CN114215609A - 一种可强化冷却的叶片内冷通道及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于涡轮叶片冷却领域，并具体公开了一种可强化冷却的叶片内冷通道及其应用，该叶片内冷通道内设置有强化冷却隔板，所述强化冷却隔板对叶片内冷通道的前缘面与后缘面进行分隔；该强化冷却隔板作为扩展冷表面，增加辐射换热的表面积，使叶片内冷通道的整体冷却性能得到强化，同时减少前缘面与后缘面间冷却性能的差距，提高叶片内冷通道壁面温度分布的均匀性，降低温度梯度造成的热应力。本发明可以将辐射与对流换热相结合，提高叶片内冷通道整体冷却性能，同时改变内冷通道内流特性，降低由于叶片旋转带来的通道前缘面和后缘面间冷却性能的差距。

Description

一种可强化冷却的叶片内冷通道及其应用
技术领域
本发明属于涡轮叶片冷却领域，更具体地，涉及一种可强化冷却的叶片内冷通道及其应用。
背景技术
涡轮是燃气轮机和航空发动机的关键部件之一，具有极为广泛的工业应用。为提高燃气轮机和航空发动机输出的净功和热效率，涡轮前进口温度不断上升，已突破材料的耐高温极限。为保证其不被烧毁，发展先进的冷却技术，进一步强化叶片冷却性能极为重要。
对于当前的叶片冷却技术而言，主要可分为三类：(1)内部冷却：通过在叶片内部通道布置扰流肋、凹陷等扰流结构和冲击孔等，提高换热性能。(2)外部冷却：主要依靠气膜冷却技术实现，在热端部件表面开设气膜孔或槽缝，使流出的冷却工质附着在结构表面，形成表面与热气的阻隔。(3)热障涂层材料：通过等离子喷涂、电子束物理气相沉积等技术，在结构外表面形成耐高温涂层，起到隔热、抗氧化等作用。
上述技术虽已在涡轮叶片冷却领域得到广泛应用，但主要依靠强化对流换热提高冷却性能，未有效利用表面辐射作用来强化冷却性能。由于涡轮叶片长期承受极高的热载荷，例如燃气进口温度可高达2000K，使得内冷通道内表面温度较高，其热辐射对于换热过程的影响不可忽略。同时，由于涡轮叶片在旋转工况下运行，旋转所引起的科氏力使得通道内冷却工质形成二次流，导致内冷通道前缘面、后缘面间换热存在差距，使得温度分布不均匀并产生较大的热应力。因此，如何提高叶片内冷通道冷却性能，改善换热均匀性和温度均匀性、降低温度梯度造成的热应力，显得尤为重要。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可强化冷却的叶片内冷通道及其应用，其目的在于，提高叶片内冷通道的整体冷却性能，同时有效改善通道前缘面和后缘面间冷却性能的差距。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种可强化冷却的叶片内冷通道，该叶片内冷通道内设置有强化冷却隔板，所述强化冷却隔板对叶片内冷通道的前缘面与后缘面进行分隔；该强化冷却隔板作为扩展冷表面，增加辐射换热的表面积，利用强化冷却隔板与通道壁面间的辐射换热来强化通道壁面的冷却性能，同时改善通道内的流场分布，使前缘面与后缘面间冷却性能的差距减小，从而使叶片内冷通道的整体冷却性能得到强化。
作为进一步优选的，所述强化冷却隔板的厚度为内冷通道高度的1％～8％。
作为进一步优选的，所述强化冷却隔板的材料为铜或铝或采用与叶片相同的材料。
作为进一步优选的，所述强化冷却隔板表面和叶片内冷通道表面采用表面处理的方法提高其发射率。
作为进一步优选的，所述强化冷却隔板形状为平板或波形板。
作为进一步优选的，所述强化冷却隔板表面间隔设置有凸起的肋片。
作为进一步优选的，所述强化冷却隔板表面间隔设置有凹陷。
作为进一步优选的，所述强化冷却隔板在叶片内冷通道的正中间或偏置。
