CN114198155B - 一种冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷却结构，设置于由透平叶片的叶片本体围合形成的冷却腔内，包括：冷却通道，冷却通道由叶片本体、间隔肋以及封装片围合形成，冷却通道用于冷却气流在冷却通道内流动换热，以实现对叶片本体的冷却；其中间隔肋，包括第一肋端、第二肋端和肋侧表面，间隔肋通过第一肋端固接于叶片本体的内侧壁面，肋侧表面设有凸起状的扰流柱，其中扰流柱用于对冷却通道内的冷却气流进行扰动，以便强化对叶片本体的冷却；其中封装片，固接于第二肋端，封装片上设有冲击孔，冲击孔的孔径D为固定值，其中，冲击孔用于冷却腔内的冷却气流通过冲击孔进入冷却通道内。

Description

一种冷却结构

技术领域

本发明属于燃气轮机叶片冷却技术领域，尤其是涉及一种冷却结构。

背景技术

提高透平进口温度可以提高燃气轮轮机的整机热效率，但透平进口温度的提高，给透平叶片的冷却带来了挑战。现有的透平叶片内部冷却结构的强化换热效果和冷却效果不佳，需一种强化换热效果和冷却效果更好的冷却结构。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，为了解决现有透平叶片内部强化换热效果和冷却效果不理想的问题，本发明提供了一种冷却结构，以至少部分解决上述技术问题。

(二)技术方案

本发明提供了一种冷却结构，设置于由透平叶片的叶片本体围合形成的冷却腔内，包括冷却通道。

其中，冷却通道，冷却通道由叶片本体、间隔肋以及封装片围合形成，冷却通道用于冷却气流在冷却通道内流动换热，以实现对叶片本体的冷却；

其中间隔肋，包括第一肋端、第二肋端和肋侧表面，间隔肋通过第一肋端固接于叶片本体的内侧壁面，肋侧表面设有凸起状的扰流柱，其中扰流柱用于对冷却通道内的冷却气流进行扰动，以便强化对叶片本体的冷却；

其中封装片，固接于第二肋端，封装片上设有冲击孔，冲击孔的孔径D为固定值，其中，冲击孔用于冷却腔内的冷却气流通过冲击孔进入冷却通道内。

根据本发明的实施例，其中：相邻两个扰流柱之间的柱间距P2为固定值，且柱间距P2与冲击孔的孔径D之间的数值关系为：P2＝4D-10D。

根据本发明的实施例，其中：扰流柱的柱体厚度h，与冲击孔的孔径D之间的数值关系为：h＝0.5D-1.5D；扰流柱，在沿冷却气流流动方向上的柱体宽度w，与冲击孔的孔径D之间的数值关系为：w＝0.5D-1.5D。

根据本发明的实施例，其中：冷却结构设置于透平叶片的吸力面处。

根据本发明的实施例，其中：冲击孔设有多个，多个冲击孔等距直线分布在封装片上，冷却腔内的冷却气流通过多个冲击孔分散进入冷却通道内。

根据本发明的实施例，其中：相邻两个冲击孔之间的冲击孔间距P1为固定值，冲击孔间距P1与冲击孔的孔径D之间的数值关系为：P1＝4D-10D。

根据本发明的实施例，其中：相邻两个扰流柱之间的柱间距P2，与相邻两个冲击孔之间的冲击孔间距P1之间的数值关系为：P2＝n×P1，其中，n为大于0的整数。

根据本发明的实施例，其中：间隔肋的肋厚度λ与冲击孔的孔径D之间的数值关系为：λ＝1.0D-2.0D。

根据本发明的实施例，其中：冷却通道的长度L与冲击孔的孔径D之间的数值关系为：L＝10D-60D；冷却通道的宽度W与冲击孔的孔径D之间的数值关系为：W＝3D-8D；冷却通道的高度H与冲击孔的孔径D之间的数值关系为：H＝1.0D-2.5D。

根据本发明的实施例，其中：冷却通道设有多个，其中相邻两个冷却通道之间通过间隔肋分隔开。

(三)有益效果

根据本发明的实施例，通过在透平叶片内部设置间隔肋、封装片，以形成冷却通道，通过冷却通道内的冷却气体的流动实现对叶片本体的冷却；通过在肋侧表面设置有凸起状的扰流柱，增强了冷却气流在冷却通道内的扰动，增加了侧壁换热面积，强化了侧壁的换热。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的冷却结构的立体结构示意图；

