CN114109516A - 一种涡轮叶片端壁冷却结构 - Google Patents
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Abstract
本申请属于高压涡轮导向叶片领域，特别涉及一种涡轮叶片端壁冷却结构。包括：由上至下依次设置的冲击孔层、扰流柱层以及气膜孔层。冲击孔层开设有冲击孔，冲击孔沿横向开设有多排，每两排为一组，相邻两组之间具有预定距离；扰流柱层设置有隔肋以及扰流柱，隔肋沿横向设置多个，且每个隔肋分别对应于相邻两组冲击孔之间的位置，扰流柱沿横向设置多排，每两排为一组，相邻两组之间通过隔肋分隔开，隔肋与扰流柱之间具有与冲击孔对应的冲击腔，相邻两个扰流柱之间具有扰流空间；气膜孔层开设有气膜孔，气膜孔沿横向开设有多排，且气膜孔与扰流空间相对应。本申请能够提升冷气利用率，提高传热效率，变无序流动为定向流动，提高换热效率。
Description
技术领域
本申请属于高压涡轮导向叶片领域，特别涉及一种涡轮叶片端壁冷却结构。
背景技术
燃气轮机高压级透平通常采用高负荷设计，叶栅的展弦比相对较低，其端壁面积占整个叶栅通道面积的大部分，因此随着透平进口燃气温度的提高，高压级透平端壁部位的换热与冷却问题日益凸显。由于叶栅端壁效应的存在，端壁区域是叶片通道内气动结构最为复杂的区域，大范围的复杂二次流动，不但影响透平叶栅的气动性能，而且还直接影响端壁上的热负荷分布，从而进一步对端壁的冷却方案设计与实施带来很大困难。端壁冷却设计一直以来是燃气涡轮冷却设计中的难点技术，结构设计较为复杂，有效冷却手段较少。
当前绝大部分高压涡轮导向叶片采用的是复合冷却结构，其主要冷却方式是冲击对流+气膜冷却。冲击冷却是主要的内冷方式，通过在端壁上焊接多孔的冲击导管，形成冲击冷却结构，冷气通过冲击孔形成对端壁的冲击冷却；气膜冷却是主要的外冷方式，完成冲击冷却后的冷气通过端壁上的气膜孔流出，形成对端壁外壁面的气膜冷却，大多数端壁采用的是圆形气膜孔。然而当前端壁复合冷却结构存在以下不足：
a)受冷气用量和加工能力限制，综合冷却能力已基本达到极限；
b)冷气利用率较低，冷气用量偏高，冷气冲击壁面后直接从气膜孔排除，冷气在叶片内部停留时间短，温增有限；
c)单层壁结构，壁厚偏厚，导热热阻大，不利于叶片冷却；
d)冲击腔为大空腔结构，冷气完成冲击后的流动杂乱无章，不利于换热效率的提高。
因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
发明内容
本申请的目的是提供了一种涡轮叶片端壁冷却结构，以解决现有技术存在的至少一个问题。
本申请的技术方案是：
一种涡轮叶片端壁冷却结构，包括：由上至下依次设置的冲击孔层、扰流柱层以及气膜孔层，其中，
所述冲击孔层开设有冲击孔，所述冲击孔沿横向开设有多排，每两排为一组，相邻两组之间具有预定距离；
所述扰流柱层设置有隔肋以及扰流柱，所述隔肋沿横向设置多个，且每个所述隔肋分别对应于相邻两组冲击孔之间的位置，所述扰流柱沿横向设置多排，每两排为一组，相邻两组之间通过所述隔肋分隔开，所述隔肋与所述扰流柱之间具有与所述冲击孔对应的冲击腔，相邻两个所述扰流柱之间具有扰流空间；
所述气膜孔层开设有气膜孔，所述气膜孔沿横向开设有多排，且所述气膜孔与所述扰流空间相对应。
在本申请的至少一个实施例中，所述冲击孔层、所述扰流柱层以及所述气膜孔层通过整体铸造成型。
在本申请的至少一个实施例中，所述扰流柱为方形。
在本申请的至少一个实施例中，所述气膜孔为斜孔。
在本申请的至少一个实施例中，所述气膜孔的倾斜角度为45度。
发明至少存在以下有益技术效果：
本申请的涡轮叶片端壁冷却结构，能够大幅提升叶片综合冷却能力；提升冷气利用率，降低冷气用量；降低基体导热热阻，提高传热效率；变无序流动为定向流动，提高换热效率。
附图说明
图1是本申请一个实施方式的冲击孔层示意图；
图2是本申请一个实施方式的扰流柱层示意图；
图3是本申请一个实施方式的气膜孔层示意图；
图4是本申请一个实施方式的涡轮叶片端壁冷却结构截面示意图。
其中：
1-冲击孔层；11-冲击孔；2-扰流柱层；21-隔肋；22-扰流柱；23-冲击腔；24-扰流空间；3-气膜孔层；31-气膜孔。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请保护范围的限制。
下面结合附图1至图4对本申请做进一步详细说明。
本申请提供了一种涡轮叶片端壁冷却结构，包括：由上至下依次设置的冲击孔层1、扰流柱层2以及气膜孔层3。
