CN113719323B - 一种燃气轮机涡轮叶片复合冷却结构 - Google Patents

一种燃气轮机涡轮叶片复合冷却结构 Download PDF

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Abstract

一种燃气轮机涡轮叶片复合冷却结构，包括上壁面、下壁面、气膜孔I、气膜孔II、交叉椭圆通道及侧壁；所述交叉椭圆通道由交叉椭圆通道进口段、交叉椭圆通道缓冲段、交叉椭圆通道中间段以及交叉椭圆通道出口段依次连接而成；所述交叉椭圆通道中间段成对交替布置5～10组长轴相互垂直的椭圆截面I和椭圆截面II；工作时，冷却气体分别进入气膜孔I、气膜孔II以及交叉椭圆通道，气膜孔出口的气体在上壁面形成气膜覆盖冷却，进入交叉椭圆通道的气体流经交叉椭圆通道中间段时由于流向空间的变化而产生纵向涡，通过改善速度矢量场和温度梯度场的协同作用，增强冷却气体与上壁面1的扰流换热效果，与上壁面气膜未覆盖区域互补，提高综合冷却效果。

Description

一种燃气轮机涡轮叶片复合冷却结构
技术领域
本发明涉及燃气涡轮发动机领域，具体涉及一种燃气轮机涡轮叶片复合冷却结构。
背景技术
随着燃气轮机的涡轮前温度持续增高，涡轮运行的温度已经远超了叶片材料所能承受的极限，必须对其进行有效冷却。为了在保证承担一定温降的前提下控制冷却气体流量以保证整机的效率，对涡轮叶片采取安全、有效、合理的冷却措施是延长涡轮叶片使用寿命、提高涡轮工作稳定性的关键。气膜冷却是目前燃气涡轮发动机中广泛采用的一种外部冷却方式，传统气膜冷却技术面临侧向传热覆盖不足的缺陷，亟需在气膜孔间距内冷气无法覆盖之处采用其他冷却方式以提高综合冷却效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃气轮机涡轮叶片复合冷却结构，以解决现有燃气轮机涡轮叶片等高温部件的综合冷却效率低的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种燃气轮机涡轮叶片复合冷却结构，包括上壁面、下壁面、气膜孔I、气膜孔II、交叉椭圆通道及侧壁；所述气膜孔I、气膜孔II均为圆柱状斜孔，且所述气膜孔I的直径为d1，所述气膜孔II的直径为d2，所述气膜孔I的中心具有气膜孔I中轴线，所述气膜孔II的中心具有气膜孔II中轴线；所述交叉椭圆通道由交叉椭圆通道进口段、交叉椭圆通道缓冲段、交叉椭圆通道中间段以及交叉椭圆通道出口段依次连接而成；所述交叉椭圆通道进口段的中心具有交叉椭圆通道进口段中轴线；所述交叉椭圆通道缓冲段为圆柱孔结构，且与所述交叉椭圆通道中间段贯通；所述交叉椭圆通道中间段依次布置有椭圆截面I、椭圆截面II，所述椭圆截面I与所述椭圆截面II具有相同的长轴长度a和相同的短轴长度b，所述椭圆截面I与所述椭圆截面II成对交替布置5～10组，且所述椭圆截面I的长轴与所述椭圆截面II的长轴垂直；所述交叉椭圆通道出口段在所述侧壁具有出口圆截面，且所述交叉椭圆通道出口段由所述交叉椭圆通道中间段所布置的最邻近所述交叉椭圆通道出口段的椭圆截面I或椭圆截面II与所述出口圆截面光滑连接形成；所述气膜孔I、所述气膜孔II布置在所述交叉椭圆通道进口段两侧，所述交叉椭圆通道进口段中轴线与所述气膜孔I中轴线、所述气膜孔II中轴线平行。
