CN114856714B - 一种适用于透平叶片后缘内部冷却通道的s型肋片结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于透平叶片后缘内部冷却通道的S型肋片结构，涉及燃气轮机冷却技术领域。S型肋片由圆弧肋和直肋交替排列构成，圆弧肋中线为半径相等的圆弧，圆心共线分布，相邻圆弧肋呈中心对称分布。圆弧肋和直肋之间可以连续，也可以间断，圆弧肋中线所在圆与直肋中线或其延长线相切。S型肋片整体沿冷气流向布置。圆弧肋和直肋的截面均为相同大小的矩形，没有填充部分存在。相较于一般的长方体肋片（斜肋、交叉肋），圆弧肋结构的存在能够增大对流换热面积，增强后缘壁面处气流的扰动，提升壁面的换热性能，相邻圆弧肋中心对称分布提高了壁面换热性能的空间分布均匀性。

Description

一种适用于透平叶片后缘内部冷却通道的S型肋片结构
技术领域
本发明涉及燃气轮机冷却技术领域，尤其涉及一种应用于透平叶片后缘内冷通道的S型肋片结构。
背景技术
进一步提高燃气轮机透平的进口温度是提高燃气轮机热性能的有效途径，但也意味着透平叶片需要承受极高的热负荷，尤其是喷嘴叶片和透平动叶的前缘、尾缘和吸力面转捩区域。目前先进燃气轮机透平进口温度已远超叶片材料的耐温极限，高效的透平冷却技术是保障热端部件寿命和燃气轮机稳定运行的关键。
透平叶片多采用内、外部结合的复合冷却方式。叶片内部设计有复杂的冷却通道，典型的结构是冲击腔室、带倾斜连续肋片的蛇形内冷通道和涡流矩阵肋片通道。通过增加叶片内表面边界对冷气的扰动，破坏流动边界层并增加湍流度，从而强化叶片和内部冷气的对流换热。但对冷气的扰动加剧也意味着更高的流动阻力，因此冷却通道结构的设计应兼备冷却性能和流动损失。
过去几十年内，研究人员相继提出了V形肋片、W形肋片、交错肋片等冷却结构以提升其换热性能。但这些冷却结构相对较为复杂，制造成本较高，部分间断肋还存在填充区段等结构，加工难度太大。因此需要研究一种换热性能较高、结构较为简单的肋片结构。
发明内容
为了增强叶片内部通道的换热性能、降低压力损失，本发明提出一种应用透平叶片后缘内冷通道的S型肋片结构。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种适用于透平叶片后缘内部冷却通道的S型肋片结构，包括至少两条S型肋片，所述S型肋片布置在透平叶片内壁表面，多条S型肋片首尾各部位之间的间距相同(展向间距)，S型肋片包括圆弧肋和直肋，所述S型肋片由圆弧肋和直肋交替排列构成，圆弧肋和直肋之间为连续状态或间断状态。
作为更进一步的优选方案，圆弧肋中线均为半径相等的圆弧，圆弧半径r与冷却通道水力直径Dh的比值r/Dh为0.1～0.4，圆弧的圆心共线分布，一条S型肋片上相邻两个圆弧肋的中线间距k与圆弧半径r的比值k/r为2.2～4.5，相邻圆弧肋呈中心对称分布。
作为更进一步的优选方案，一条S型肋片上的圆弧肋数量n根据公式n＝L/(4.5*r)计算求得，其中L为冷却通道长度，r为圆弧肋半径；一条S型肋片中圆弧肋个数为4～12。
作为更进一步的优选方案，圆弧肋中线所在圆与相邻直肋中线或其延长线相切；圆弧肋中线弧度α满足0<α≤2*arcsin(2*r/k)，直肋中点与圆弧肋中线圆心共线，直肋中线为长度相等的直线，直肋中线长度l满足0<l≤2*(0.25*k2-r2)0.5。
作为更进一步的优选方案，S型肋片的断面为矩形，S型肋片的高度e与冷却通道水力直径Dh的比值e/Dh为0.01～0.05，S型肋片宽度w和高度e相等。
作为更进一步的优选方案，S型肋片布置方向与冷气流向一致，在冷气流向垂直方向上等间距或非等间距重复排列，S型肋片个数m为2～6，等间距排列时，S型肋片间距p和圆弧半径r的比值p/r为1.0～2.5，非等间距排列时，肋间距的取值范围均在1.0r～2.5r之间。
