CN112746871B - 具有梯形横截面的连续波浪肋冷却结构 - Google Patents

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    • F01D5/187—Convection cooling
    • F01D5/188—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall

Abstract

本发明公开了一种具有梯形横截面的连续波浪肋冷却结构，包括设置于叶片内的U型冷却通道，所述U型冷却通道由多个直通道部分和回转通道部分交替连接组成，最靠近叶片尾缘的一个直通道部分中设置有尾缘扰流直肋，其它直通道部分中均设置有连续波浪肋，连续波浪肋沿叶高方向伸展，连续波浪肋的横截面为梯形，回转通道部分中设置有半圆形导流片。本发明可以有效增强冷却通道换热性能，可加工性好。由于波浪肋沿流向布置，导流性较好，气流沿肋方向流动时，流动损失较低。且梯形截面的波浪肋与普通矩形截面肋片相比，虽然流阻略微增加，但无量纲努赛尔数大幅提高，综合换热性能更高，叶片的重量也有所减小。

Description

具有梯形横截面的连续波浪肋冷却结构
技术领域
本发明属于燃气轮机涡轮叶片冷却技术领域，具体涉及一种具有梯形横截面的连续波浪肋冷却结构。
背景技术
提高涡轮前进口温度能有效提高燃气轮机的推力和效率，是现代先进燃气轮机的主要发展方向。与此同时，耐高温叶片材料的发展却远远落后于涡轮进口温度的提高，二者的差别高达600K。因此，高效的冷却设计应运而生，成为了解决这一难题的必要关键技术，有力保障了涡轮叶片乃至燃气轮机安全、长效工作。
其中应用于涡轮叶片内部冷却的扰流肋冷却是一种高效且易加工制作的被动冷却方式，广泛应用于航空发动机涡轮叶片之中，这种被动冷却方式可以和涡轮叶片内部冷却通道相结合，大大提高涡轮叶片的冷却效率。
通过对现有技术文献检索发现，中国专利申请号200710118763.6，专利名称：一种适用于燃气涡轮发动机的梯形交错肋冷却叶片，该专利在叶片内部冷却腔内布满交错肋,这种冷却方式可以极大增加冷却气流与固体的接触面积，增强换热效果，且梯形横截面的交错肋较矩形交错肋换热综合换热效果大幅提高，并减少了叶片重量。但流体在交错肋冷却结构中流动时会产生分离涡团，流动阻力极大，性能改进片面，且很难和冲击、气膜冷却等冷却方式形成耦合冷却效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有梯形横截面的连续波浪肋冷却结构，进一步增强涡轮叶片内部冷却通道冷却效果。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有梯形横截面的连续波浪肋冷却结构，包括设置于叶片内的U型冷却通道，所述U型冷却通道由多个直通道部分和回转通道部分交替连接组成，最靠近叶片尾缘的一个直通道部分中设置有尾缘扰流直肋，其它直通道部分中均设置有连续波浪肋，连续波浪肋沿叶高方向伸展，连续波浪肋的横截面为梯形，回转通道部分中设置有半圆形导流片。
进一步的，所述连续波浪肋设置在U型冷却通道的上、下表面。
进一步的，所述U型冷却通道由设置在叶片内的若干个隔板分割为多个直通道部分和回转通道部分，隔板底部或顶部设置有开口，隔板的两侧为直通道部分，隔板底部或顶部的开口处为回转通道部分，相邻的隔板交错布置。
进一步的，所述回转通道部分中的半圆形导流片的凹面朝向隔板。
进一步的，所述尾缘扰流直肋一侧的隔板中开设有多个气孔，冷气从气孔流向尾缘扰流直肋。
进一步的，所述直通道部分包括窄通道和宽通道，窄通道中仅布置一组连续波浪肋，宽通道中布置多组连续波浪肋。
进一步的，所述连续波浪肋的横截面为等腰梯形，梯形的下边长与上边长之比为2，连续波浪肋的肋高与肋厚之比为1至3，连续波浪肋的波浪肋单元肋长与肋厚之比为10。
进一步的，所述波浪肋单元由4个大小相同的圆弧环段组成，每个圆弧环段的弧度为30°至50°，圆环平均半径为2至5mm。
