CN112065510A - 一种用于燃气轮机透平的水波纹壁冷结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于燃气轮机透平的水波纹壁冷结构，包括具有冲击射流孔的冲击壁、及具有气膜溢流孔的冲击靶壁，所述冲击壁和冲击靶壁之间形成冷气流道，所述冲击射流孔和气膜溢流孔均与冷气流道相通，且所述气膜溢流孔与燃气通道相通，所述冲击靶壁朝向冲击壁的表面上设有波纹型面。由于本发明中冲击靶壁朝向冲击壁的表面上设有波纹型面，在冷气射流流经冷气流道时，当量冲击距减小，有效冲刷面积增加，流动死区面积减少，使得冷气组织利用有效性提升，提高了冷却效果；相比于传统平面壁冷结构，本发明采用的水波纹壁冷结构可使冷却效果提升约20％，流动损失减小约15％。

Description

一种用于燃气轮机透平的水波纹壁冷结构

技术领域

本发明涉及燃气轮机透平冷却技术领域，特别是涉及一种用于燃气轮机透平的水波纹壁冷结构。

背景技术

燃气轮机是一种以空气作为工作介质的热动力机械装置，广泛应用于飞行器、舰船推进器以及发电等诸多工业领域。如附图1所示，燃气轮机的核心部件包括压气机1、燃烧室2和透平3。其中，透平受到高温高压燃气的直接作用，所处工作温度远远超过了用于制造透平材料的耐温极限，为确保其安全、稳定、长寿命的运行，必须对透平进行冷却。透平的冷却介质一般是引自压气机的低温空气，显然，冷却空气供应不足会导致高温透平部件烧蚀，而冷却空气过剩会导致燃气轮机整体热效率降低。因此，如何使用尽可能少的冷气实现尽可能大的冷却效果，即能否组织冷气的高效、合理利用是衡量一种先进透平冷却结构的关键技术指标。

壁冷结构是一种应用于高温透平的冷却结构，冷气在透平壁冷通道内依次经过冲击射流、粗糙元扰流和气膜孔溢流，一方面通过强制冲击扰流带走了内壁面的热量，另一方面也通过气膜隔热减少了外壁面的热负荷，不仅使透平壁面得到足够的冷却，同时也实现了冷却空气的有效组织和利用。如附图2所示，传统的壁冷结构为平面冲击壁4搭配平面冲击靶壁5的双层壁组合冷却形式，由于其流动损失较大，冷却均匀性较低，冷却效果较差，应用范围受到了很大的限制。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种冷却效果更好的用于燃气轮机透平的水波纹壁冷结构。

为实现上述目的，本发明提供一种用于燃气轮机透平的水波纹壁冷结构，包括具有冲击射流孔的冲击壁、及具有气膜溢流孔的冲击靶壁，所述冲击壁和冲击靶壁之间形成冷气流道，所述冲击射流孔和气膜溢流孔均与冷气流道相通，且所述气膜溢流孔与燃气通道相通，所述冲击靶壁朝向冲击壁的表面上设有波纹型面。

进一步地，所述冲击壁与冲击靶壁之间通过支撑柱连接。

进一步地，所述冲击靶壁上设有多个呈矩形阵列分布的所述气膜溢流孔。

进一步地，所述冲击靶壁上设有多个呈矩形阵列分布的冲击靶部，所述冲击靶部上设有所述波纹型面，每四个相邻的且呈矩形分布的冲击靶部之间设有所述气膜溢流孔。

进一步地，所述冲击靶部呈圆形，所述波纹型面呈由冲击靶部的圆心向四周扩散的圆形波纹结构，所述冲击壁上设有多个所述冲击射流孔，每四个所述冲击射流孔与一个所述冲击靶部相对应，且每四个所述冲击射流孔沿冲击靶部的圆周方向均匀分布。