图2是根据图1所示实施例的冷却结构中间隔肋的局部放大示意图；

图3是根据图1所示实施例的冷却结构的前视图；

图4是根据图3所示实施例的冷却结构在A-A截面处的俯视图；

图5是在间隔肋采用直肋的情况下的冷却结构示意图；

图6是对本发明实施例的冷却结构进行效果验证的数值计算模型示意图；

图7是对本发明实施例的冷却结构进行效果验证时，在典型冲击雷诺数下的平均综合冷效对比结果曲线图；

图8是对本发明实施例的冷却结构进行效果验证时，在不同冲击雷诺数下的平均综合冷效对比结果曲线图；

图9是对本发明实施例的冷却结构进行效果验证时，在不同冲击雷诺数下的总压损对比结果曲线图。

附图标记说明：

1-叶片本体；11-叶片表面；2-封装片；21-冲击孔；3-间隔肋；30-肋侧表面；31-第一肋端；32-第二肋端；4-冷却通道5-扰流柱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

在燃气轮机技术领域，提高透平进口温度可以提高燃气轮轮机的整机热效率，但透平进口温度的提高，给透平叶片的冷却带来了挑战，即通过提高透平进口温度得到的热效率提高，需要以提高燃气透平叶片的综合冷效为基础。目前，地面重型燃机的透平进口温度已远超透平叶片合金材料的耐温极限，其中J级重型燃机的透平进口温度已达1600℃，而叶片材料可靠运行温度仅900℃左右，考虑热障涂层降温(约100-150℃)，仍需冷却降温600-650℃左右。

重型燃机透平叶片的冷却可依靠外部离散气膜孔形成气膜冷却，以及通过内部冷却结构实现换热冷却，在二种冷却方式的共同作用下，叶片外表面温度得以降低，外表面降温效果可以用综合冷效衡量。

在实现本发明的过程中发现，尽管外部离散孔气膜冷却对于降低叶片外表面温度的作用越来越大，但内部强化对流冷却仍起到较为重要的基础冷却作用。对于透平叶片内部冷却，可采用冲击冷却、流向肋冷却等。对于现有的冲击流向肋冷却，仍具有较大的改进空间以提高强化换热效果和降低压力损失。

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种冷却结构，以通过该冷却结构达到提升强化换热效果和冷却效果的目的。

图1是根据本发明一实施例的冷却结构的立体结构示意图。图2是根据图1所示实施例的冷却结构中间隔肋的局部放大示意图。以下结合图1、图2对本发明实施例的冷却结构进行说明。

如图1、2所示，该冷却结构，设置于由透平叶片的叶片本体1围合形成的冷却腔内，用于通过组织所述冷却腔内的冷却气流的流动，实现对所述叶片本体1的冷却。

根据本发明的实施例，该冷却结构包括冷却通道4。冷却通道4由叶片本体1、间隔肋3以及封装片2围合形成，冷却通道4用于冷却气流在冷却通道4内流动换热，以实现对叶片本体1的冷却。

间隔肋3，包括第一肋端31、第二肋端32和肋侧表面30，间隔肋3通过第一肋端31固接于叶片本体1的内侧壁面，肋侧表面30设有凸起状的扰流柱5，其中扰流柱5用于对冷却通道内的冷却气流进行扰动，以便强化对叶片本体的冷却。根据本发明的实施例，间隔肋3可以设有一个或多个，扰流柱5可以设有一个或多个，可根据实际冷却条件和冷却腔内的空间合理布置。

封装片2，固接于第二肋端32，在透平叶片加工过程中，在间隔肋3形成后，可将封装片2插接在透平叶片的冷却腔内并与叶片本体1内壁和封装片2的第二肋端32固接在一起，以便通过封装片2、间隔肋3和叶片本体1围合形成冷却通道4。

封装片2上设有冲击孔21，冲击孔21的孔径D为固定值，其中，冲击孔21用于冷却腔内的冷却气流通过冲击孔21分散进入冷却通道4内，以便冷却气流在冷却通道4内流动换热，实现对叶片本体1的冷却。

根据本发明的实施例，通过在肋侧表面30设有凸起状的扰流柱5，使得肋侧表面30为带有柱状弧面肋的结构，相比于直肋结构，冷却通道4内的气流在流动过程中遇到柱状弧面通道壁面的阻挡，可形成多个扰流区，增强了冷气在冷却通道内的扰动，增加了侧壁面的换热面积，显著强化了冷却通道侧壁的换热；另一方面，带有柱状弧面肋的结构增大了叶片本体1内壁与冷却通道4内冷却气的接触面积，进一步强化了冷却气带走壁面热量的能力，可增强对被冷却表面的冷却效果。同时，扰流结构采用凸起状的扰流柱，也方便加工制造。

