CN113374535A - 一种格子阵列式双层冷却燃气涡轮叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种格子阵列式双层冷却燃气涡轮叶片，具有外壳体、内壳体以及冷却通道，内壳体内部形成冷却通道的内腔，内壳体外壁与外壳体内壁之间形成冷却通道的外腔，所述的内腔内设置有由两排相互交叉的贯通肋顶面相互贴合构成的格子阵列状的冷却单元，所述贯通肋之间形成冷却单元的格子空腔，冷却工质通过内腔的冷却单元对流换热后所生成的连续性强旋纵向涡，经由贯通内壳体间壁的射流孔进入外腔而冲击外壳体内壁以此带走由外壳体外壁传入的热量。本发明通过将涡轮叶片的内腔设置为格子阵列状的冷却单元，使得冷却介质在内腔内形成连续的强旋纵向涡，从而提高了外壳体内壁传热的展向均匀性，冷却介质利用率成倍扩大，冷却能力可产生显著质变。

Description

一种格子阵列式双层冷却燃气涡轮叶片

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其是一种格子阵列式双层冷却燃气涡轮叶片。

背景技术

燃气轮机的主要性能指标是输出功率和循环热效率，要使这两种指标同时提高，需要提高涡轮前温度，这就对涡轮叶片提出了高温保护的要求。一般而言，涡轮叶片的高温保护主要从材料和冷却设计两方面实施，而叶片基体材料抗高温性能的提升远滞后于涡轮前温度的增速，因此单从材料方面考虑难以满足要求，只有通过高效的冷却技术对叶片进行大幅降温，才能为燃气轮机的功率和热效率提升提供可靠的保障。

当前在涡轮叶片的冷却技术中，广泛采用的带肋蛇形通道和错排柱肋阵列存在有以下不足：只有近壁面冷却介质参与对流传热，主流核心区掺混不充分，介质利用率低。

现有的涡轮叶片双层冷却结构中，内腔结构设计的合理性欠缺，工质进入射流孔的阻力较大。由于外腔中的横流与射流此消彼长，而横流不利于传热，因而通常在外腔中另外设置附加扰流件，用以阻挡横流，稳固射流。但是，附加扰流件会大幅增加外腔的流动阻力。也有采用在外腔的冲击靶面设置凹陷涡发生器，通过破坏附面层维持传热能力，但设置凹陷涡发生器不可避免地减薄了叶片外壁面的厚度，又会造成叶片强度降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中之不足，本发明提供一种结构强度高、冷却性能更好的格子阵列式双层冷却燃气涡轮叶片。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种格子阵列式双层冷却燃气涡轮叶片，具有外壳体、内壳体以及冷却通道，内壳体内部形成冷却通道的内腔，内壳体外壁与外壳体内壁之间形成冷却通道的外腔，所述的内腔内设置有由两排相互交叉的贯通肋顶面相互贴合构成的格子阵列状的冷却单元，所述贯通肋之间形成冷却单元的格子空腔，冷却工质通过内腔的冷却单元对流换热后所生成的连续性强旋纵向涡，经由贯通内壳体间壁的射流孔进入外腔而冲击外壳体内壁以此带走由外壳体外壁传入的热量。

所述的射流孔沿冷却单元的格子空腔走向开设在内壳体壁上，射流孔入口中心偏离格子空腔的壁面中心而靠近一侧的贯通肋，如此设置，可使冷却工质在内腔内的强旋纵向涡驱动下，刚好沿壁面法向进入射流孔，这样既能减小冷却工质进入射流孔的流动阻力，又能大幅增加外腔射流冲击的初始动量，有效改善外腔的传热效果。

所述的射流孔长度与贯通肋的高度之间的比值为0.5～1.0，以避免射流孔对流向外腔的强旋纵向涡造成较大的流动阻力。

为保证冷却工质形成的纵向涡对外壳体内壁产生足够的冲击强度，所述的内腔外壁与外腔内壁之间形成的冲击靶距与贯通肋高度之间的比值为0.2～1.0。

所述的外壳体内壁面呈连续光滑状，由于射流动量增大，不利于传热的外腔横流自然得到抑制，因此外腔内无需设置附加扰流件阻挡横流，可避免流动阻力的扩大，实现外腔低阻力、高传热的冷却性能。

本发明的有益效果是：本发明通过将涡轮叶片的内腔设置为格子阵列状的冷却单元，并合理设置连通外腔、内腔的射流孔位置，使得冷却介质在内腔内形成连续的强旋纵向涡，从而提高了外壳体内壁传热的展向均匀性，不仅壁面对流传热系数增大，全域掺混度的大幅提升也使冷却介质利用率成倍扩大，相比传统结构，格子阵列的冷却能力可产生显著质变。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的截面结构示意图。

图2是本发明所述冷却单元沿叶片高度方向的横截面结构示意图。

图3是本发明所述冷却单元的三维结构示意图。

图4是本发明与传统双层冷却结构的总体传热性能数据对比图。

图中：1.外壳体，2.内壳体，3.内腔，4.外腔，5.射流孔，6.贯通肋7.格子空腔。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1～图3所示的一种格子阵列式双层冷却燃气涡轮叶片，具有外壳体1、内壳体2以及冷却通道，所述内壳体2内部形成冷却通道的内腔3，内壳体2外壁与外壳体1内壁之间形成冷却通道的外腔4，所述内腔3与外腔4之间通过射流孔5连通。