进一步，所述气膜孔I与所述下壁面之间的倾角为α1，所述气膜孔II与所述下壁面的倾角为α2，所述交叉椭圆通道进口段与所述下壁面之间的倾角为α3，α1、α2以及α3的取值位于30°～45°区间。
进一步，所述交叉椭圆通道进口段中轴线到位于所述交叉椭圆通道进口段的侧面的气膜孔I中轴线距离为m1，所述交叉椭圆通道进口段中轴线到位于所述交叉椭圆通道进口段的侧面的气膜孔II中轴线距离为m2，m1与所述气膜孔I的直径d1的比值γ1位于1.5～2.0区间，m2与所述气膜孔II的直径d2的比值γ2位于1.5～2.0区间。
进一步，所述椭圆截面I与所述椭圆截面II之间的距离为l，l与所述椭圆截面I的短轴长度b的比值β位于1.0～2.0区间。
进一步，所述出口圆截面的圆心距离所述下壁面的高度为h，所述侧壁的高度为H，h与H的比值δ位于1/2～2/3区间。
本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种燃气轮机涡轮叶片复合冷却结构，该复合冷却结构可有效实现壁面内部的扰流冷却，进而降低壁面温度；所采取的椭圆截面互相垂直的交叉椭圆通道，可使得冷却气体在沿流向流动过程中形成纵向涡，进而增强冷却气体与上壁面的换热效果；所采用的交叉椭圆通道位于两个气膜孔之间，可有效节省侧向空间，将壁面内部的扰流冷却区域与壁面外部气膜非覆盖区域相对应，实现了内部扰流冷却与外部气膜冷却的共同作用，从而提高整体的综合冷却效率。
附图说明
图1为本发明的一种燃气轮机涡轮叶片复合冷却结构的三维示意图。
图2为本发明的气膜孔I的侧向剖视图。
图3为本发明的交叉椭圆通道的侧向剖视图。
图4为本发明的复合冷却结构俯视图以及交叉椭圆通道的局部剖视图。
图5为本发明的交叉椭圆通道的出口圆截面示意图。
图6为本发明的交叉椭圆通道的椭圆截面I示意图。
图7为本发明的交叉椭圆通道的椭圆截面II示意图。
图8为本发明的复合冷却结构在实际应用时的作用示意图。
图1至图8中所示附图标记分别表示为：1-上壁面，2-下壁面，3-气膜孔I，4-气膜孔II，5-交叉椭圆通道，6-侧壁，7-气膜孔I中轴线，8-气膜孔II中轴线，9-交叉椭圆通道进口段，10-交叉椭圆通道缓冲段，11-交叉椭圆通道中间段，12-交叉椭圆通道出口段，13-交叉椭圆通道进口段中轴线，14-椭圆截面I，15-椭圆截面II，16-出口圆截面。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的结构、原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1至图8所示，一种燃气轮机涡轮叶片复合冷却结构，包括上壁面1、下壁面2、气膜孔I3、气膜孔II4、交叉椭圆通道5及侧壁6；气膜孔I3、气膜孔II4均为圆柱状斜孔，且气膜孔I3的直径为d1，气膜孔II4的直径为d2，气膜孔I3的中心具有气膜孔I中轴线7，气膜孔II4的中心具有气膜孔II中轴线8；交叉椭圆通道5由交叉椭圆通道进口段9、交叉椭圆通道缓冲段10、交叉椭圆通道中间段11以及交叉椭圆通道出口段12依次连接而成；交叉椭圆通道进口段9的中心具有交叉椭圆通道进口段中轴线13；交叉椭圆通道缓冲段10为圆柱孔结构，且与交叉椭圆通道中间段11贯通；交叉椭圆通道中间段11依次布置有椭圆截面I14、椭圆截面II15，椭圆截面I14与椭圆截面II15具有相同的长轴长度a和相同的短轴长度b，椭圆截面I14与椭圆截面II15成对交替布置5～10组，且椭圆截面I14的长轴与椭圆截面II15的长轴垂直；交叉椭圆通道出口段12在侧壁6具有出口圆截面16，且交叉椭圆通道出口段12由交叉椭圆通道中间段11所布置的最邻近交叉椭圆通道出口段12的椭圆截面I14或椭圆截面II15与出口圆截面16光滑连接形成；气膜孔I3、气膜孔II4布置在交叉椭圆通道进口段9两侧，交叉椭圆通道进口段中轴线13与气膜孔I中轴线7、气膜孔II中轴线8平行。