根据本发明的实施例，每两个相邻的间隔肋3，与封装片2和叶片本体1围合形成一个冷却通道4，通过设置多个间隔肋3，可形成多个冷却通道4，通过多个冷却通道4内的气流同时对叶片本体1进行冷却，进一步增强了冷却换热的均匀性。

根据本发明的实施例，其中，每个冷却通道4设有冷气出口，冷却通道4内的冷却气流对叶片本体1进行冷却后向下游流动，最终通过冷气出口排出。其中，冷气出口设置在冷却通道4的下游末端。

根据本发明的实施例，冷却结构设置于透平叶片的吸力面处。冷却结构的最佳布置位置，需要根据透平叶片不同区域的结构特征和热负荷差异确定。通过大量实验表明，冲击冷却结构通常设置于叶片前部区域与气膜冷却配合，可达到较好的效果。而本发明实施例所述的而冷却通道4冷却结构在布置于叶片吸力面中后部的情况下，便于布置且冷却效果较好，在该区域布置冷却通道4冷却结构，还可与冲击冷却配合，进一步加强冷却效果。

根据本发明的实施例，为了强化综合冷却效果，可在此基础上进一步通过增大冲击雷诺数、优化冲击孔个数和排列、优化冲击距离和肋间距等方式实现。增大冲击雷诺数例如可以通过增加冷却气的流量、提高冷却气的流速实现。优化冲击孔个数和排列、优化冲击距离和肋间距等实现过程中，可根据冷却气的流动状态，保证在较小流动阻力的情况下达到较好的换热冷却效率。

图3是根据图1所示实施例的冷却结构的前视图；图4是根据图3所示实施例的冷却结构在A-A截面处的俯视图。以下，结合图3、图4，对本发明实施例的冷却结构进一步说明。

如图3、4所示，本发明实施例的冷却结构中，间隔肋3的肋侧表面30为带有柱形弧面的结构，L、W、H分别表示冷却通道4的长宽高；λ表示间隔肋3厚度；冲击孔间距P1表示相邻两个冲击孔21之间的距离；柱间距P2表示相邻两个扰流柱5之间的距离；h表示扰流柱5的柱体厚度；w表示扰流柱5沿冷却气流流动方向上的柱体宽度。

如图3，高温燃气主流沿叶片本体1的叶片表面11流动，冷却腔内的冷却气流通过冲击孔21进入冷却通道4内，冷却通道4内的冷却气流对叶片本体1进行冷却后向下游流动，最终通过冷气出口排出。

根据本发明的实施例，其中，相邻两个扰流柱5之间的柱间距P2为固定值，且柱间距P2与冲击孔21的孔径D之间的数值关系为：P2＝4D-8D。根据本发明的实施例，相邻两个扰流柱5之间的柱间距P2过小，冷却通道4的强化换热能力会增强，但同时会增大冷却通道4的总压损失，若相邻两个扰流柱5之间的柱间距P2过大，冷却通道4的强化换热能力会减弱，因此，柱间距P2不宜过小或过大，所以将相邻两个扰流柱5之间的距离P2控制在4D-10D之间，其中的D为冲击孔21的孔径。

根据本发明的实施例，其中，相邻两个冲击孔21之间的冲击孔间距P1为固定值，冲击孔间距P1与冲击孔21的孔径D之间的数值关系为：P1＝4D-10D。根据本发明的实施例，相邻两个冲击孔21之间的冲击间距P1过小，会使得冲击孔的密度过高，造成冷却气流太过分散；单股冷却气气体压力小，影响冷却气在冷却通道4内的流动速度，若冲击孔间距P1过小，冲击孔21的密度过大，冷却气流分散效果差，容易造成局部换热效果差，换热不均匀。所以将相邻两个冲击孔21之间的冲击孔间距P1控制在4D-10D，其中D为冲击孔21的孔径。

根据本发明的实施例，相邻两个扰流柱5之间的柱间距P2，还可以是相邻两个冲击孔21之间的冲击孔间距P1的整数倍，具体地，可以是P2＝n×P1，其中，n是大于0的整数。将相邻两个扰流柱5之间的柱间距P2设置为相邻两个冲击孔21之间的冲击孔间距P1的整数倍，形成规则性状，可使得冷却通道内的流动状态呈比较稳定的状态，可提高冷却换热的均匀性，此外也便于加工制造。

根据本发明实施例的冷却结构中，冲击孔21设有多个，可以是多个规则形状的冲击孔21等距直线分布在封装片2上，冷却腔内的冷却气流通过多个冲击孔21分散进入冷却通道内。根据本发明的实施例，通过设置多个冲击孔21，可使得冷却气流在沿冷却通道4流动方向上分散进入冷却通道4，避免对叶片本体1局部换热效果较差，增强冷却换热的均匀性。通过将封装片2上的冲击孔21设置为规则形状，可以方便加工制造。

