CN113153444B - 一种基于超声波强化传热的透平叶片内部冲击冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声波强化传热的透平叶片内部冲击冷却结构，在燃气轮机运行工况下，冷却气体在一定压力下从叶根进入冷气腔室，冷气腔轴线与喷嘴轴线垂直但空间上不相交，冷却气体被切向引入喷嘴中迅速转动且产生涡旋。当冷却气体从喷嘴出口最小直径处喷出时，会产生高速射流且发声。当射流本身的振动频率与共振腔的频率一致时，产生较强超声波。超声波传播时的边界层效应、声流效应和和空化效应可以增强内部冷却气体的对流换热系数，从而达到对燃气轮机透平叶片冷却保护的作用。本发明结构简单，不需要外置辅助设备，不限冷却工质种类。本发明结构紧凑，提高了冷却效率，允许进一步提高燃气轮机透平进口初温。

Description

一种基于超声波强化传热的透平叶片内部冲击冷却结构

技术领域

本发明属于叶轮机械技术领域，涉及一种基于超声波强化传热的透平叶片内部冲击冷却结构。

背景技术

燃气轮机作为“装备制造业皇冠上的明珠”，被广泛应用于航空、船舶、发电等领域。为了提高燃气轮机效率，降低燃料消耗，透平的进口温度，已从上世纪70年代的1400K，提高到目前的超过2000K，远远超过透平材料的承受能力。随着透平进口温度的不断提高，叶片热负荷逐渐增大，热应力逐渐增加。此外，相比常规燃气轮机，近年来提出的湿空气透平叶片表面的热通量比常规燃气轮机透平大20%以上，对透平叶片的冷却提出了更高的要求。因此，为了提高燃气轮机热效率，延长叶片使用寿命，必须研究新型先进的冷却方式。

目前，对透平叶片普遍使用的冷却方法可分为内部冷却和外部冷却两种。内部冷却是冷却气流在流过叶片内部冷却通道的过程中吸收叶片外侧能量，主要冷却方式有冲击冷却、带肋U型冷却通道、旋流冷却和柱肋冷却等；外部冷却是阻隔高温燃气与叶片表面直接接触传热的方法，最常见的方法是气膜冷却，即内部冷却空气通过叶片表面的孔或窄缝流出并在叶片表面形成一层气膜，隔离高温燃气以降低热负荷，同时对叶片表面进行冷却，但气膜冷却引入的二次气流会对主流产生扰动，产生气动损失。目前各种冷却方式主要采用空气作为冷却介质，此外也可采用水蒸气以及空气和水雾混合形成的气雾等冷却介质。

超声波在强化传热方面具有独特的优点，具体体现在：1）超声波在介质中传播具有很强的穿透力。超声波作用于边界层，其湍动效应和微扰效应会改变边界层内流体的速度分布，减小热边界层的厚度及热阻效应，提高传热强度。2）超声波在介质中传播时，会引起一种非周期性的环形运动，称为声流。超声声流作用可以增强流体的湍流，提高传热强度。3）超声波在介质中传播时为正负压交替作用，引起介质内部产生空化效应。空化气泡溃缩可产生强烈的冲击波和微射流，从而产生强烈的冲击冷却效果；同时伴随着产生机械搅拌作用，进一步强化对流传热。当冷却工质为水蒸气或气雾时，这种效果尤为显著。

超声波作为一种新的强化传热技术近年来逐渐受到重视，在工业应用中展露出巨大潜力。Loh等研究了超声波振动产生的声流作用对增强单相自然对流的影响，并通过 CFD仿真的方式模拟了整个过程。CFD 模拟和理论分析都表明，声流速度与声压幅值的二次方成正比，在 28kHz 频率下超声波产生的声流使壁面温度下降了 40℃。Bulliard-Sauret等通过实验研究了 2MHz 超声波对强制对流传热的影响，结果表明，相比于无超声工况，超声工况传热系数提高了25%-90%。I.Yoshihiro等人对超声波影响单相对流传热效果进行了研究，实验结果表明，在单相对流传热阶段，传热强化倍率最大可达2.0。

在超声波冷却中，超声波发生器是不可或缺的重要设备。超声波发生器可分为电子式和机械式两种，其中机械型超声波发生器最适合用于透平叶片冷却。冷却空气在一定压力下从喷嘴喷出，产生高速射流且发声。当射流本身的振动频率与共振腔的频率一致时，即可发生共振，产生较强超声波。

发明内容

本发明的目的在于对现有透平叶片冷却技术进行改进，提供一种基于超声波强化传热的结构简单、冷却效果显著的透平叶片内部冲击冷却结构，超声波在介质中传播时，产生的“边界层效应”、“声流效应”和“空化效应”加剧了冷却气体的对流，增加了透平叶片内部冷却气体的紊流度，提高了叶片内部对流换热。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于超声波强化传热的透平叶片内部冲击冷却结构，包括：

