CN114607470A - 叶片和燃气轮机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种叶片和应用该叶片的燃气轮机，包括叶身、多个柱肋和多个凸起，所述叶身具有第一内壁和第二内壁，所述第一内壁和所述第二内壁间隔布置且在所述第一内壁和所述第二内壁之间限制出尾缘通道，所述尾缘通道适于供冷却气流通过，多个所述柱肋设于所述尾缘通道，且所述柱肋的一端与所述第一内壁相连，所述柱肋与所述第二内壁相连，多个所述凸起设于所述第一内壁和/或所述第二内壁，所述凸起适于扰动破坏相邻两个所述柱肋之间的所述冷却气流的边界层以提高换热效率。本发明实施例的叶片具有散热效果好的优点。
Description
技术领域
本发明涉及叶片冷却技术领域，具体地，涉及一种叶片和应用该叶片的燃气轮机。
背景技术
燃气轮机叶片工作在高温、高转速等恶劣的环境中，叶片内部冷却是向叶片的内部通入冷却气体以降低燃气轮机叶片的温度从而提高叶片的工作寿命，相关技术中的叶片在工作时不能持续安全稳定工作，叶片寿命较低。
发明内容
本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：
冷却叶片的尾缘大都设计有柱肋冷却结构，以扰动冷却气流，增加冷却气流与叶片之间的换热效果，相关技术中的叶片的尾缘冷却效果不佳。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种叶片，该叶片具有散热效果好的优点。
本发明实施例还提出一种应用上述叶片的燃气轮机。
本发明实施例的叶片，包括叶身，所述叶身具有第一内壁和第二内壁，所述第一内壁和所述第二内壁间隔布置且在所述第一内壁和所述第二内壁之间限制出尾缘通道，所述尾缘通道适于供冷却气流通过；多个柱肋，多个所述柱肋设于所述尾缘通道，且所述柱肋的一端与所述第一内壁相连，所述柱肋与所述第二内壁相连；多个凸起，多个所述凸起设于所述第一内壁和/或所述第二内壁，所述凸起适于扰动破坏相邻两个所述柱肋之间的所述冷却气流的边界层以提高换热效率。
本发明实施例的叶片具有散热效果好的优点。
在一些实施例中，多个所述柱肋沿着所述叶身的纵向间隔布置并形成柱肋排，所述柱肋排中相邻两个所述柱肋之间形成气流通道，多个所述凸起沿着所述叶身的纵向间隔布置并形成凸起排，所述凸起排位于所述柱肋排的下游，且所述凸起排中的多个所述凸起与所述柱肋排中多个所述气流通道一一对应。
在一些实施例中，所述柱肋排有多个，多个所述柱肋排包括第一排和第二排，所述第二排位于所述第一排的下游，所述凸起排设在所述第一排和所述第二排之间，所述第二排中的多个所述柱肋与所述第一排中的多个所述气流通道一一对应。
在一些实施例中，所述凸起排有多个，多个所述凸起排沿着所述冷却气流的流向间隔布置，且多个所述凸起排的高度尺寸沿着所述冷却气流的流向逐渐变小。
在一些实施例中，所述凸起包括迎风段，所述迎风段的宽度尺寸沿着所述冷却气流的流向逐渐变大，和/或，所述迎风段的高度尺寸沿着所述冷却气流的流向逐渐变大。
在一些实施例中，所述迎风段包括第一迎风面和第二迎风面，所述第一迎风面和所述第二迎风面在所述叶身的纵向相对布置，所述第一迎风面与相邻两个所述柱肋的其中一者之间形成第一通道，所述第二迎风面与相邻两个所述柱肋的其中另一者之间形成第二通道，所述第一通道和所述第二通道适于减小所述冷却气流的通流截面以加速所述冷却气流的流动。
在一些实施例中，所述凸起包括背风段，所述背风段的宽度尺寸沿着所述冷却气流的流向逐渐变小，和/或，所述背风段的高度尺寸沿着所述冷却气流的流向逐渐变小。
在一些实施例中，所述凸起设有凹槽，所述凹槽设在所述凸起的背风侧，所述凹槽适于形成涡流。
在一些实施例中，多个所述凸起中的凸起形状为水滴状、月牙状、箭头状的至少一种。
本发明实施例的燃气轮机包括叶片，所述叶片可以为上述任一项所述的叶片。
附图说明
图1是本发明实施例的叶片的剖视示意图。
图2是图1中A-A处的剖视示意图。
图3是图2中B-B处的剖视示意图。
图4是本发明实施例的箭头状凸起的俯视示意图。
图5是图4中C处的局部放大图。
图6是本发明实施例的月牙状凸起的俯视示意图。
图7是本发明实施例的水滴状凸起的俯视示意图。
附图标记：
叶身1；第一内壁11；第二内壁12；尾缘通道13；
柱肋2；柱肋排21；第一排201；第二排202；