气膜孔I3与下壁面2之间的倾角为α1，气膜孔II4与下壁面2的倾角为α2，交叉椭圆通道进口段9与下壁面2之间的倾角为α3，α1、α2以及α3的取值位于30°～45°区间。交叉椭圆通道进口段中轴线13到位于交叉椭圆通道进口段9的侧面的气膜孔I中轴线7距离为m1，交叉椭圆通道进口段中轴线13到位于交叉椭圆通道进口段9的侧面的气膜孔II中轴线8距离为m2，m1与所述气膜孔I3的直径d1的比值γ1位于1.5～2.0区间，m2与所述气膜孔II4的直径d2的比值γ2位于1.5～2.0区间。椭圆截面I14与椭圆截面II15之间的距离为l，l与椭圆截面I14的短轴长度b的比值β位于1.0～2.0区间。出口圆截面16的圆心距离下壁面2的高度为h，侧壁6的高度为H，h与H的比值δ位于1/2～2/3区间。
图8是本发明的复合冷却结构在实际应用时的作用示意图，工作时，冷却气体分成三股分别进入到气膜孔I3、气膜孔II4以及交叉椭圆通道进口段9之中。冷却气体经过气膜孔I3和气膜孔II4后射出，在需要冷却的上壁面1上方形成冷气气膜覆盖，所形成的冷气气膜与上壁面1上方的高温主流产生掺混作用，进而实现降低上壁面1表面温度的目的。由于气膜孔I3和气膜孔II4之间存在一定间距，冷气气膜覆盖过程中在气膜孔I3和气膜孔II4中间的区域会形成一定范围的侧向未完全覆盖区域，因此在这些区域中上壁面1将直接受到高温主流的烧蚀，这时就需要内部的交叉椭圆通道5发挥作用。冷却气体经过交叉椭圆通道进口段9之后进入到交叉椭圆通道缓冲段10，此时气流方向与上壁面1平行，紧接着冷却气体进入到交叉椭圆通道中间段11。由于通道外侧的上壁面1受高温主流影响温度较高，因此交叉椭圆通道中间段11通道内上下方向存在较大的温度梯度，冷却气体在流经交叉椭圆通道中间段11的过程中由于流向空间的变化而产生纵向涡，通过改善速度矢量场和温度梯度场的协同作用，增强冷却气体与上壁面1的扰流换热效果。本发明所采用的气膜冷却和扰流冷却的组合使用，运用交叉椭圆通道5与气膜孔I3和气膜孔II4组合布局的方式将上壁面1内部扰流冷却区域与上壁面1外部气膜覆盖率低的区域相对应，从而实现内部扰流冷却与外部气膜冷却的良好互补，提高整体结构的综合冷却效率，更好地实现对上壁面1的冷却保护。本发明的交叉椭圆通道进口段中轴线13到位于交叉椭圆通道进口段9的侧面的气膜孔I中轴线7距离m1与所述气膜孔I3的直径d1的比值γ1，交叉椭圆通道进口段中轴线13到位于交叉椭圆通道进口段9的侧面的气膜孔II中轴线8距离m2与所述气膜孔II4的直径d2的比值γ2，椭圆截面I14与椭圆截面II15之间的距离l与椭圆截面I14的短轴长度b的比值β，出口圆截面16的圆心距离下壁面2的高度h与侧壁6的高度H的比值δ等均是复合冷却结构的主要特征参数，也是影响其综合冷却性能的关键参数。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (5)

