CN113266427B - 一种透平动叶内部复合冷却结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种透平动叶内部复合冷却结构，包括前缘旋流冷却通道、中弦U形冷却通道和尾缘梯形冷却通道。其中，U形冷却通道包括一体化成型的U形冷却通道进口段，U形冷却通道出口段，以及连通U形冷却通道进口段和U形冷却通道出口段的U形冷却通道顶部转弯区，U形冷却通道进、出口段和旋流冷却通道之间通过若干交错排列的射流孔连通；整个冷却通道表面布置有若干球窝/球凸、气膜孔结构，U形冷却通道和尾缘梯形冷却通道中布置有若干翅片结构。本发明通过多结构的耦合既保证了叶片的结构强度，又实现了高传热、低阻力、高适应性等优势。

Description

一种透平动叶内部复合冷却结构
技术领域
本发明属于透平冷却技术领域，特别涉及一种透平动叶内部复合冷却结构。
背景技术
燃气轮机是十分重要的能源动力设备，被广泛应用于能源、电力、航天、航空、舰船、军事等领域，是国防与能源动力工业有战略意义的重大装备。喷气发动机和重型燃气轮机的技术发展水平更是衡量一个国家制造业实力的重要标志，因此，开展燃气轮机关键技术的研究，发展我国自主知识产权的燃气轮机，对于我国的国民经济发展、能源安全与国防安全都有着重大的意义。
燃气轮机功率和效率的提高很大程度上取决于燃气轮机进口温度的不断提高，由于材料属性的限制，透平进口处的气体温度已超过叶片材料允许值。因此，透平叶片在运行过程中承受着较高的热负荷，可能发生烧蚀事故。虽然材料的性能不断提高，但仍远远不能满足燃气轮机的发展需要，必须采用有效的热防护技术。除了使用热障涂层，基于冷却剂的高效冷却方法对于确保燃气轮机的安全运行至关重要。叶片冷却技术主要包括内冷和气膜冷却。在内冷中，通常采用各种强化传热的方法，包括射流冲击、U形转弯、粗糙结构等，都极大地促进了冷却性能的提高。为了进一步提高冲击冷却性能，旋流冷却技术也得到了发展。这种技术将射流喷嘴与弧形靶壁相结合，布置在通道的一侧，使冷却液切向流入腔室，产生大范围旋涡，从而在流体与靶壁之间形成剧烈的热交换，达到更好的冷却效果。
目前相关研究人员已经设计出了大量的冷却结构，不同的冷却结构各有优劣。采用单一的冷却结构很难达到预期的冷却效果，为此，需要将不同的冷却结构组合起来，充分发挥各种冷却结构的优势，以进一步提高内部冷却通道的强化传热能力，适应新一代燃机的发展。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种透平动叶内部复合冷却结构，其设计充分考虑了动叶旋转效应，将U形冷却通道中的冷却工质通过交错排列的冲击孔射入旋流冷却通道，进一步强化传热性能，尾缘梯形冷却通道独立设置。可以在整个冷却通道中布置球窝/球凸、翅片等强化传热结构，在表面设置气膜孔。球窝/球凸和气膜孔组合结构强化了局部传热，降低了流动阻力。该复合冷却结构将多种结构耦合，具有高传热、高结构强度、高适应性、低阻力等优势。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种透平动叶内部复合冷却结构，包括旋流冷却通道、U形冷却通道和尾缘梯形冷却通道，其中，
U形冷却通道包括一体化成型的U形冷却通道进口段，U形冷却通道出口段，以及连通U形冷却通道进口段和U形冷却通道出口段的U形冷却通道顶部转弯区，U形冷却通道进口段、U形冷却通道出口段和旋流冷却通道之间通过若干射流孔连通；旋流冷却通道、U形冷却通道和尾缘梯形冷却通道表面布置有若干球窝/球凸、气膜孔结构，U形冷却通道和尾缘梯形冷却通道中布置有若干翅片结构；
工作时，冷却工质首先进入U形冷却通道进口段，与进口段通道表面进行换热，一部分通过若干射流孔流入旋流冷却通道，另一部分通过U形冷却通道顶部转弯区流入U形冷却通道出口段，冷却工质在与U形冷却通道出口段壁面完成换热后再通过若干射流孔流入旋流冷却通道，与旋流冷却腔换热后由出口排出；尾缘梯形冷却通道独立设置，冷却工质在与梯形通道壁面进行换热后侧向排出；冷却工质在流经球窝/球凸结构时产生流动分离与再附，增强球窝/球凸局部传热、降低了流动阻力，在气膜孔抽吸作用下获得了更高的流体湍动能，消除局部的传热恶化现象。
本发明进一步的改进在于，旋流冷却通道的靶面形状采用圆弧、椭圆弧、抛物线、双曲线或其它与透平叶片前缘结构相近的曲线形式。