凸起3；凸起排301；迎风段31；第一迎风面311；第二迎风面322；背风段32；凹槽33；
第一通道001；第二通道002。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图描述本发明实施例的叶片。
如图1至图7所示，本发明实施例的叶片，包括叶身1、多个柱肋2和多个凸起3。
叶身1具有第一内壁11和第二内壁12，第一内壁11和第二内壁12间隔布置且在第一内壁11和第二内壁12之间限制出尾缘通道13，尾缘通道13适于供冷却气流通过。
具体地，如图1所示，叶身1具有空腔，空腔中通有流动的冷却空气以冷却叶身1，第一内壁11位于空腔的一侧，第二内壁12位于空腔的另一侧，第一内壁11的后部和第二内壁12的后部间距减小，从而在第一内壁11和第二内壁12之间形成尾缘通道13，供冷却气通过尾缘劈缝13时与第一内壁11和第二内壁12接触通过换热降低第一内壁11和第二内壁12的温度。
多个柱肋2设于尾缘通道13，且柱肋2的一端与第一内壁11相连，柱肋2的另一端与第二内壁12相连。
具体地，如图2所示，柱肋2在第一内壁11和第二内壁12之间沿着上下方向延伸，一方面增加了第一内壁11和第二内壁12的结构强度，另一方面当冷却气流流经柱肋2时被柱肋2扰动，降低冷却气流的流速，提高冷却气流与第一内壁11或第二内壁12间的换热系数。
多个凸起3设于第一内壁11和/或第二内壁12，凸起3适于扰动破坏相邻两个柱肋2之间的冷却气流的边界层以提高换热效率。
具体地，凸起3设于第一内壁11和第二内壁12上，凸起3从第一内壁11或第二内壁12向尾缘通道13中延伸。由此，尾缘通道13中的冷却气流在流动时局部为层流流动，冷却气流与第一内壁11或第二内壁12之间的边界层流速较慢，影响冷却气流与第一内壁11或第二内壁12换热，凸起3能够扰动冷却气流与第一内壁11或第二内壁12之间的边界层以增加冷却气流与第一内壁11或第二内壁12间的换热系数。
本发明实施例的叶片的叶身1具有尾缘通道13，冷却气流流经尾缘通道13以降低叶身1的温度，从而使叶片持续稳定工作，通过设置凸起3破坏尾缘通道13中冷却气流的层流结构，提高冷却气流与叶身1接触部分的流速，从而提高冷却气流与叶身1间的换热系数，进一步地提高冷却气流对叶身1的冷却效果，使本发明实施例的叶片具有散热效果好、能够持续稳定工作的优点。
在一些实施例中，多个柱肋2沿着叶身1的纵向间隔布置并形成柱肋排21，柱肋排21中相邻两个柱肋2之间形成气流通道，多个凸起3沿着叶身1的纵向间隔布置并形成凸起3排301，凸起3排301位于柱肋排21的下游，且凸起3排301中的多个凸起3与柱肋排21中多个气流通道一一对应。
具体地，如图3和图4所示，柱肋排21布形成多个柱肋排21，每个柱肋排21包括多个柱肋2且单个柱肋排21中的柱肋2沿着左右方向等间隔布置，当冷却气流流经柱肋排21时，冷却气流从相邻的两个柱肋2之间的气流通道流过。
凸起3位于每个肋柱排中相邻的两个肋柱之间间隙的下游，即凸起3位于每排柱肋排21的气流通道的下游，从而多个凸起3排301列组成多个凸起3排301，凸起3排301位于柱肋排21的下游，凸起3排301与最接近的上游的柱肋排21交错布置。
由此，冷却气流从气流通道中流出后，冷却气流的边界层被凸起3扰动从而将层流的冷却气流扰动成紊流，从而提高冷却气流与叶身1间的换热效率
在一些实施例中，柱肋排21有多个，多个柱肋排21包括第一排201和第二排202，第二排202位于第一排201的下游，凸起3排301设在第一排201和第二排202之间，第二排202中的多个柱肋2与第一排201中的多个气流通道一一对应。
具体地，凸起3排301位于相邻的第一排201和第二排202之间，相邻的两排肋柱排交错布置，由此，从上游的肋柱排的气流通道中流出的冷却气流的流向指向下一排肋柱排的肋柱，由此，肋柱排交错布置增加了多排肋柱对冷却气流的扰动效果，增加了冷却气流在尾缘通道13中的湍流度，提高了冷却气流对尾缘通道13处叶身1的冷却效率。
在一些实施例中，凸起3排301有多个，多个凸起3排301沿着冷却气流的流向间隔布置，且多个凸起3排301的高度尺寸沿着冷却气流的流向逐渐变小。
具体地，第一排201和第二排202有多个，且多个第一排201和多个第二排202沿着前后方向交替布置，每一组相邻的第一排201和第二排202之间都设有一排凸起3排301。