所述的内腔3内设置有由两排相互交叉的贯通肋6，所述贯通肋6顶面相互贴合将内腔3划分为一系列阵列格子状分布的微小的冷却单元，所述贯通肋6之间形成冷却单元的格子空腔7。

所述的射流孔5沿冷却单元的格子空腔7走向开设在内壳体2壁上，射流孔5入口中心偏离格子空腔7的壁面中心而靠近一侧的贯通肋6，冷却工质在内腔3内的强旋纵向涡驱动下，刚好沿壁面法向进入射流孔5，既减小了冷却工质进入射流孔5的流动阻力，又可提高外腔4射流冲击的初始动量。格子空腔7内的纵向涡在强化内腔3对流传热的同时，也强化了外腔4的冲击传热，形成内、外协同的强化传热效应。

所述的射流孔5长度与贯通肋6的高度之间的比值为0.7，以避免射流孔5对流向外腔4的强旋纵向涡造成较大的流动阻力。

所述的内腔3外壁与外腔4内壁之间形成的冲击靶距与贯通肋6高度之间的比值为0.4，以保证冷却工质形成的纵向涡对外壳体1内壁产生足够的冲击强度。

通过调整贯通肋6与格子空腔7之间的宽度比例，可以改变冷却单元中强旋纵向涡的尺度和形态，以此改变内腔3壁面的对流传热系数大小和分布，但纵向涡尺度能够始终保持与格子单元尺度相当，保证了内腔3的整体换热能力。

由于内腔3内的强旋纵向涡为射流提供了足够的动量，使得不利于传热的外腔4横流自然得到抑制，因此外腔4内可不设置任何扰流件，也无需对形成冲击靶面的外壳体1内壁作粗糙化处理，在保证外腔4具有足够传热能力的同时，不增加额外的流动阻力，也确保了涡轮叶片的结构强度。

从高压压气机引入的冷却空气从叶片根部进入冷却通道的内腔3时，在冷却单元的诱导作用下，在格子空腔7内生成大尺度的强旋纵向涡，该纵向涡的涡尺度与格子空腔7本身宽度相当；然后，冷却空气通过射流孔5进入外腔4，在外壳体1内壁面(靶面)形成射流冲击，从而将外部高温燃气通过外壳体1外壁传入叶片内部的热量快速带走而散发。

本发明通过将涡轮叶片的内腔3设置为格子阵列状的冷却单元，并合理设置连通外腔4、内腔3的射流孔5位置，使得冷却介质在内腔3内形成连续的强旋纵向涡，从而提升了内腔3内冷却介质的掺混度，使主流核心区的冷却介质充分参与同壁面之间的热交换中，大幅提高了冷却介质利用率。

在冷却介质流动过程中，充分借助内腔3生成的纵向涡，提高外腔4射流的初始动量，进而强化外腔4靶面的冲击传热。正是由于射流核心的加强，外腔4横流得到抑制，因此无需在外腔4设置附加扰流件阻挡横流，避免产生额外的流动阻力。

如图4所示，本发明相比传统的在外腔4设置一般扰流件的涡轮叶片双层冷却结构，格子阵列型双层冷却结构的总体传热性能提高了150％，即使相比在外腔4设置微小扰流件的双层冷却结构，格子阵列型冷却结构的总体冷却性能也提高了40％。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种格子阵列式双层冷却燃气涡轮叶片，具有外壳体、内壳体以及冷却通道，内壳体内部形成冷却通道的内腔，内壳体外壁与外壳体内壁之间形成冷却通道的外腔，其特征是：所述的内腔内设置有由两排相互交叉的贯通肋顶面相互贴合构成的格子阵列状的冷却单元，所述贯通肋之间形成冷却单元的格子空腔，冷却工质通过内腔的冷却单元对流换热后所生成的连续性强旋纵向涡，经由贯通内壳体间壁的射流孔进入外腔而冲击外壳体内壁以此带走由外壳体外壁传入的热量。

2.如权利要求1所述的格子阵列式双层冷却燃气涡轮叶片，其特征是：所述的射流孔沿冷却单元的格子空腔走向开设在内壳体壁上，射流孔入口中心偏离格子空腔的壁面中心而靠近一侧的贯通肋。

3.如权利要求2所述的格子阵列式双层冷却燃气涡轮叶片，其特征是：所述的射流孔长度与贯通肋的高度之间的比值为0.5～1.0。

4.如权利要求1所述的格子阵列式双层冷却燃气涡轮叶片，其特征是：所述的内腔外壁与外腔内壁之间形成的冲击靶距与贯通肋高度之间的比值为0.2～1.0。

5.如权利要求1所述的格子阵列式双层冷却燃气涡轮叶片，其特征是：所述的外壳体内壁面呈连续光滑状。

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