本发明进一步的改进在于，射流孔布置在U形冷却通道进口段和U形冷却通道出口段的侧面，且沿径向交错布置。
本发明进一步的改进在于，射流孔形状为三角形、矩形、圆形、椭圆形和菱形的一种或多种组合。
本发明进一步的改进在于，尾缘梯形冷却通道与旋流冷却通道、U形冷却通道之间独立。
本发明进一步的改进在于，U形冷却通道进、出口截面为梯形。
本发明进一步的改进在于，旋流冷却通道、U形冷却通道和尾缘梯形冷却通道表面布置有若干球窝/球凸、气膜孔结构，气膜孔布置在球窝结构表面，或者布置在球窝/球凸结构附近的区域。
本发明进一步的改进在于，U形冷却通道和尾缘梯形冷却通道中布置有若干翅片结构。
本发明进一步的改进在于，翅片形状为圆形、椭圆形、方形、菱形和异五边形中的一种或多种的组合形式。
本发明进一步的改进在于，翅片以贯穿或截断方式布置在冷却通道中，为顺排或错排布置，或者为垂直或倾斜布置。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种透平动叶内部复合冷却结构，采用叶片前缘旋流冷却通道和叶片中弦区域U型冷却通道相结合、叶片尾缘区域梯形冷却通道独立设置的方式，考虑了旋流冷却通道和U型冷却通道的耦合效应，能够同时增强压力面和吸力面的传热，既保证了叶片的结构强度，又提升了内部冷却性能。
进一步，交错排列的射流孔使得冷却工质在旋流冷却腔中产生复杂的旋流，增强了流体湍动能，有利于破坏壁面界层，可以显著提高靶面的整体传热性能；
进一步，射流孔的形状及结构尺寸可根据透平运行时叶片前缘所受热负荷来选取，旋流冷却通道靶面形状根据不同叶片前缘型线选取，以高度适配叶片前缘结构，保证旋流结构的适应性和冷却性能最大程度地提升；
进一步，U形冷却通道进、出口段布置射流孔，可以使部分冷却工质及时地流入旋流冷却通道，缓解了工质在U型通道顶部转弯区的聚集挤压现象，因此减小了通道内的流动阻力损失；
进一步，球窝/球凸具有高传热、低阻力的冷却性能优势，在实现强化传热的同时仅产生较小的阻力损失，同时还增大了传热面积，布置在冷却通道表面可以实现局部流动传热控制，从而消除传热恶化区域，在提升传热水平的同时实现更均匀的温度分布；
进一步，气膜孔的抽吸作用可以使附近区域的流体湍动能增加，破坏了流动边界层，强化了壁面附近的传热，此外气膜孔出流对叶片外表面形成保护气膜，能够减弱高温燃气与叶片间的换热，实现高效的内外耦合冷却；
进一步，翅片绕流增强了流体扰动，进一步提高了通道的冷却性能。
由上述内容可知，本发明提供的一种透平动叶内部复合冷却结构，通过交错排列的射流孔实现了叶片前缘旋流通道和叶片中弦区域U型通道的冷却耦合，并采用球窝/球凸、气膜孔结构实现了高传热、低流阻的冷却性能优势，具有优良的综合冷却性能。
附图说明
图1为本发明一种透平动叶内部布置球窝的复合冷却结构整体三维图；
图2为本发明一种透平动叶内部布置球凸的复合冷却结构整体三维图；
图3为本发明一种透平动叶内部布置球窝的复合冷却结构剖视图；其中图3(a)为图3(b)的A-A向视图，图3(c)为图3(b)的B-B向视图；
图4为本发明一种透平动叶内部布置球凸的复合冷却结构剖视图；其中图4(a)为图4(b)的A-A向视图，图4(c)为图4(b)的B-B向视图；
图5为本发明一种透平动叶内部布置球窝的复合冷却结构底视图；
图6为本发明一种透平动叶内部布置球凸的复合冷却结构底视图；
附图标记说明：
1-旋流冷却通道，2-射流孔，3-U形冷却通道，4-U形通道顶部转弯区，5-U形冷却通道进口段，6-U形冷却通道出口段，7-尾缘梯形冷却通道，8-球窝，9-翅片，10-气膜孔，11-球凸。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步说明：
参照图1至图6，本发明提供的一种透平动叶内部复合冷却结构，包括旋流冷却通道1、U形冷却通道3和尾缘梯形冷却通道7，U形冷却通道3的U形冷却通道进口段5和U形冷却通道出口段6通过若干射流孔2和旋流冷却通道1连通。旋流冷却通道1、U形冷却通道3和尾缘梯形冷却通道7表面布置有若干球窝8/球凸11、气膜孔10结构，U形冷却通道3和尾缘梯形冷却通道7中布置有若干翅片9结构。