进一步地，所述冲击射流孔的直径为Dj，所述冲击壁的厚度Jz为1～3Dj，与同一冲击靶部相对应的相邻两个冲击射流孔的间距Jr为3～10Dj，且所述冲击射流孔的射流角γ为30°～90°。

进一步地，所述冲击靶壁的厚度Tz为3～6Dj，所述气膜溢流孔的直径Fj为1～3Dj，相邻两个所述气膜溢流孔的间距Tr为5～15Dj，且所述气膜溢流孔的溢流角θ为30°～90°。

进一步地，所述冲击壁与冲击靶壁间的冲击距Hz为1～3Dj。

进一步地，所述波纹型面的波长Cr为2～6Dj，波幅Cz为0.5～1.5Dj。

进一步地，所述冲击射流孔的直径Dj为0.3～1.5mm。

如上所述，本发明涉及的用于燃气轮机透平的水波纹壁冷结构，具有以下有益效果：

本发明中用于燃气轮机透平的水波纹壁冷结构，其冲击靶壁朝向冲击壁的表面上设有波纹型面，在冷气射流通过冲击壁的冲击射流孔流入冷气流道，并形成射流后，冷气射流将对冲击靶壁的波纹型面进行有效冲刷，通过强制对流带走热量，随后通过冲击靶壁上的气膜溢流孔抽吸至燃气通道，并在冲击靶壁的表面形成隔热气膜，利用冷气的吸热作用及隔热气膜的隔热作用共同实现冷却效果；且由于本发明中冲击靶壁朝向冲击壁的表面上设有波纹型面，在冷气射流流经冷气流道时，当量冲击距减小，有效冲刷面积增加，流动死区面积减少，使得冷气组织利用有效性提升，提高了冷却效果；相比于传统平面壁冷结构，本发明采用的水波纹壁冷结构可使冷却效果提升约20％，流动损失减小约15％。

附图说明

图1为现有技术中燃气轮机的结构示意图。

图2为现有技术中壁冷结构的结构示意图。

图3为本发明实施例中用于燃气轮机透平的水波纹壁冷结构的示意图。

图4为本发明实施例中用于燃气轮机透平的水波纹壁冷结构的俯视图。

图5为本发明实施例中用于燃气轮机透平的水波纹壁冷结构的主视图。

图6为本发明实施例中波纹型面的结构示意图。

图7为本发明实施例中用于燃气轮机透平的水波纹壁冷结构的使用状态图。

图8为本发明实施例中透平的结构示意图。

图9为本发明实施例中位于叶片端壁处的水波纹壁冷结构与传统平面壁冷结构的流动损失对比图。

图10为本发明实施例中位于叶片端壁处的水波纹壁冷结构与传统平面壁冷结构的冷却效果对比图。

元件标号说明

1 压气机

2 燃烧室

3 透平

4 冲击壁

5 冲击靶壁

51 冲击靶部

511 波纹型面

6 冲击射流孔

7 气膜溢流孔

8 支撑柱

9 冷气射流

11 冷气流道

12 燃气通道

13 叶片端壁

14 叶片叶身

15 叶顶机匣

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图3至图8所示，本发明提供一种用于燃气轮机透平的水波纹壁冷结构，包括具有冲击射流孔6的冲击壁4、及具有气膜溢流孔7的冲击靶壁5，冲击壁4和冲击靶壁5之间形成冷气流道11，冲击射流孔6和气膜溢流孔7均与冷气流道11相通，且气膜溢流孔7与燃气通道12相通，冲击靶壁5朝向冲击壁4的表面上设有波纹型面511。本发明中用于燃气轮机透平的水波纹壁冷结构，其冲击靶壁5朝向冲击壁4的表面上设有波纹型面511，在冷气射流9通过冲击壁4的冲击射流孔6流入冷气流道11，并形成射流后，冷气射流9将对冲击靶壁5的波纹型面511进行有效冲刷，通过强制对流带走热量，随后通过冲击靶壁5上的气膜溢流孔7抽吸至燃气通道12，并在冲击靶壁5的表面形成隔热气膜，利用冷气的吸热作用及隔热气膜的隔热作用共同实现冷却效果；且由于本发明中冲击靶壁5朝向冲击壁4的表面上设有波纹型面511，在冷气射流9流经冷气流道11时，当量冲击距减小，有效冲刷面积增加，流动死区面积减少，使得冷气组织利用有效性提升；相比于传统平面壁冷结构，本发明采用的水波纹壁冷结构可使冷却效果提升约20％，流动损失减小约15％。

