具体的，通过耦合数值计算表明，在雷诺数为60000条件下，本发明的内部冷却结构110的区域平均综合冷却效率能够比传统的单材料内部冷却结构110提高0.02。

在一实施例中，柱肋113的导热系数与第二主体130的导热系数的比值在1～8之间。第一主体120的导热系数与第二主体130的导热主体的比值的范围为1～8。也就是说，柱肋113采用导热系数较高的材料制成，第一主体120也采用导热系数较高的材料制成，第二主体130采用导热系数较低的材料制成。这样，柱肋113与第一主体120的导热系数高于第一主体120的导热系数，降低了导热热阻，提高了整体结构的冷却性能。通过耦合数值计算表明，在雷诺数为60000条件下，本发明的多材料的内部冷却结构110的区域平均综合冷却效率能够比传统单材料的内部冷却结构110提高0.02。

在一实施例中，第一主体120与柱肋113的导热系数相同。也就是说，第一主体120与柱肋113可以由同种导热系数较高的材料制成，当然，第一主体120与柱肋113也可采用不同材料但导热系数基本相同的材料制成。又可选地，第一主体120的导热系数高于柱肋113的导热系数。也就是说，柱肋113采用导热系数较高的材料制成，第一主体120采用导热系数更高的材料制成。示例性地，第一主体120与柱肋113的导热系数相同，二者由同种材料制成。

进一步地，第二主体130由传统的导热系数为22.5W/(c*K)的镍基材料制成，柱肋113与第一主体120由比第二主体130导热系数更高的合金材料制成，示例性地，柱肋113与第一主体120的导热系数可以为45W/(c*K)。示例性地，第二主体130由传统的镍基合金制成，柱肋113与第一主体120可用导热系数更高的铜合金等材料。

本发明的内部冷却结构110的第一主体120、第二主体130以及柱肋113具有至少两种导热系数，使得内部冷却结构110采用多种材料制成，这样，不仅强化了传热，同时还考虑到了导热热阻的影响，通过采用多材料降低导热热阻，提高整体冷却效果。另外，在目前的增材制造技术的基础上，该内部冷却结构110具有良好的可实现性，这些对于实际的强化整体冷却性能应用具有重要的意义。

值得说明的是，叶片100中的内部冷却结构110的各个尺寸参数设置与上述实施例中内部冷却结构110的各个尺寸参数相同，在此不一一赘述。

在一实施例中，第二主体130具有多个气膜孔，多个气膜孔成列设置。也就是说，多个气膜孔成列设置组成气流孔列结构。这样可以保证气流流动平稳，避免出现涡流等情况。气膜孔的长度与冲击孔1111的直径之比的范围为1～2。这样可以保证气流流动平稳，避免出现涡流等情况。

本发明提供一种燃气涡轮发动机，包括上述实施例中的叶片100。本发明的燃气涡轮发动机除上述实施例中的叶片100外，均为现有结构，在此不一一赘述。本发明的燃气涡轮发动机采用上述实施例的叶片100后，可以保证燃气发动机的整体冷却效果，提高整体冷却性能。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书的记载范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种内部冷却结构，其特征在于，包括：

第一侧板，所述第一侧板上开设多个供流体进入的冲击孔；

2.根据权利要求1所述的内部冷却结构，其特征在于，所述柱肋的端部与所述第一侧板和/或所述第二侧板抵接。

3.根据权利要求1所述的内部冷却结构，其特征在于，多个所述冲击孔呈阵列式布置；

4.根据权利要求1至3任一项所述的内部冷却结构，其特征在于，所述柱肋的导热系数与所述第二侧板的导热系数的比值在1～8之间；

5.根据权利要求4所述的内部冷却结构，其特征在于，所述第一侧板与所述柱肋的导热系数相同，或者，所述第一侧板的导热系数高于所述柱肋的导热系数。

6.根据权利要求1至3任一项所述的内部冷却结构，其特征在于，所述柱肋的截面内接圆直径与所述冲击孔的直径之比的范围为0.5～3。

7.根据权利要求1至3任一项所述的内部冷却结构，其特征在于，所述柱肋的高度与所述冲击孔的高度之比的范围为1～2。

8.根据权利要求1至3任一项所述的内部冷却结构，其特征在于，在同一排中，相邻的所述冲击孔之间的距离与所述冲击孔的直径之比的范围为4～6。

9.根据权利要求1至3任一项所述的内部冷却结构，其特征在于，相邻两排中相邻所述冲击孔之间的距离与所述冲击孔的直径之比的范围为4～6。

10.根据权利要求1至3任一项所述的内部冷却结构，其特征在于，所述柱肋的截面形状为圆形或多边形。

11.一种叶片，其特征在于，包括具有供气腔的叶片主体以及如权利要求1至10任一项所述的内部冷却结构；

12.根据权利要求11所述的叶片，其特征在于，所述柱肋的导热系数与所述第二主体的导热系数的比值在1～8之间；

13.根据权利要求11所述的叶片，其特征在于，所述第一主体与所述柱肋的导热系数相同，或者，所述第一主体的导热系数高于所述柱肋的导热系数。

14.根据权利要求11至13任一项所述的叶片，其特征在于，所述第二主体具有多个气膜孔，多个所述气膜孔成列设置，所述气膜孔的长度与所述冲击孔的直径之比的范围为1～2。

15.一种燃气涡轮发动机，其特征在于，包括如权利要求11至14任一项所述的叶片。