按照本发明的另一方面，提供了一种上述可强化冷却的叶片内冷通道的应用，该叶片内冷通道设置在涡轮叶片内。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明的强化冷却隔板提供了扩展冷表面，增加了参与辐射换热的表面积。具体来说，由于涡轮叶片工作时需承受极高的热载荷，现有内冷通道结构不存在大面积的温度相对较低的冷表面，仅依靠高温的通道壁面间的辐射，对于整体冷却性能的提升程度有限。
而本发明在内冷通道前缘面和后缘面之间设置强化冷却隔板，利用冷却工质与强化冷却隔板间的对流换热形成温度较低、面积较大的冷表面，从而可以利用通道壁面与强化冷却隔板间的辐射换热，强化内冷通道的整体冷却性能。如图3所示，通道壁面受到加热热流的作用，在通道中存在通道壁面与冷却工质间的对流换热、冷却工质与强化冷却隔板间的对流换热、强化冷却隔板与通道壁面间的辐射换热，通道壁面与通道壁面间的辐射换热，以及强化冷却隔板内部导热。
2.强化冷却隔板形成了内冷通道前缘面与后缘面间的有效分隔。具体来说，由于涡轮叶片在旋转工况下运行，旋转引起的科氏力会使得冷却工质形成二次流。以径向外流为例，旋转引起的科氏力6及形成的二次流7如图4所示。二次流使得后缘面与冷却工质间的换热增强，导致前缘面、后缘面间冷却性能存在明显差距。
而本发明设置的强化冷却隔板可有效分隔前缘面与后缘面，使得强化冷却隔板两侧分别形成二次流，如图5所示。采用强化冷却隔板换热得以通过多种热量传递形式影响内冷通道内的换热，从而减小由科氏力引起的前缘面和后缘面间冷却性能的差距，使得整体冷却性能更为均匀。
3.强化冷却隔板增加了导热作用。具体来说，由于冷却工质从内冷通道入口沿流向流经高温壁面时不断被加热，与通道壁面间温差减小，因此冷却性能将沿程产生不同程度的降低。而本发明在通道内前缘面和后缘面间设置强化冷却隔板，在通道换热过程中由于强化冷却隔板内部的导热作用，影响强化冷却隔板与高温壁面的辐射换热以及强化冷却隔板与冷却工质间的对流换热，从而使内冷通道内温度分布更为均匀，强化整体冷却性能。
4.本发明设计强化冷却隔板的厚度为内冷通道高度的1％～8％，一方面，厚度过小可能会在叶片旋转过程中发生变形损坏；另一方面，强化冷却隔板厚度过大相应会引起强化冷却隔板的质量增加，于旋转机械运行不利，同时厚度过大导致有效工作空间减小，且致使流动阻力过大，故强化冷却隔板厚度应在满足强度要求的情况下尽量薄。
5.强化冷却隔板的材料采用铜或铝或采用与叶片相同的材料，使强化冷却隔板具有良好的导热性能；同时采用表面处理方法提高强化冷却隔板表面和通道表面的发射率，使其具有良好的表面辐射特性，进而使内冷通道整体换热性能更为均衡。进一步的，强化冷却隔板形状可采用平板或波形板，增强通道的冷却性能；进一步的，配合强化冷却隔板上凹陷和肋片的设置，可增强强化冷却隔板换热效果；进一步的，强化冷却隔板所设置的位置为内冷通道的正中间或进行偏置，实现整体冷却性能的进一步提高。
附图说明
图1为本发明实施例可强化冷却的叶片内冷通道整体结构三维示意图(以径向外流为例)；
图2为本发明实施例可强化冷却的叶片内冷通道横截面二维示意图；
图3为本发明实施例可强化冷却的叶片内冷通道内换热示意图；
图4为无强化冷却隔板的叶片内冷通道内科氏力及二次流示意图(以径向外流为例)；
图5为本发明实施例可强化冷却的叶片内冷通道内科氏力及二次流示意图(以径向外流为例)；
图6为本发明实施例中强化冷却隔板不同形状的结构示意图，其中，(a)为平板型，(b)为波形板型；
图7为本发明实施例中强化冷却隔板表面不同结构形式的结构示意图，其中，(a)为表面光滑型，(b)为表面带凹陷型，(c)为表面带肋片型；
图8为本发明实施例Re＝10000时，未考虑表面辐射且无强化冷却隔板的内冷通道(case 1)、考虑表面辐射但无强化冷却隔板的内冷通道(case 2)与考虑辐射且采用本发明的强化冷却隔板在表面光滑时(case 3)的前缘面和后缘面换热效果对比图；