如图3和图5所示，本实施例中冲击壁4与冲击靶壁5之间通过支撑柱8连接，以利用支撑柱8的连接作用增强本水波纹壁冷结构的整体刚度，确保水波纹型壁冷结构在高压射流作用下具有足够的几何稳定性。

如图3和图4所示，本实施例中冲击靶壁5上设有多个呈矩形阵列分布的气膜溢流孔7。同时，如图所示，本实施例中冲击靶壁5上设有多个呈矩形阵列分布的冲击靶部51，冲击靶部51上设有所述波纹型面511，每四个相邻的且呈矩形分布的冲击靶部51之间设有一个气膜溢流孔7。如图所示，本实施例中冲击靶部51呈圆形，波纹型面511呈由冲击靶部51的圆心向四周扩散的圆形波纹结构，冲击壁4上设有多个所述冲击射流孔6，每四个冲击射流孔6与一个冲击靶部51相对应，即每四个冲击射流孔6喷出的冷气射流9会直接冲击到同一个冲击靶部51上，且每四个冲击射流孔6沿冲击靶部51的圆周方向均匀分布。此种分布形式能有效增加冲刷面积，减少流动死区面积。

本实施例中冲击射流孔6的直径为Dj，冲击壁4的厚度Jz为1～3Dj，与同一冲击靶部51相对应的相邻两个冲击射流孔6的间距Jr为3～10Dj，且冲击射流孔6的射流角γ为30°～90°。本实施例中冲击靶壁5的厚度Tz为3～6Dj，气膜溢流孔7的直径Fj为1～3Dj，相邻两个所述气膜溢流孔7的间距Tr为5～15Dj，且气膜溢流孔7的溢流角θ为30°～90°。如图所示，本实施例中冲击壁4与冲击靶壁5间的冲击距Hz为1～3Dj。本实施例中波纹型面511的波长Cr为2～6Dj，波幅Cz为0.5～1.5Dj。波纹型面511的波峰位于冲击射流孔6的中心轴线上。本实施例中支撑柱8具体呈圆柱型，其直径Hr为1～3Dj。另外，本实施例中冲击射流孔6的直径Dj取值范围为0.3～1.5mm。

本实施例中水波纹壁冷结构用于对燃气轮机的透平3进行冷却，具体为一种用于燃气轮机高温透平的水波纹壁冷结构，属于燃气轮机高温透平冷却技术领域，可应用于透平3的叶片叶身14、叶片端壁13和叶顶机匣15的高效冷却。本实施例中透平3具体为一种高温透平。如图8所示，本实施例中透平3的叶片端壁13和叶顶机匣15处均设有上述水波纹壁冷结构。在其它实施例中可选择仅在叶片端壁13或叶顶机匣15处设置上述水波纹壁冷结构。

本实施例中冲击壁4的两表面均为光滑平面或曲面，与冷气接触。全部冲击射流孔6在冲击壁4上均匀分布，形成多孔阵列射流。全部气膜溢流孔7在冲击靶壁5上均匀分布。冲击靶壁5背向冲击壁4的表面为光滑平面或曲面，与燃气接触。本实施例中冲击壁4和冲击靶壁5在高温透平的转向和周向为多个周期单元结构。冲击靶壁5上的波纹型面511沿轴向为余弦波型，沿周向为圆环型。凹凸相间的波纹型面511相比于传统平面壁冷结构不增加部件的重量，易于设计、加工和制造。