本发明提出了一种用于透平叶片后缘内冷通道的S型肋片结构，适用于叶片后缘端壁，S型肋片结构包括直肋和圆弧肋，整体沿冷气流向布置，区别于目前已知的高性能肋片结构。以S型肋片的排列方向为正视方向，S型肋片的俯视图为圆弧肋和直肋交替排列，圆弧肋是等间距排列呈中心对称分布的扇环，直肋为形状相等的矩形，整体结构比较简单。圆弧肋和直肋的截面均为相同大小的矩形，没有填充部分的存在，因此更容易加工，布置数量较少，简化了冷却结构的几何复杂程度，减小了制造难度。相较于一般的长方体肋片(斜肋、交叉肋)，圆弧肋结构的存在能够增强后缘壁面处气流的扰动，强化换热面积覆盖区域，进一步提升壁面的换热性能，相邻圆弧肋中心对称分布还提高了壁面换热性能的空间分布均匀性。
附图说明
图1为本发明S型肋片结构示意图；
图2(a)为本发明直肋和圆弧肋呈连续排列的S型肋片结构俯视图，图2(b)为本发明直肋和圆弧肋呈间断排列的S型肋片结构俯视图；
图3为本发明S型肋片单元结构正等轴测图；
图4为本发明实施例1中的S型肋片结构俯视图；
图5为本发明实施例2中的S型肋片结构俯视图；
图6为本发明实施例3中的S型肋片结构俯视图；
图7(a)为本发明实施例1的S型肋片所在壁面上的努塞尔数Nu/Nu0分布，图7(b)为本发明实施例2的S型肋片所在壁面上的努塞尔数Nu/Nu0分布，图7(c)为本发明实施例3的S型肋片所在壁面上的努塞尔数Nu/Nu0分布；
附图标注说明：1-S型肋片；2-透平叶片内壁；3-圆弧肋；4-直肋；5-冷气流向。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供了一种应用于透平叶片后缘内冷通道的S型肋片结构，包括直肋结构和圆弧肋结构。结合图1～3，S型肋片布置在叶片内部壁面上，整体沿冷气流向布置，直肋和圆弧肋交替连续或间断排列，圆弧肋的数量n根据公式n＝L/(4.5*r)计算求得，其中L为冷气通道长度，r为圆弧肋半径。圆弧肋个数通常为4～12，直肋个数与圆弧肋个数可以相等，也可以不等。肋片所处冷却通道的宽度为W，高度为H，水力直径为Dh。所述S型肋片的截面为矩形，肋片高度e与通道水力直径Dh的比值e/Dh为0.01～0.05，肋片宽度w与高度相等。圆弧肋的中线为半径相等的圆弧，圆弧半径r与通道水力直径Dh的比值r/Dh为0.1～0.4，圆弧的圆心沿冷气流向共线分布，相邻圆弧肋间距k与圆弧半径r的比值k/r为2.2～4.5，相邻圆弧肋呈中心对称分布，圆弧肋中线所在圆与相邻直肋中线或其延长线相切，圆弧肋中线的弧度α满足0<α≤2*arcsin(2*r/k)，直肋中心点与圆弧肋中线圆心共线，直肋中线为长度相等的直线，长度l满足0<l≤2*(0.25*k2-r2)0.5。所述S型肋片在冷气流向垂直方向等间距或非等间距重复排列，个数m为2～6，等间距排列时，肋间距p和圆弧半径r的比值p/r为1.0～2.5，非等间距排列时，肋间距的取值范围均在1.0r～2.5r之间。
本发明所述的一种用于透平叶片后缘内冷通道的S型肋片结构，相较于传统的斜肋、交叉肋等类长方体肋片，圆弧肋结构的存在能够增强后缘壁面处气流的扰动，增大强化换热面积，提高平均换热强度，进一步提升壁面的换热性能，肋片在叶高方向上的重复排列以及相邻圆弧肋中心对称分布还提高了壁面换热性能的空间分布均匀性。
实施例1
结合图4，本实施例提供了一种应用于透平叶片后缘内部冷却通道的S型肋片结构，包括冷却通道和S型肋片。冷却通道的水力直径Dh＝3mm，S型肋片由7个圆弧肋片和6个直肋片连续交替排列构成，肋片高度与冷却通道水力直径的比值e/Dh＝0.05(e＝4mm)，肋片宽度w与高度e相等，圆弧肋中线半径与通道水力直径的比值r/Dh＝0.25(r＝20mm)，相邻圆弧肋间距与圆弧肋中线半径的比值k/r＝2.5(k＝50mm)，圆弧肋中线的弧度α＝106.25°，长度l＝30mm。S型肋片在叶高方向等间距排列，肋间距与圆弧肋中线半径的比值p/r＝1.0(p＝20mm)，S型肋片个数m＝3。本实施例S型肋片为连续肋，在S肋的拐角处存在的圆弧肋结构替代了常见的长方体肋结构，增大了强化换热面积，提高了壁面的平均换热性能。
实施例2