具体的，如图1-3所示，冲击孔层1开设有冲击孔11，冲击孔11沿横向开设有多排，每两排为一组，相邻两组之间具有预定距离；扰流柱层2设置有隔肋21以及扰流柱22，隔肋21沿横向设置多个，且每个隔肋21分别对应于相邻两组冲击孔11之间的位置，扰流柱22沿横向设置多排，每两排为一组，相邻两组之间通过隔肋21分隔开，隔肋21与扰流柱22之间具有与冲击孔11对应的冲击腔23，相邻两个扰流柱22之间具有扰流空间24；气膜孔层3开设有气膜孔31，气膜孔31沿横向开设有多排，且气膜孔31与扰流空间24相对应。
本申请的涡轮叶片端壁冷却结构，整个缘板根据实际需要划分为若干个冷却单元，其中，每个冷却单元之间通过横向设置的隔肋21分隔开，每个冷却单元包括一组冲击孔11，一组扰流柱22以及一排气膜孔31。同时，横向设置的隔肋21也可以起到加强筋的作用，强化端壁的结构强度。
另外，在本申请的优选实施方案中，每个冷却单元并未完全分隔开，在端壁四周以及叶型四周通过条形通道相连接，这样做的好处在于可以保证每个冷却单元的相对位置关系，铸造时单元之间的相对位置关系不会产生大的偏差。
本申请的涡轮叶片端壁冷却结构，如图4所示，冷气由冲击孔层1的冲击孔11进入冲击腔23，形成冲击冷却，而后两侧的冷气通过横向流动向扰流空间24汇集，在通道内形成对流冷却，最终通过与扰流空间24相对应的气膜孔31排出，形成对外壁面的气膜冷却。
在本申请的优选实施方案中，冲击孔层1、扰流柱层2以及气膜孔层3通过整体铸造成型，不需要在端壁上焊接冲击导管来构造冲击冷却结构，简化了加工制造工艺。整个冷却腔位于基体内部，使冷气与燃气之间的基体厚度大幅减低，减小了导热热阻，提升了传热效率。冷却腔内部不再是大的空腔结构，而是布置了大量的方形的扰流柱22，通过方形扰流柱22来构建十字形冷却通道，两排方形扰流柱22中间设计有一排气膜孔31，这样由两侧冲击腔23进入的冷气在气膜孔31的抽吸下即可实现在十字形通道内的定向流动，相比无序流动更有利于换热效率的提升。同时，大量的扰流柱22一定程度上增大了内腔的换热面积，更有利于端壁冷却。
在本申请的优选实施方式中，气膜孔31为斜孔。本实施例中，气膜孔31的倾斜角度为45度。
本申请的涡轮叶片端壁冷却结构，可以通过适当增加气膜孔31与冲击孔11的距离，可以延长冷却气在通道内的停留时间，提升冷气利用效率，减少冷气用量；同时，合理设计冲击孔11、气膜孔31、扰流空间24的流通面积，使单位冷气量条件下冷气的换热强度有了显著提升，提高了换热效率。
本申请的涡轮叶片端壁冷却结构，采用了冲击+横流+气膜式冷却结构设计，能够大幅提升叶片综合冷却能力；提升冷气利用率，降低冷气用量；降低基体导热热阻，提高传热效率；变无序流动为定向流动，提高换热效率。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种涡轮叶片端壁冷却结构，其特征在于，包括：由上至下依次设置的冲击孔层(1)、扰流柱层(2)以及气膜孔层(3)，其中，
所述冲击孔层(1)开设有冲击孔(11)，所述冲击孔(11)沿横向开设有多排，每两排为一组，相邻两组之间具有预定距离；
所述扰流柱层(2)设置有隔肋(21)以及扰流柱(22)，所述隔肋(21)沿横向设置多个，且每个所述隔肋(21)分别对应于相邻两组冲击孔(11)之间的位置，所述扰流柱(22)沿横向设置多排，每两排为一组，相邻两组之间通过所述隔肋(21)分隔开，所述隔肋(21)与所述扰流柱(22)之间具有与所述冲击孔(11)对应的冲击腔(23)，相邻两个所述扰流柱(22)之间具有扰流空间(24)；
所述气膜孔层(3)开设有气膜孔(31)，所述气膜孔(31)沿横向开设有多排，且所述气膜孔(31)与所述扰流空间(24)相对应。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶片端壁冷却结构，其特征在于，所述冲击孔层(1)、所述扰流柱层(2)以及所述气膜孔层(3)通过整体铸造成型。
3.根据权利要求1所述的涡轮叶片端壁冷却结构，其特征在于，所述扰流柱(22)为方形。
4.根据权利要求1所述的涡轮叶片端壁冷却结构，其特征在于，所述气膜孔(31)为斜孔。
5.根据权利要求4所述的涡轮叶片端壁冷却结构，其特征在于，所述气膜孔(31)的倾斜角度为45度。
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