由此，从每一个肋柱排的气流通道中流出的冷却气流都会被与之接近的凸起3排301扰动成紊流，冷却气流经过多排肋柱排和多排凸起3扰动，冷却气流的湍流度较高，从而提高冷却气流与尾缘通道13处的叶身1间的换热效率。
由于尾缘通道13的厚度从前至后逐渐减小，即第一内壁11和第二内壁12的间距从前至后逐渐减小，多个凸起3排301的高度尺寸从前至后逐渐变小以适应尾缘通道13的高度变化，从而使凸起3的高度尺寸与凸起3所在位置处的尾缘通道13的厚度的比值位于设定区间内。需要说明的是，凸起3排301的高度尺寸即为每个凸起3排301中最靠近尾缘通道13的几何中心的点与第一内壁11或第二内壁12的距离。
由此，凸起3的高度随着尾缘通道13的厚度变化而变化，一方面降低了凸起3对冷却气流的阻力，另一方面凸起3高度与尾缘通道13厚度的比值稳定在设定区间，提高凸起3对冷却气流的边界层扰动的效果，从而提高冷却气流的湍流度。
在一些实施例中，凸起3包括迎风段31，迎风段31的宽度尺寸沿着冷却气流的流向逐渐变大，和/或，迎风段31的高度尺寸沿着冷却气流的流向逐渐变大。
具体地，如图5所示，迎风段31位于凸起3的前半部，迎风段31的宽度尺寸即为迎风段31沿左右方向的长度尺寸，迎风段31的宽度尺寸沿着从前至后的方向逐渐变大，由此，迎风段31可以挤压冷却气流以改变冷却气流边界层的流向，从而扰动冷却气流的边界层以提高冷却气流的湍流度。
如图3所示，迎风段31的高度逐渐增加，坡面倾斜，由此，迎风段31具有坡度以适应气流的流向，从而降低凸起3对冷却气流的阻力，便于冷却气流在尾缘通道13中流动从而提高尾缘通道13处叶身1的冷却效率。
在一些实施例中，迎风段31包括第一迎风面311和第二迎风面322，第一迎风面311和第二迎风面322在叶身1的纵向相对布置，第一迎风面311与相邻两个柱肋2的其中一者之间形成第一通道001，第二迎风面322与相邻两个柱肋2的其中另一者之间形成第二通道002，第一通道001和第二通道002适于减小冷却气流的通流截面以加速冷却气流的流动。
具体地，如图5所示，第二通道002内的边界层冷却气流沿着图5中a方向流动，在边界层空气流动的过程中，边界层气流的截流面积先减小后增大，由于第一迎风面311和第二迎风面322沿左右方向对称布置，第一通道001内的边界层空气的流动状态与第二通道002内的边界层空气流动状态相同。
需要说明的是，如图5所示，w1＞w2，w3＞w2，第二通道002的宽度尺寸w沿着边界层冷却气流的流向先减小再增大，可以理解的是，第一通道001的宽度尺寸沿着边界层冷却气流的流向先减小再增大，从而边界层冷却气流在流经第一通道001和第二通道002时，边界层冷却气流的流速增加，从而提高了边界层冷却气流与叶片间的换热效率。
由此，冷却气流与第一内壁11或第二内壁12之间的边界层在流经第一通道001和第二通道002时，边界层的流速增加，提高边界层气流与第一内壁11或第二内壁12间的换热效率，从而提高叶身1在尾缘通道13处的冷却效率。
在一些实施例中，凸起3包括背风段32，背风段32的宽度尺寸沿着冷却气流的流向逐渐变小，和/或，背风段32的高度尺寸沿着冷却气流的流向逐渐变小。
具体地，背风段32位于凸起3的后半部，如图7所示，背风段32的宽度尺寸从前至后逐渐减小、背风段32的高度尺寸从前至后逐渐变小，由此，一方面凸起3呈流线型结构从而降低凸起3对冷却气流的阻力，使冷却气流能够在尾缘通道13中顺畅流动，另一方面冷却气流流经背风段32的左右两侧时，能够在背风段32的左右两侧形成涡流从而提高冷却气流的湍流度。
在一些实施例中，凸起3设有凹槽33，凹槽33设在凸起3的背风侧，凹槽33适于形成涡流。
具体地，如图4、图5和图6所示，凹槽33位于背风段32的后侧，凹槽33凹向前侧，从而使部分流经凸起3表面的空气沿着图5中b方向流动并在凹槽33内形成涡流，从而扰动冷却气流的层流结构，增加冷却气流的湍流度以提高边界层气流与第一内壁11或第二内壁12间的换热效率，从而提高叶身1在尾缘通道13处的冷却效率。
在一些实施例中，多个凸起3中的凸起3形状为水滴状、月牙状、箭头状的至少一种。