与现有技术对比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的一种具有梯形横截面的连续波浪肋冷却结构，通过在叶片内部U型冷却通道上、下表面布置具有梯形横截面的连续波浪肋冷却结构来增强换热效果。冷气从U型通道进口流入，沿布置在直通道部分的连续波浪肋流动至回转通道部分，在回转通道部分布置半圆形导流片，冷气通过数段直通道和回转通道至U型冷却通道出口，部分冷气从冷却通道侧壁面上的气孔进入叶片尾缘部分。
相比于普通矩形横截面扰流肋，如直肋、斜肋、波浪肋等，具有梯形横截面的波浪肋明显促进带肋壁面近壁处冷气与主流的质量交换，尤其是波浪肋表面，这一方面明显提升了带肋壁面换热性能，弥补了换热面积减小的劣势，侧壁面换热性能也有所改进，另一方面剧烈的质量传递使得流动损失略有提升，但增加幅度有限，最终带肋壁面的综合换热性能也明显改善。
附图说明
图1为实施例中一种具有梯形横截面的连续波浪肋扰流冷却结构在涡轮叶片内冷却通道的剖面示意图；
图2为实施例中涡轮冷却叶片的剖视结构图；
图3为实施例中涡轮冷却叶片俯视图；
图4为实施例中连续波浪肋单元结构示意图；
图5为实施例中连续波浪肋横截面示意图；
图6为实施例中连续波浪肋及带肋壁面的三维模型图；
图7不同横截面方案中带肋壁面无量纲努赛尔数沿程分布的对比；
图8不同横截面方案的波浪肋在不同雷诺数下的流阻系数的对比；
图中，1-U型冷却通道、2-连续波浪肋、3-半圆形导流片、4-冷却通道侧壁引气孔、5-尾缘扰流直肋、6-隔板、P-波浪肋单元肋长、α-圆弧环段弧度、r-圆弧环段平均半径、e-波浪肋肋厚、he-波浪肋肋高。
具体实施方式
如图1至3所示，本发明的一种具有梯形横截面的连续波浪肋冷却结构，包括设置于叶片内的U型冷却通道1，U型冷却通道1由多个直通道部分和回转通道部分交替连接组成，最靠近叶片尾缘的一个直通道部分中设置有尾缘扰流直肋5，其它直通道部分中均设置有连续波浪肋2，连续波浪肋2沿叶高方向伸展，连续波浪肋2的横截面为梯形，回转通道部分中设置有半圆形导流片3。U型冷却通道1由设置在叶片内的若干个隔板6分割为多个直通道部分和回转通道部分，隔板6底部或顶部设置有开口，隔板6的两侧为直通道部分，隔板6底部或顶部的开口处为回转通道部分，相邻的隔板6交错布置，即隔板6底部或顶部的开口呈上下交错。回转通道部分中的半圆形导流片3的凹面朝向隔板6。尾缘扰流直肋5一侧的隔板6中开设有多个气孔4，冷气从气孔4流向尾缘扰流直肋5。
冷气流向如图2所示，冷气从U型冷却通道1进口流入，沿布置在直通道部分的连续波浪肋2流动至回转通道部分，在回转通道部分布置半圆形导流片3，冷气通过数段直通道部分和回转通道部分至U型冷却通道1出口，部分冷气从冷却通道隔板5上的气孔4进入叶片尾缘部分。
如图3所示，连续波浪肋设置在U型冷却通道的上、下表面。
如图2至3所示，直通道部分包括窄通道和宽通道，窄通道中仅布置一组连续波浪肋2，宽通道中布置多组连续波浪肋2。其中，一组连续波浪肋2包括对向设置在U型冷却通道的上、下表面的两列间断波浪肋。
如图3所示，连续波浪肋的横截面为等腰梯形，梯形的下边长与上边长之比为2，连续波浪肋的肋高与肋厚之比为1至3，连续波浪肋的波浪肋单元肋长与肋厚之比为10。
如图4所示，波浪肋单元由4个大小相同的圆弧环段组成，每个圆弧环段的弧度为30°至50°，圆环平均半径为2至5mm。
如图5、图6所示，在本发明的一个实施例中，取连续波浪肋的肋高与肋厚之比为2，圆弧环段弧度α为30度，圆弧环段平均半径r为2mm，分别建立梯形、三角形、矩形截面波浪肋的带肋通道的三维模型，进行仿真计算。
如图7、图8所示，相较于常规的矩形截面，梯形截面和三角形截面的连续波浪肋均大幅提高了带肋壁面的无量纲努赛尔数，但相应的流阻系数也有所增加。为了综合比较几种不同形状截面波浪肋的换热性能，本发明中定义了综合换热性能指标TP，在雷诺数为25000的情况下，梯形截面的连续波浪肋的综合换热性能分别高出三角形横截面7.63％和矩形横截面23.45％。
表1
梯形横截面 三角形横截面 矩形横截面
综合换热性能指标TP 0.368951 0.342804 0.298861
无量纲努赛尔数定义如下:
Nu/Nu0＝(hD/λ)/0.023Re0.8Pr0.4