根据本发明的实施例，扰流柱5的柱体厚度与冲击孔21的孔径D之间的数值关系为h＝0.5D-1.5D，扰流柱5在沿冷却气流流动方向上的柱体宽度w，与冲击孔21的孔径D之间的数值关系为：w＝0.5D-1.5D。根据本发明的实施例，扰流柱5的柱体厚度h和柱体宽度w越大，冷却通道4对冷却气体的扰动作用越强，强化换热能力越强，但同时也会增大冷却通道4的总压损失，因此，柱体厚度h和柱体宽度w也不宜过大或过小。

根据本发明的实施例，间隔肋3的肋厚度λ与冲击孔21的孔径D之间的数值关系为：λ＝1.0D-2.0D。

根据本发明的实施例，冷却通道4的尺寸也应设置在合理的数值范围内，其中，冷却通道4与冲击孔21的孔径D之间的数值关系可以为L＝10D-60D；冷却通道4的宽度W与冲击孔21的孔径D之间的数值关系可以为：W＝3D-8D；冷却通道高度H与冲击孔21的孔径D之间的数值关系可以为：H＝1.0D-2.5D。

根据本发明的实施例，冷却通道4可以设有多个，其中相邻两个冷却通道4之间通过间隔肋3分隔开。设置多个冷却通道可以提高冷却结构散热的均匀性，具体冷却通道的设置个数可根据实际冷却条件和冷却腔内的空间合理布置。

图5是在间隔肋3采用直肋的情况下的冷却结构示意图。

如图5所示，间隔肋3的肋侧表面30为平面结构，采用该冷却结构，冷却气在冷却通道4内流动时，仅依靠自身压力实现流动状态，与柱形弧面的肋结构相比，因缺少扰流柱5结构对冷却气的扰动作用，换热效果较柱形弧面的肋结构较差。

以下，结合数值模拟计算的结果将采用柱形弧面的肋结构与采用直肋结构的效果进行对比分析。

图6是对本发明实施例的冷却结构进行效果验证的数值计算模型示意图。通过该模型可以对采用柱形弧面的肋结构与采用直肋结构的冷却效果和压力损失进行模拟计算。

冷却通道4的冷却效果可以通过被冷却表面的综合冷效进行评价。其中综合冷效＝(主流温度-壁面温度)/(主流温度-冷气温度)。

该模型分为主流流体域、固体域、以及冷气流体域。其中，主流进口速度取30m/s，主流温度取333K，主流出口压力取一个大气压。冷气进口设为给定流量，冷气流对应冲击雷诺数分别为9000，18000，和36000，冷气温度取293K，冷气出口压力设为一个大气压。

模型的固体材料设置为树脂，热导率0.2W/m.K，固体厚度9mm，冲击孔21的孔径径D＝3mm。冷却通道4的L、W、H分别为45D、6D、2D；λ＝1.2D，w＝1.3D，h＝1.5D，P1＝5D，P2＝10D。

该模型结构中，冷却通道4的尺寸参数设置为与实际透平一致。通过上述一些气动参数和固体参数范围的设置，满足固体外表面的毕渥数与实际透平外表面的毕渥数相同，则代表通过该模型获得的综合冷效可以反映实际透平运行条件下的综合冷效。

图7是对本发明实施例的冷却结构进行效果验证时，在典型冲击雷诺数下的平均综合冷效对比结果曲线图。

图7反映了在典型冲击雷诺数采用Re＝18000的情况下，冷却结构采用带有凸起状扰流柱的肋结构与采用直肋结构的平均综合冷效对比结果，曲线图中，横坐标x/D代表肋冷却道长度x与冲击孔的孔径D的比值，如图7所示，在x/D＝10之后，采用带有扰流柱肋结构的冷却结构的平均综合冷效，高于采用直肋结构的冷却结构的平均综合冷效，最大差值可达0.015左右，冷却效果相对提高约6％。

图8是对本发明实施例的冷却结构进行效果验证时，在不同冲击雷诺数下的平均综合冷效对比结果曲线图。

图8反映了在不同冲击雷诺数的情况下，冷却结构采用带有扰流柱的肋结构与采用直肋结构的平均综合冷效随雷诺数变化的对比结果，如图8所示，在冷气流对应冲击雷诺数分别为9000、18000和36000的情况下，采用带有扰流柱肋结构的冷却结构的平均综合冷效，始终高于采用直肋结构的冷却结构的平均综合冷效，冷却效果相对提高约4％。