参照图3至图6，靶面形状可以采用圆弧、椭圆弧、抛物线、双曲线或其它与透平叶片前缘结构相近的曲线形式；射流孔2布置在U形冷却通道进口段5和U形冷却通道出口段6的侧面，且沿径向交错布置，射流孔2形状可以为三角形、矩形、圆形、椭圆形和菱形的一种或多种组合；U形冷却通道3进、出口截面为梯形；尾缘梯形冷却通道7与旋流冷却通道1、U形冷却通道3之间独立；翅片9形状为圆形、椭圆形、方形、菱形和异五边形中的一种或多种的组合形式，翅片9以贯穿或截断方式布置在尾缘梯形冷却通道中，可以为顺排或错排布置，可以为垂直或倾斜布置；气膜孔10布置在球窝8结构表面，或者布置在球窝8/球凸11结构附近的区域。
工作时，冷却工质首先进入U形冷却通道进口段5，与进口段通道表面进行换热，一部分通过若干射流孔2流入旋流冷却通道，另一部分通过U形冷却通道顶部转弯区4流入U形冷却通道出口段6，冷却工质在与U形冷却通道出口段6壁面完成换热后再通过若干射流孔2流入旋流冷却通道1，与旋流冷却腔换热后由出口排出；尾缘梯形冷却通道7独立设置，冷却工质在与梯形通道壁面进行换热后侧向排出。冷却工质在流经球窝8/球凸11结构时产生流动分离与再附，增强球窝8/球凸11局部传热、降低了流动阻力，在气膜孔10抽吸作用下获得了更高的流体湍动能，消除了局部的传热恶化现象。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的改进、修饰或其他实施例等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种透平动叶内部复合冷却结构，其特征在于，包括旋流冷却通道（1）、U形冷却通道（3）和尾缘梯形冷却通道（7），其中，
U形冷却通道（3）包括一体化成型的U形冷却通道进口段（5），U形冷却通道出口段（6），以及连通U形冷却通道进口段（5）和U形冷却通道出口段（6）的U形冷却通道顶部转弯区（4），U形冷却通道进口段（5）、U形冷却通道出口段（6）和旋流冷却通道（1）之间通过若干射流孔（2）连通；旋流冷却通道（1）、U形冷却通道（3）和尾缘梯形冷却通道（7）表面布置有若干球窝（8）/球凸（11）、气膜孔（10）结构，U形冷却通道（3）和尾缘梯形冷却通道（7）中布置有若干翅片（9）结构；射流孔（2）布置在U形冷却通道进口段（5）和U形冷却通道出口段（6）的侧面，且沿径向交错布置；气膜孔（10）布置在球窝（8）结构表面，或者布置在球窝（8）/球凸（11）结构附近的区域；
工作时，冷却工质首先进入U形冷却通道进口段（5），与进口段通道表面进行换热，一部分通过若干射流孔（2）流入旋流冷却通道，另一部分通过U形冷却通道顶部转弯区（4）流入U形冷却通道出口段（6），冷却工质在与U形冷却通道出口段（6）壁面完成换热后再通过若干射流孔（2）流入旋流冷却通道（1），与旋流冷却腔换热后由出口排出；尾缘梯形冷却通道（7）独立设置，冷却工质在与梯形通道壁面进行换热后侧向排出；冷却工质在流经球窝（8）/球凸（11）结构时产生流动分离与再附，增强球窝（8）/球凸（11）局部传热、降低了流动阻力，在气膜孔（10）抽吸作用下获得了更高的流体湍动能，消除局部的传热恶化现象。
2.根据权利要求1所述的一种透平动叶内部复合冷却结构，其特征在于，旋流冷却通道（1）的靶面形状采用圆弧、椭圆弧、抛物线、双曲线或其它与透平叶片前缘结构相近的曲线形式。
3.根据权利要求1所述的一种透平动叶内部复合冷却结构，其特征在于，射流孔（2）形状为三角形、矩形、圆形、椭圆形和菱形的一种或多种组合。
4.根据权利要求1所述的一种透平动叶内部复合冷却结构，其特征在于，尾缘梯形冷却通道与旋流冷却通道（1）、U形冷却通道（3）之间独立。
5.根据权利要求1所述的一种透平动叶内部复合冷却结构，其特征在于，U形冷却通道（3）进、出口截面为梯形。
6.根据权利要求1所述的一种透平动叶内部复合冷却结构，其特征在于，U形冷却通道（3）和尾缘梯形冷却通道（7）中布置有若干翅片（9）结构。
7.根据权利要求1所述的一种透平动叶内部复合冷却结构，其特征在于，翅片（9）形状为圆形、椭圆形、方形、菱形和异五边形中的一种或多种的组合形式。
8.根据权利要求1所述的一种透平动叶内部复合冷却结构，其特征在于，翅片（9）以贯穿或截断方式布置在冷却通道中，为顺排或错排布置或者为垂直或倾斜布置。
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