本实施例中位于叶片端壁13处的水波纹壁冷结构，其冲击射流孔6的直径Dj具体为0.5mm，冲击壁4的厚度Jz具体为2Dj，冲击距Hz具体为2.5Dj，间距Jr具体为6Dj，射流角γ具体为90°，支撑柱8的直径Hr具体为1Dj，冲击靶壁5的厚度Tz具体为4Dj，气膜溢流孔7的直径Fj具体为2Dj，间距Tr具体为12Dj，溢流角θ具体为90°；波纹型面511沿轴向为余弦波型，波长Cr为2Dj，波幅Cz为1Dj。来自透平3的内环旋转盘腔的冷气射流9通过位于叶片端壁13内部的冲击壁4、即冲击挡板上的冲击射流孔6流入冷气流道11，形成多孔阵列射流，对冲击靶壁5、即叶片端壁13的内表面进行有效冲刷，通过强制对流带走叶片端壁13内表面的热量，随后通过冲击靶壁5上的气膜溢流孔7抽吸至燃气通道12，附着在叶片端壁13外表面并形成隔热气膜，从而通过内外共同作用实现对高温透平的叶片端壁13的有效冷却。

图9为本发明实施例中位于叶片端壁13处的水波纹壁冷结构与传统平面壁冷结构的流动损失对比图，该图表明位于叶片端壁13处的水波纹壁冷结构与传统平面壁冷结构在相同气动边界条件下的流动损失比较，图中以流动损失值为纵坐标，气动边界值为横坐标，图中带三角形点的线条为本水波纹壁冷结构对应的变化线，图中带圆点的线条为传统平面壁冷结构对应的变化线；图10为本发明实施例中位于叶片端壁13处的水波纹壁冷结构与传统平面壁冷结构的冷却效果对比图，该图表明位于叶片端壁13处的水波纹壁冷结构与传统平面壁冷结构在相同气动边界条件下的冷却效果比较，图中以冷却效果值为纵坐标，气动边界值为横坐标，图中带三角形点的线条为本水波纹壁冷结构对应的变化线，图中带圆点的线条为传统平面壁冷结构对应的变化线。本实施例中用于高温透平的叶片端壁13的水波纹型壁冷结构相比于传统平面壁冷结构的流动损失减小2～5％，冷却效果提高16～18％，即本发明实施例中的水波纹型壁冷结构具有降低流动阻力、显著强化冷却效果的有益性能。同时，支撑柱8确保水波纹型壁冷结构在高压射流作用下具有足够的刚度；凹凸相间的冲击靶壁5相比于传统平面靶壁不增加冷却部件的重量；易于设计、加工和制造。

同时，本实施例中位于叶顶机匣15处的水波纹壁冷结构，其冲击射流孔6的直径Dj具体为0.65mm，冲击壁4的厚度Jz具体为2Dj，冲击距Hz具体为2.5Dj，间距Jr具体为6Dj，射流角γ具体为90°，支撑柱8的直径Hr具体为1Dj，冲击靶壁5的厚度Tz具体为4Dj，气膜溢流孔7的直径Fj具体为2Dj，间距Tr具体为12Dj，溢流角θ具体为90°；波纹型面511沿轴向为余弦波型，波长Cr为4.5Dj，波幅Cz为1.5Dj。来自透平3的外环气缸冷气腔的冷气射流9通过叶顶机匣15内部的冲击壁4，即环形挡板上的冲击射流孔6流入冷气流道11，形成多孔阵列射流，对冲击靶壁5、即叶顶机匣15内表面进行有效冲刷，通过强制对流带走叶顶机匣15内表面的热量，随后通过冲击靶壁5上的气膜溢流孔7抽吸至燃气通道12，附着在叶顶机匣15外表面并形成隔热气膜，从而通过内外共同作用实现对高温透平的叶顶机匣15的有效冷却。本实施例中用于高温透平的叶顶机匣15的水波纹型壁冷结构相比于传统平面壁冷结构的流动损失减小8～12％，冷却效果提高2～3％。