综上，参照图7、图8的对比结果可以看出，通过将肋侧表面30设置为带有扰流柱的肋结构，相比于直面肋结构，可较为显著地增强对被冷却表面的冷却效果。

图9是对本发明实施例的冷却结构进行效果验证时，在不同冲击雷诺数下的总压损对比结果曲线图。

图9反映了在不同冲击雷诺数的情况下，冷却结构采用带有扰流柱肋结构与采用直肋结构的总压损的对比结果，如图9所示，在冷气流对应冲击雷诺数分别为9000、18000和36000的情况下，采用带有扰流柱肋结构的冷却结构的总压损，相对于采用直肋结构的冷却结构的总压损略有增加，在低冲击雷诺数时的增加较小，在高冲击雷诺数时的增加相对较大。

根据本公开的实施例，无论是直肋结构的冷却通道还是带有扰流柱的冷却通道，其总压损失来自于冷却气与壁面的摩擦以及冷气在通道内的流动状况。下游冲击孔流出的冷却气对上游冲击孔的冷却气流动具有阻挡作用，造成压损。相比直肋，在只考虑摩擦损失的情况下，带有扰流柱的肋结构增大了与冷气的接触面积，摩擦损失较直线肋稍高。采用带有扰流柱肋结构的冷却结构的总压损略有增加也与扰流柱对冷却气流的阻塞作用有关。

根据本公开的实施例，上述各参数的数值，可在本公开实施例的数值范围内合理选值，例如在本公开实施例的模型结构采用的冷却通道结构对的尺寸的基础上，进一步减小扰流柱的柱体厚度h，或者减小扰流柱沿冷却气流流动方向上的柱体宽度w，或者适当增大相邻两个扰流柱之间的柱间距P2，使得进一步降低带有扰流柱肋结构的总压损，增强带有扰流柱肋结构的综合冷效。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种冷却结构，设置于由透平叶片的叶片本体围合形成的冷却腔内，包括：

冷却通道，所述冷却通道由所述叶片本体、间隔肋以及封装片围合形成，所述冷却通道用于冷却气流在所述冷却通道内流动换热，以实现对所述叶片本体的冷却；

其中所述间隔肋，包括第一肋端、第二肋端和肋侧表面，所述间隔肋通过所述第一肋端固接于所述叶片本体的内侧壁面，所述肋侧表面设有凸起状的扰流柱，其中所述扰流柱用于对所述冷却通道内的所述冷却气流进行扰动，以便强化对所述叶片本体的冷却；

其中所述封装片，固接于所述第二肋端，所述封装片上设有冲击孔，所述冲击孔的孔径D为固定值，其中，所述冲击孔用于所述冷却腔内的所述冷却气流通过所述冲击孔进入所述冷却通道内；

其中，相邻两个所述扰流柱之间的柱间距P2为固定值，且所述柱间距P2与所述冲击孔的孔径D之间的数值关系为：P2=4D-10D；

所述扰流柱的柱体厚度h，与所述冲击孔的孔径D之间的数值关系为：h=0.5D-1.5D；

所述扰流柱，在沿所述冷却气流流动方向上的柱体宽度w，与所述冲击孔的孔径D之间的数值关系为：w=0.5D-1.5D；

所述间隔肋的肋厚度λ与所述冲击孔的孔径D之间的数值关系为：λ=1.0 D -2.0D；

所述冷却通道的长度L与所述冲击孔的孔径D之间的数值关系为：L=10D-60D；

所述冷却通道的宽度W与所述冲击孔的孔径D之间的数值关系为：W=3D-8D；

所述冷却通道的高度H与所述冲击孔的孔径D之间的数值关系为： H=1.0D-2.5D；

所述冷却通道设有多个，其中相邻两个所述冷却通道之间通过所述间隔肋分隔开。

2.根据权利要求1所述的结构，其中：

所述冷却结构设置于所述透平叶片的吸力面处。

3.根据权利要求1所述的结构，其中：

所述冲击孔设有多个，多个所述冲击孔等距直线分布在所述封装片上，所述冷却腔内的冷却气流通过多个所述冲击孔分散进入所述冷却通道内。

4.根据权利要求3所述的结构，其中：

相邻两个所述冲击孔之间的冲击孔间距P1为固定值，所述冲击孔间距P1与所述冲击孔的孔径D之间的数值关系为：P1=4D-10D。

5.根据权利要求3所述的结构，其中：

相邻两个所述扰流柱之间的柱间距P2，与相邻两个所述冲击孔之间的冲击孔间距P1之间的数值关系为：P2=n×P1，其中，n为大于0的整数。