具体地，如图4所示，凸起3的形状可以为箭头状，凸起3为箭头状可以形成涡流的同时便于凸起3加工成型。如图6所示，凸起3的形状可以为月牙状，凸起3为月牙状一方面可以在凸起3的后侧形成涡流，另一方面月牙状的凸起3对冷却气流的阻力较小。如图7所示，凸起3的形状可以为水滴状，凸起3为水滴状可以降低凸起3对冷却气流的阻力，从而提高冷却气流的流速以增加冷却气流与叶身1之间的换热效率。
下面描述本发明实施例的燃气轮机。
本发明实施例的燃气轮机包括叶片，叶片可以为上述实施例中描述的叶片。具体地，叶片为燃气轮机的涡轮叶片，叶片沿圆周方向间隔布置在燃气轮机的涡轮的外周侧，燃气轮机向叶片的内腔中通入冷却气流，冷却气流流经尾缘通道13时与叶片的叶身1接触，与叶身1进行热交换以降低叶片的温度，从而提高叶片的寿命，使叶片能够持续安全稳定工作。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明和简化描述，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发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种叶片，其特征在于，包括：
叶身，所述叶身具有第一内壁和第二内壁，所述第一内壁和所述第二内壁间隔布置且在所述第一内壁和所述第二内壁之间限制出尾缘通道，所述尾缘通道适于供冷却气流通过；
多个柱肋，多个所述柱肋设于所述尾缘通道，且所述柱肋的一端与所述第一内壁相连，所述柱肋与所述第二内壁相连；
多个凸起，多个所述凸起设于所述第一内壁和/或所述第二内壁，所述凸起适于扰动破坏相邻两个所述柱肋之间的所述冷却气流的边界层以提高换热效率。
2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，多个所述柱肋沿着所述叶身的纵向间隔布置并形成柱肋排，所述柱肋排中相邻两个所述柱肋之间形成气流通道，多个所述凸起沿着所述叶身的纵向间隔布置并形成凸起排，所述凸起排位于所述柱肋排的下游，且所述凸起排中的多个所述凸起与所述柱肋排中多个所述气流通道一一对应。
3.根据权利要求2所述的叶片，其特征在于，所述柱肋排有多个，多个所述柱肋排包括第一排和第二排，所述第二排位于所述第一排的下游，所述凸起排设在所述第一排和所述第二排之间，所述第二排中的多个所述柱肋与所述第一排中的多个所述气流通道一一对应。
4.根据权利要求2所述的叶片，其特征在于，所述凸起排有多个，多个所述凸起排沿着所述冷却气流的流向间隔布置，且多个所述凸起排的高度尺寸沿着所述冷却气流的流向逐渐变小。
5.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述凸起包括迎风段，所述迎风段的宽度尺寸沿着所述冷却气流的流向逐渐变大，和/或，所述迎风段的高度尺寸沿着所述冷却气流的流向逐渐变大。
6.根据权利要求5所述的叶片，其特征在于，所述迎风段包括第一迎风面和第二迎风面，所述第一迎风面和所述第二迎风面在所述叶身的纵向相对布置，所述第一迎风面与相邻两个所述柱肋的其中一者之间形成第一通道，所述第二迎风面与相邻两个所述柱肋的其中另一者之间形成第二通道，所述第一通道和所述第二通道适于减小所述冷却气流的通流截面以加速所述冷却气流的流动。
7.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述凸起包括背风段，所述背风段的宽度尺寸沿着所述冷却气流的流向逐渐变小，和/或，所述背风段的高度尺寸沿着所述冷却气流的流向逐渐变小。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的叶片，其特征在于，多个所述凸起中的凸起形状为水滴状、月牙状、箭头状的至少一种。
9.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述凸起设有凹槽，所述凹槽设在所述凸起的背风侧，所述凹槽适于形成涡流。
10.一种燃气轮机，其特征在于，包括叶片，所述叶片为根据权利要求1-9中任一项所述的叶片。
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- 2022-03-18 CN CN202210273435.8A patent/CN114607470A/zh active Pending
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