图9为本发明实施例Re＝30000时，未考虑表面辐射且无强化冷却隔板的内冷通道(case 1)、考虑表面辐射但无强化冷却隔板的内冷通道(case 2)与考虑辐射且采用本发明的强化冷却隔板在表面光滑时(case 3)的前缘面和后缘面换热效果对比图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件、结构、受力或流动状态，其中：1-内冷通道，2-强化冷却隔板，3-前缘面，4-后缘面，5-冷却工质，6-科氏力，7-二次流。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的一种可强化冷却的叶片内冷通道，如图1和图2所示，叶片的内冷通道1内设置有强化冷却隔板2，所述强化冷却隔板2对内冷通道1的前缘面3与后缘面4进行分隔。
进一步的，所述强化冷却隔板的材料为经过表面处理的铜或铝或与叶片相同的材料，其具有良好的表面辐射特性和导热性能。
进一步的，通过对内冷通道内强化冷却隔板的表面结构形式及强化冷却隔板形状进行改进，可对强化冷却性能进行优化。如图6和图7所示，所述强化冷却隔板结构采用包括但不限于平板、波形板等不同形式，及带凹陷、带肋片等强化传热措施。对于强化冷却隔板，可对其厚度进行调整，厚度优选为内冷通道高度的1％～8％，即0.01(H1+H2)～0.08(H1+H2)，H1为后缘面到强化冷却隔板距离，H2为前缘面到强化冷却隔板距离；对于波形板，可对波形、波距等参数进行优化；对于带凹陷的强化冷却隔板，可对于凹陷深度、凹陷直径、凹陷间距等参数进行优化；对于带肋片的强化冷却隔板，可对于肋片高度、肋片间距、肋片排布形式(如直肋、斜肋、V形肋、W形肋等)等参数进行优化。
进一步的，所述强化冷却隔板结构在内冷通道内设置的位置可位于通道的正中间(H1＝H2)，或根据调节换热性能的需要进行偏置(H1≠H2)。
本发明提供的可强化冷却的叶片内冷通道结构，与现有涡轮叶片技术相比，既不会对结构强度产生不利影响，又可合理利用高温工况下内冷通道内的多种换热形式。设置强化冷却隔板人为扩展冷表面，可以大幅增加参与辐射换热的表面积，同时波形板、凹陷、肋片等措施，使强化冷却隔板与冷却工质间的对流换热更加充分，进一步降低强化冷却隔板的表面温度，从而强化内冷通道的整体冷却性能。此外，采用本发明所述强化冷却隔板，使受科氏力影响的冷却工质流经内冷通道时无法直接从前缘面流向后缘面，改变了通道内二次流的结构可以有效改善由于旋转导致的前缘面和后缘面间冷却性能的差距。
以下为具体实施例：
选取截面为矩形的内冷通道，四周壁面均受热，冷却工质5选取温度为723K的空气，由入口流经通道对结构进行冷却。在前缘面和后缘面中间位置设置光滑平板型的强化冷却隔板，对前缘面和后缘面形成分隔。强化冷却隔板的厚度选取为内冷通道高度的4％。
如图2和图3所示，本发明中的带强化冷却隔板的叶片内冷通道，包括内冷通道以及通道内的强化冷却隔板，强化冷却隔板沿与前缘面和后缘面平行的方向设置。由于强化冷却隔板的存在，前缘面和后缘面被分隔开，受旋转导致的科氏力作用的冷却工质无法直接从前缘面流动到后缘面。其中强化冷却隔板的厚度参数可以根据实际进行调整，以降低阻力造成的流动损失。
本实施例所采用表面光滑的平板结构，强化冷却隔板的结构形式包括但不限于图6和图7中所示：
图6和图7为图1中本发明强化冷却隔板采用不同形状和不同表面结构形式的结构示意图；其中图6中(a)、(b)分别为平板型的强化冷却隔板、波形板型的强化冷却隔板；图7中(a)、(b)、(c)分别为采用常规光滑表面的强化冷却隔板，采用带凹陷表面的强化冷却隔板，采用带肋片表面的强化冷却隔板。
通过三维数值模拟，对旋转工况下雷诺数Re分别为10000和30000时以图1为构型的内冷通道冷却性能进行计算。同时，为便于比较采用本发明后(case 3)内冷通道内冷却性能的强化效果，分别对未考虑表面辐射且无强化冷却隔板的内冷通道(case 1)、考虑表面辐射但无强化冷却隔板的内冷通道(case 2)进行了数值模拟。