式中，h为换热系数，D为特征长度，λ为导热系数，Re为进口雷诺数，Pr为普朗特数。综合换热性能的指标定义如下：
TP＝(Nu/Nu0)/(f/f0)1/3
其中，f0＝0.507Re-0.3、f＝Δp/(0.5ρU2)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有梯形横截面的连续波浪肋冷却结构，其特征在于：包括设置于叶片内的U型冷却通道，所述U型冷却通道由多个直通道部分和回转通道部分交替连接组成，最靠近叶片尾缘的一个直通道部分中设置有尾缘扰流直肋，其它直通道部分中均设置有连续波浪肋，连续波浪肋沿叶高方向伸展，连续波浪肋的横截面为梯形，回转通道部分中设置有半圆形导流片；所述连续波浪肋的横截面为等腰梯形，梯形的下边长与上边长之比为2，连续波浪肋的肋高与肋厚之比为1至3，连续波浪肋的波浪肋单元肋长与肋厚之比为10；所述波浪肋单元由4个大小相同的圆弧环段组成，每个圆弧环段的弧度为30°至50°，圆环平均半径为2至5mm。
2.根据权利要求1所述的具有梯形横截面的连续波浪肋冷却结构，其特征在于：所述连续波浪肋设置在U型冷却通道的上、下表面。
3.根据权利要求1所述的具有梯形横截面的连续波浪肋冷却结构，其特征在于：所述U型冷却通道由设置在叶片内的若干个隔板分割为多个直通道部分和回转通道部分，隔板底部或顶部设置有开口，隔板的两侧为直通道部分，隔板底部或顶部的开口处为回转通道部分，相邻的隔板交错布置。
4.根据权利要求3所述的具有梯形横截面的连续波浪肋冷却结构，其特征在于：所述回转通道部分中的半圆形导流片的凹面朝向隔板。
5.根据权利要求3所述的具有梯形横截面的连续波浪肋冷却结构，其特征在于：所述尾缘扰流直肋一侧的隔板中开设有多个气孔，冷气从气孔流向尾缘扰流直肋。
6.根据权利要求3所述的具有梯形横截面的连续波浪肋冷却结构，其特征在于：所述直通道部分包括窄通道和宽通道，窄通道中仅布置一组连续波浪肋，宽通道中布置多组连续波浪肋。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114198154B (zh) * 2021-12-15 2023-08-15 中国科学院工程热物理研究所 一种冷却结构
CN114215609B (zh) * 2021-12-30 2023-07-04 华中科技大学 一种可强化冷却的叶片内冷通道及其应用
CN114856714B (zh) * 2022-04-17 2024-03-08 中科南京未来能源系统研究院 一种适用于透平叶片后缘内部冷却通道的s型肋片结构
CN114961874A (zh) * 2022-04-22 2022-08-30 上海大学 一种航空发动机气冷涡轮叶片强化冷却结构

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19634238A1 (de) * 1996-08-23 1998-02-26 Asea Brown Boveri Kühlbare Schaufel
CN1318735C (zh) * 2005-12-26 2007-05-30 北京航空航天大学 一种适用于燃气涡轮发动机的脉动冲击冷却叶片
US7753650B1 (en) * 2006-12-20 2010-07-13 Florida Turbine Technologies, Inc. Thin turbine rotor blade with sinusoidal flow cooling channels
CN101158292A (zh) * 2007-07-13 2008-04-09 北京航空航天大学 一种适用于燃气涡轮发动机的梯形交错肋冷却叶片
CN102102544B (zh) * 2011-03-11 2013-10-02 北京华清燃气轮机与煤气化联合循环工程技术有限公司 燃气轮机的涡轮转子叶片
CN103089335A (zh) * 2013-01-21 2013-05-08 上海交通大学 适用于涡轮叶片后部冷却腔的w形肋通道冷却结构

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