1.一种燃气轮机涡轮叶片复合冷却结构，其特征在于，包括上壁面(1)、下壁面(2)、气膜孔I(3)、气膜孔II(4)、交叉椭圆通道(5)及侧壁(6)；所述气膜孔I(3)和气膜孔II(4)均为圆柱状斜孔，且所述气膜孔I(3)的直径为d1，所述气膜孔II(4)的直径为d2，所述气膜孔I(3)的中心具有气膜孔I中轴线(7)，所述气膜孔II(4)的中心具有气膜孔II中轴线(8)；所述交叉椭圆通道(5)由交叉椭圆通道进口段(9)、交叉椭圆通道缓冲段(10)、交叉椭圆通道中间段(11)以及交叉椭圆通道出口段(12)依次连接而成；所述交叉椭圆通道进口段(9)的中心具有交叉椭圆通道进口段中轴线(13)；所述交叉椭圆通道缓冲段(10)为圆柱孔结构，且与所述交叉椭圆通道中间段(11)贯通；所述交叉椭圆通道中间段(11)依次布置有椭圆截面I(14)、椭圆截面II(15)，所述椭圆截面I(14)与所述椭圆截面II(15)具有相同的长轴长度a和相同的短轴长度b，所述椭圆截面I(14)与所述椭圆截面II(15)成对交替布置5～10组，且所述椭圆截面I(14)的长轴与所述椭圆截面II(15)的长轴垂直；所述交叉椭圆通道出口段(12)在所述侧壁(6)具有出口圆截面(16)，且所述交叉椭圆通道出口段(12)由所述交叉椭圆通道中间段(11)所布置的最邻近所述交叉椭圆通道出口段(12)的椭圆截面I(14)或椭圆截面II(15)与所述出口圆截面(16)光滑连接形成；所述气膜孔I(3)、所述气膜孔II(4)布置在所述交叉椭圆通道进口段(9)两侧，所述交叉椭圆通道进口段中轴线(13)与所述气膜孔I中轴线(7)、所述气膜孔II中轴线(8)平行。
2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机涡轮叶片复合冷却结构，其特征在于，所述气膜孔I(3)与所述下壁面(2)之间的倾角为α1，所述气膜孔II(4)与所述下壁面(2)的倾角为α2，所述交叉椭圆通道进口段(9)与所述下壁面(2)之间的倾角为α3，α1、α2以及α3的取值位于30°～45°区间。
3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机涡轮叶片复合冷却结构，其特征在于，所述交叉椭圆通道进口段中轴线(13)到位于所述交叉椭圆通道进口段(9)的侧面的气膜孔I中轴线(7)距离为m1，所述交叉椭圆通道进口段中轴线(13)到位于所述交叉椭圆通道进口段(9)的侧面的气膜孔II中轴线(8)距离为m2，m1与所述气膜孔I(3)的直径d1的比值γ1位于1.5～2.0区间，m2与所述气膜孔II(4)的直径d2的比值γ2位于1.5～2.0区间。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种燃气轮机涡轮叶片复合冷却结构，其特征在于，所述椭圆截面I(14)与所述椭圆截面II(15)之间的距离为l，l与所述椭圆截面I(14)的短轴长度b的比值β位于1.0～2.0区间。
5.根据权利要求1所述的一种燃气轮机涡轮叶片复合冷却结构，其特征在于，所述出口圆截面(16)的圆心距离所述下壁面(2)的高度为h，所述侧壁(6)的高度为H，h与H的比值δ位于1/2～2/3区间。
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Application publication date: 20211130

Assignee: QUADRANT SPACE (TIANJIN) TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: BEIHANG University

Contract record no.: X2024980001571

Denomination of invention: A composite cooling structure for gas turbine turbine blades

Granted publication date: 20220517

License type: Common License

Record date: 20240126