透平叶片；

冷气腔室，所述冷气腔室设置于透平叶片的内部；所述冷气腔室通过若干喷嘴与冲击腔室相连通；

冲击腔室，所述冲击腔室设置于透平叶片的内部；所述冲击腔室内设置有共振腔，若干所述喷嘴喷射的射流作用于共振腔上。

本发明进一步的改进在于：

所述冷气腔室的进气口设置于透平叶片的叶根。

所述冲击腔室的排气口设置于透平叶片的叶顶。

所述喷嘴出口直径与共振腔当量直径的比为1:(1.25~1.27)之间，用于产生18~60kHz的超声波。

所述共振腔内设置若干气柱以及两支撑板，所述支撑板的一端固定于共振腔的内壁上，若干气柱夹在两支撑板的内壁，并与至固定连接。

所述共振腔的腔深与腔当量直径的比为1:(0.5~2)。

所述冷气腔室的形状为矩形。

所述共振腔与喷嘴相对设置，两支撑板的之间的间距，沿射流方向依次增大。

所述喷嘴在出口处的内径沿射流方向渐缩。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明基于超声波强化传热的透平叶片内部冲击冷却结构，本发明与现有燃气轮机叶片结构相容，且显著增大了叶片前缘的冷却强度，允许进一步提高燃气初温。本发明不限制冷却工质的种类，空气、蒸汽、气雾冷却均可。与传统冲击冷却结构相比，冷却效率更高。本发明既可单独使用，也可与气膜冷却相结合，形成复合冷却结构。单独使用时，本结构减少了气膜孔的开设，增加了叶片的强度，同时减少了主流的气动损失。本发明不需要增加外置辅助设备，与现有燃气轮机的冷却系统相容。本发明冷却气体在中小压力下，即可使共振腔气体柱以18~60kHz的超声频率声振，最高可产生6W/cm²的声强。本发明结构不需要外置任何设备，经济成本较低，可行性较高。

进一步的，本发明共振腔由支撑板固定，支撑板的存在也使得共振腔的边缘不至于太尖，减小无规则噪声的产生。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明基于超声波强化传热的透平叶片内部冲击冷却结构示意图；

图2为本发明基于超声波强化传热的透平叶片内部冲击冷却结构冷气流动方向示意图；

图3为本发明基于超声波强化传热的透平叶片内部冲击冷却结构的横截面示意图；

其中：1-透平叶片，2-冷气腔室，3-喷嘴，4-共振腔，5-支撑板，6-冲击腔室。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-3，本发明实施例公开了一种基于超声波强化传热的透平叶片内部冲击冷却结构，包括透平叶片1、冷气腔室2、喷嘴3、共振腔4、支撑板5、冲击腔室6。

冷气腔室2布置在透平叶片1内部，其形状和大小可根据叶型进行调整，冷却气体通过叶根进入透平叶片内部。冷气腔室2里的冷却气体通过喷嘴3喷出，形成射流来激发共振腔4里的气柱共振，并在冲击腔室6里传送超声波。支撑板5一方面是为了固定共振腔4，另一方面也使得共振腔4的边缘不至于太尖，减小无规则噪声的产生。设计时喷嘴口直径对共振腔当量直径的比例应该在1:（1.25~1.27），腔深与腔当量直径的比例应该在2:1~1:2之间。通过本发明，可使冷却气体在中小压力下产生18~60kHz范围内的超声频率。超声波在传播时，产生的“边界层效应”、“声流效应”和“空化效应”加剧了冷却气体的对流，提高了叶片内壁与冷却气体之间的换热系数，进而对叶片起到冷却保护作用。

本发明的工作原理及工作过程：

一定压力下的冷却气体通过叶根进入到冷气腔室2，冷气腔室2中的冷却气体从喷嘴3喷出时，产生高速射流且发声。射流本身振动频率与共振腔4的频率一致时，发生共振，在冲击腔室6中产生超声波。超声波传播时的边界层效应、声流效应和空化效应，可显著增强透平叶片1内壁与冷却气体之间的对流传热，从而实现对叶片的冷却。冲击腔室6中的冷却气体可从叶顶排出。共振腔4由支撑板5固定，支撑板的存在也使得共振腔4的边缘不至于太尖，减小无规则噪声的产生。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于超声波强化传热的透平叶片内部冲击冷却结构，其特征在于，包括：

透平叶片（1）；

冷气腔室（2），所述冷气腔室（2）设置于透平叶片（1）的内部；所述冷气腔室（2）通过若干喷嘴（3）与冲击腔室（6）相连通；所述喷嘴（3）出口直径与共振腔（4）当量直径的比为1:(1.25~1.27)之间，用于产生18~60kHz的超声波；

冲击腔室（6），所述冲击腔室（6）设置于透平叶片（1）的内部；所述冲击腔室（6）内设置有共振腔（4），若干所述喷嘴（3）喷射的射流作用于共振腔（4）上；所述共振腔（4）内设置若干气柱以及两支撑板（5），所述支撑板（5）的一端固定于共振腔（4）的内壁上，若干气柱夹在两支撑板（5）的内壁，并与至固定连接。

2.根据权利要求1所述的基于超声波强化传热的透平叶片内部冲击冷却结构，其特征在于，所述冷气腔室（2）的进气口设置于透平叶片（1）的叶根。

3.根据权利要求1或2所述的基于超声波强化传热的透平叶片内部冲击冷却结构，其特征在于，所述冲击腔室（6）的排气口设置于透平叶片（1）的叶顶。

4.根据权利要求1所述的基于超声波强化传热的透平叶片内部冲击冷却结构，其特征在于，所述共振腔（4）的腔深与腔当量直径的比为1:(0.5~2)。

5.根据权利要求1所述的基于超声波强化传热的透平叶片内部冲击冷却结构，其特征在于，所述冷气腔室（2）的形状为矩形。

6.根据权利要求4所述的基于超声波强化传热的透平叶片内部冲击冷却结构，其特征在于，所述共振腔（4）与喷嘴（3）相对设置，两支撑板（5）的之间的间距，沿射流方向依次增大。

7.根据权利要求1所述的基于超声波强化传热的透平叶片内部冲击冷却结构，其特征在于，所述喷嘴（3）在出口处的内径沿射流方向渐缩。

Images