结合图5，本实施例提供了一种应用于透平叶片后缘内部冷却通道的S型肋片结构，包括冷却通道和S型肋片。冷却通道的水力直径Dh＝3mm，S型肋片由6个圆弧肋片和5个直肋片连续交替排列构成，肋片高度与冷却通道水力直径的比值e/Dh＝0.05(e＝4mm)，肋片宽度w与高度e相等，圆弧肋中线半径与通道水力直径的比值r/Dh＝0.25(r＝20mm)，相邻圆弧肋间距与圆弧肋中线半径的比值k/r＝4(k＝80mm)，圆弧肋中线的弧度α＝60°，长度l＝69.28mm。S型肋片在叶高方向等间距排列，肋间距与圆弧肋中线半径的比值p/r＝1.0(p＝20mm)，S型肋片个数m＝3。本实施例相较于实施例1，圆弧肋和直肋的数量减少，增大了相邻圆弧肋的间距，单个圆弧肋片的长度缩短。
实施例3
结合图6，本实施例提供了一种应用于透平叶片后缘内部冷却通道的S型肋片结构，包括冷却通道和S型肋片。冷却通道的水力直径Dh＝3mm，S型肋片由7个圆弧肋片和6个直肋片间断交替排列构成，肋片高度与冷却通道水力直径的比值e/Dh＝0.05(e＝4mm)，肋片宽度w与高度e相等，圆弧肋中线半径与通道水力直径的比值r/Dh＝0.25(r＝20mm)，相邻圆弧肋间距与圆弧肋中线半径的比值k/r＝2.5(k＝50mm)，圆弧肋中线的弧度α＝60°，长度l＝18mm。S型肋片在叶高方向等间距排列，肋间距与圆弧肋中线半径的比值p/r＝1.0(p＝20mm)，S型肋片个数m＝3。本实施例相较于实施例1，圆弧肋中线弧度和直肋长度均减小，圆弧肋和直肋变为间断排列。
结合图7，Nu/Nu0表示局部壁面的努赛尔数与光滑通道下的努赛尔数的比值，由于圆弧肋扰动产生二次流的影响，近下游附近壁面的换热系数较大，沿着S型肋片布置方向向通道下游发展，传热系数有所下降。增大圆弧肋的间距，近下游壁面高换热区域面积增大，换热性能得到提升，弯曲肋和直肋间断排列使得肋片前端高换热区数量增多，弯曲肋附近的换热效果增强。对于图中条件而言，适当增大肋间距，减小圆弧肋的长度，弯曲肋和直肋之间间断排列，可以有效改善S型肋片的换热效果。
综上，本发明的目的在于提供一种适用于透平叶片后缘内部冷却通道的S型肋片结构，S型肋片包括圆弧肋和直肋。以上实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，本发明并不局限于所述实施例，凡是通过在叶片内壁面设置类S形肋片结构提升换热性能的应用，均属于本发明的范围。

Claims (2)

1.一种适用于透平叶片后缘内部冷却通道的S型肋片结构，其特征在于：包括至少两条S型肋片(1)，所述S型肋片(1)布置在透平叶片内壁(2)表面，多条S型肋片(1)首尾之间的间距相同，S型肋片(1)包括圆弧肋(3)和直肋(4)，所述S型肋片(1)由圆弧肋(3)和直肋(4)交替排列构成，圆弧肋(3)和直肋(4)之间为连续状态或间断状态；
圆弧肋(3)中线均为半径相等的圆弧，圆弧半径r与冷却通道水力直径Dh的比值r/Dh为0.1～0.4，圆弧的圆心共线分布，一条S型肋片(1)上相邻两个圆弧肋(3)的中线间距k与圆弧半径r的比值k/r为2.2～4.5，相邻圆弧肋(3)呈中心对称分布；
一条S型肋片(1)上的圆弧肋(3)数量n根据公式n＝L/(4.5*r)计算求得，其中L为冷却通道长度，r为圆弧肋半径；一条S型肋片(1)中圆弧肋(3)个数为4～12；
圆弧肋(3)中线所在圆与相邻直肋(4)中线或其延长线相切；圆弧肋(3)中线弧度α满足0<α≤2*arcsin(2*r/k)，直肋(4)中点与圆弧肋(3)中线圆心共线，直肋(4)中线为长度相等的直线，直肋(4)中线长度l满足0<l≤2*(0.25*k2-r2)0.5；
所述S型肋片(1)的断面为矩形，S型肋片(1)的高度e与冷却通道水力直径Dh的比值e/Dh为0.01～0.05，S型肋片(1)宽度w和高度e相等。
2.根据权利要求1所述的一种适用于透平叶片后缘内部冷却通道的S型肋片结构，其特征在于：所述S型肋片(1)布置方向与冷气流向(5)一致，在冷气流向垂直方向上等间距或非等间距重复排列，S型肋片(1)个数m为2～6，等间距排列时，S型肋片(1)间距p和圆弧半径r的比值p/r为1.0～2.5，非等间距排列时，肋间距的取值范围均在1.0r～2.5r之间。
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