对比本实施例中位于叶片端壁13处和位于叶顶机匣15处的水波纹壁冷结构可以发现，短波长小波幅的水波纹型壁冷结构的强化冷却效果更显著，长波长大波幅水波纹型壁冷结构的减小流阻效果更显著。

本实施例中用于燃气轮机透平的水波纹壁冷结构，提高了高温透平的叶片叶身14、叶片端壁13和叶顶机匣15处冷却效果，减小气流流经本壁冷结构时所产生的流动损失，同时相比于传统壁冷结构不增加部件的重量，结构具有足够的刚度，易于设计、加工和制造。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种用于燃气轮机透平的水波纹壁冷结构，其特征在于，包括具有冲击射流孔(6)的冲击壁(4)、及具有气膜溢流孔(7)的冲击靶壁(5)，所述冲击壁(4)和冲击靶壁(5)之间形成冷气流道(11)，所述冲击射流孔(6)和气膜溢流孔(7)均与冷气流道(11)相通，且所述气膜溢流孔(7)与燃气通道(12)相通，所述冲击靶壁(5)朝向冲击壁(4)的表面上设有波纹型面(511)。

2.根据权利要求1所述用于燃气轮机透平的水波纹壁冷结构，其特征在于，所述冲击壁(4)与冲击靶壁(5)之间通过支撑柱(8)连接。

3.根据权利要求1所述用于燃气轮机透平的水波纹壁冷结构，其特征在于，所述冲击靶壁(5)上设有多个呈矩形阵列分布的所述气膜溢流孔(7)。

4.根据权利要求1所述用于燃气轮机透平的水波纹壁冷结构，其特征在于，所述冲击靶壁(5)上设有多个呈矩形阵列分布的冲击靶部(51)，所述冲击靶部(51)上设有所述波纹型面(511)，每四个相邻的且呈矩形分布的冲击靶部(51)之间设有所述气膜溢流孔(7)。

5.根据权利要求4所述用于燃气轮机透平的水波纹壁冷结构，其特征在于，所述冲击靶部(51)呈圆形，所述波纹型面(511)呈由冲击靶部(51)的圆心向四周扩散的圆形波纹结构，所述冲击壁(4)上设有多个所述冲击射流孔(6)，每四个所述冲击射流孔(6)与一个所述冲击靶部(51)相对应，且每四个所述冲击射流孔(6)沿冲击靶部(51)的圆周方向均匀分布。

6.根据权利要求5所述用于燃气轮机透平的水波纹壁冷结构，其特征在于，所述冲击射流孔(6)的直径为Dj，所述冲击壁(4)的厚度Jz为1～3Dj，与同一冲击靶部(51)相对应的相邻两个冲击射流孔(6)的间距Jr为3～10Dj，且所述冲击射流孔(6)的射流角γ为30°～90°。

7.根据权利要求6所述用于燃气轮机透平的水波纹壁冷结构，其特征在于，所述冲击靶壁(5)的厚度Tz为3～6Dj，所述气膜溢流孔(7)的直径Fj为1～3Dj，相邻两个所述气膜溢流孔(7)的间距Tr为5～15Dj，且所述气膜溢流孔(7)的溢流角θ为30°～90°。

8.根据权利要求6所述用于燃气轮机透平的水波纹壁冷结构，其特征在于，所述冲击壁(4)与冲击靶壁(5)间的冲击距Hz为1～3Dj。

9.根据权利要求6所述用于燃气轮机透平的水波纹壁冷结构，其特征在于，所述波纹型面(511)的波长Cr为2～6Dj，波幅Cz为0.5～1.5Dj。

10.根据权利要求6至9任一项所述用于燃气轮机透平的水波纹壁冷结构，其特征在于，所述冲击射流孔(6)的直径Dj为0.3～1.5mm。

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