图8和图9分别为在雷诺数Re＝10000和Re＝30000时，case1、case2、case3三种情况下的前缘面和后缘面换热性能比较，以无量纲值Nut/Nu0表示。可以看出，采用本发明在内冷通道内设置强化冷却隔板以提供扩展冷表面，并考虑强化冷却隔板及四周壁面的表面辐射作用时，在不同雷诺数下通道整体冷却性能均得到显著提高，且前缘面和后缘面间的冷却性能差距减小。
当Re＝10000时，采用本发明的内冷通道最高温度为916.37K，平均温度为835.69K；而未考虑表面辐射且无强化冷却隔板时，最高温度为1123.04K，平均温度为912.65K。相比之下，采用本发明使得最高温度和平均温度分别降低了18.40％和8.43％，且温度分布更为均匀。
当Re＝30000时，采用本发明的内冷通道最高温度为840.44K，平均温度为779.48K；而未考虑表面辐射且无强化冷却隔板时，最高温度为932.95K，平均温度为806.80K。相比之下，采用本发明使得最高温度和平均温度分别降低了9.92％和3.39％，且温度分布更为均匀。表明采用本发明在不同雷诺数下均可实现冷却性能的整体提高。
通过上述实施例可以看出，采用本发明能够明显强化内冷通道整体冷却性能，同时降低前缘面和后缘面间冷却性能的差距。本发明中的强化冷却隔板所利用的作用机理复杂，但措施简便、易于实现。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可强化冷却的叶片内冷通道，其特征在于，该叶片内冷通道内设置有强化冷却隔板，所述强化冷却隔板对叶片内冷通道的前缘面与后缘面进行分隔；该强化冷却隔板作为扩展冷表面，增加辐射换热的表面积，使叶片内冷通道的整体冷却性能得到强化，同时减少前缘面与后缘面间冷却性能的差距，提高叶片内冷通道壁面温度分布的均匀性，降低温度梯度造成的热应力。
2.如权利要求1所述的可强化冷却的叶片内冷通道，其特征在于，所述强化冷却隔板的厚度为内冷通道高度的1％～8％。
3.如权利要求1所述的可强化冷却的叶片内冷通道，其特征在于，所述强化冷却隔板的材料为铜或铝或与叶片相同的材料，叶片内冷通道表面和强化冷却隔板表面采用表面处理以提高发射率。
4.如权利要求1所述的可强化冷却的叶片内冷通道，其特征在于，所述强化冷却隔板表面形状为平板或波形板。
5.如权利要求1所述的可强化冷却的叶片内冷通道，其特征在于，所述强化冷却隔板表面间隔设置有凸起的肋片。
6.如权利要求1所述的可强化冷却的叶片内冷通道，其特征在于，所述强化冷却隔板表面间隔设置有凹陷。
7.如权利要求1-6任一项所述的可强化冷却的叶片内冷通道，其特征在于，所述强化冷却隔板在叶片内冷通道的正中间或偏置。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的可强化冷却的叶片内冷通道的应用，其特征在于，该叶片内冷通道设置在涡轮叶片内。
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周洪儒等: "某型高压动叶冷却结构设计", 《汽轮机技术》, no. 06, 25 December 2010 (2010-12-25) *
贺宜红等: "泡状隔板对涡轮叶片内冷通道换热和流阻的影响", 《南京航空航天大学学报》 *
贺宜红等: "泡状隔板对涡轮叶片内冷通道换热和流阻的影响", 《南京航空航天大学学报》, no. 04, 15 August 2020 (2020-08-15) *
贺志宏,谈和平,刘林华,冯国泰,阮立明: "发动机叶片流道内辐射换热的数值计算", 推进技术, no. 01 *

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