CN116335770A - 一种高温涡轮叶片前缘的曲面双层壁双旋流冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温涡轮叶片前缘的曲面双层壁双旋流冷却结构，包括进口喷嘴、外层冷却腔室、U型连接管道、内层冷却腔室、出口。冷却工质通过喷嘴切向射入至外层冷却腔室，沿着壁面形成切向外层旋流流动进行一次冷却，随后冷气通过U型连接管道切向射入进内层冷却腔室，形成大尺度内层旋流流动进行二次冷却，冷却后的工质从布置在内层腔室的出口流出。本发明将双层壁冷却结构应用在高温涡轮叶片前缘，充分利用了前缘的空间结构，产生了内、外层两种旋流流动，兼具了双层壁冷却换热强度高、布置灵活和旋流冷却换热分布均匀、换热强度高的优点，极大地提高了燃气轮机和航空发动机涡轮叶片前缘的冷却性能。

Description

一种高温涡轮叶片前缘的曲面双层壁双旋流冷却结构

技术领域

本发明涉及一种冷却结构，尤其是涉及一种高温涡轮叶片前缘的曲面双层壁双旋流冷却结构。

背景技术

燃气轮机广泛应用于陆用发电、舰船推进、航空动力、分布式能源和燃气输运等领域，在国民经济和国防安全中起着举足轻重的作用，重型燃气轮机和航空发动机的制造水平体现了一个国家的综合工业实力。

提升燃气轮机性能的主要途径之一是提高涡轮进口燃气温度，而不断提高的燃气温度已远超叶片材料的耐热极限，必须采取先进的叶片冷却技术。尤其对于工作环境最恶劣的燃气涡轮叶片前缘区域，如何提供高效可靠的冷却保护一直是叶片冷却设计的重点和难点。目前主流的冲击/气膜复合冷却在实际叶片前缘区域的应用中存在着严峻挑战：(1)传统冷却技术无法满足叶片前缘承受不断提升的燃气进口温度的要求；(2)传统冷却技术冷却不均匀使叶片局部热应力过大，减少安全运行时间。因此，为了不断提高燃气涡轮叶片前缘冷却性能，必须探索和发展新型叶片前缘冷却技术。

发明内容

发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种高温涡轮叶片前缘的曲面双层壁双旋流冷却结构，提高燃气轮机涡轮叶片前缘冷却性能，降低冷气量，提高换热强度，使温度分布均匀性更加突出。

技术方案：一种高温涡轮叶片前缘的曲面双层壁双旋流冷却结构，包括涡轮叶片，涡轮叶片的前缘内部设有与其轮廓线条匹配的半圆柱型结构，半圆柱型结构的平面一侧朝向涡轮叶片的尾缘，半圆柱型结构的圆弧面与前缘内壁之间形成外层冷却腔室，半圆柱型结构内部沿其轴向开设有贯通的半圆形通槽，形成内层冷却腔室，内层冷却腔室与外层冷却腔室通过至少两个间隔设置的U型连接管道连通。

在传统的冷却结构中额外加入厚度很薄的外层冷却通道，形成双层壁冷却结构，并在外层通道中布置微型流道或传热增强扰流物，使得经内部冷却后的气体进入外层冷却通道进行二次冷却，从而提高传热强度。根据叶片前缘大曲率的空间结构，通过U型连接管道构建了新型的双层壁双旋流冷却结构，充分利用双层壁冷却和旋流冷却的特点，大幅提升叶片前缘冷却性能。

进一步的，半圆柱型结构的平面与涡轮叶片内壁之间形成中弦区蛇形通道，半圆柱型结构上间隔开设有至少两个进口喷嘴，使外层冷却腔室与中弦区蛇形通道连通，进口喷嘴沿涡轮叶片的径向排列。

最佳的，外层冷却腔室为半圆环形柱体结构，进口喷嘴设于外层冷却腔室一端口处，冷却工质通过进口喷嘴切向射入形成切向旋流流动。

最佳的，U型连接管道一端与外层冷却腔室的另一端口处垂直连通，另一端与与内层冷却腔室一侧边沿垂直连通，冷却工质切向射入内层冷却腔室形成内层旋流冷却。

U型连接管道两臂为长方体延伸段，一段切向连接外层冷却腔室，一段切向连接内层冷却腔室。

旋流冷却，是使冷气通过旋流喷嘴切向射入旋流腔中，形成强烈的大尺度旋流流动的冷却方式。冷气沿着壁面高速冲击壁面热边界层，从而增强换热强度。

最佳的，进口喷嘴截面为矩形，进口喷嘴宽度与外层冷却腔室厚度一致。

最佳的，进口喷嘴与U型连接管道数量相等，进口喷嘴与U型连接管道在半圆柱型结构的平面一侧一一交错排列。

进一步的，外层冷却腔室包覆于内层冷却腔室外部，形成与涡轮叶片前缘空间匹配的曲面双层壁冷却结构。

进一步的，半圆柱型结构的平面上设有与内层冷却腔室连通的出口。

冷却工质通过进口喷嘴切向射入至外层冷却腔室，沿着壁面形成切向外层旋流流动进行一次冷却，随后冷气通过U型连接管道切向射入进内层冷却腔室，形成大尺度内层旋流流动进行二次冷却，冷却后的工质从布置在内层冷却腔室的出口流出。

最佳的，U型连接管道的数量为2～8个。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：针对燃气轮机叶片前缘冷却，本发明根据叶片前缘叶型曲率大的空间特点，充分利用了结构特征，使得双层壁冷却方法和旋流冷却方法首次同时应用于前缘冷却方法中，构建了曲面双层壁双旋流冷却结构，极大地提高了叶片前缘的冷却性能。本发明具有换热性能突出、换热分布均匀、前缘结构匹配度高、布置灵活的特点，可用于陆用燃气轮机和航空发动机透平叶片前缘的冷却中。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明设置于涡轮叶片中的结构示意图；

图3为本发明的结构的流线图；

图4为本发明进口喷嘴和U型连接管道优化的几何参数示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种高温涡轮叶片前缘的曲面双层壁双旋流冷却结构，如图1～3所示，包括涡轮叶片，涡轮叶片的前缘内部设有与其轮廓线条匹配的半圆柱型结构，半圆柱型结构的平面一侧朝向涡轮叶片的尾缘7，半圆柱型结构的平面与涡轮叶片内壁之间形成中弦区蛇形通道6，半圆柱型结构的圆弧面与前缘内壁之间形成外层冷却腔室2，半圆柱型结构上间隔开设有至少两个进口喷嘴1，使外层冷却腔室2与中弦区蛇形通道6连通，进口喷嘴1沿涡轮叶片的径向排列，半圆柱型结构内部沿其轴向开设有贯通的半圆形通槽，形成内层冷却腔室4，外层冷却腔室2包覆于内层冷却腔室4外部，形成与涡轮叶片前缘空间匹配的曲面双层壁冷却结构。内层冷却腔室4与外层冷却腔室2通过至少两个间隔设置的U型连接管道3连通。半圆柱型结构的平面上设有与内层冷却腔室4连通的出口5。

外层冷却腔室2为半圆环形柱体结构，进口喷嘴1设于外层冷却腔室2一端口处，冷却工质通过进口喷嘴1切向射入形成切向旋流流动。U型连接管道3一端与外层冷却腔室2的另一端口处垂直连通，另一端与与内层冷却腔室4一侧边沿垂直连通，冷却工质切向射入内层冷却腔室4形成内层旋流冷却。进口喷嘴1截面为矩形，进口喷嘴1宽度与外层冷却腔室2厚度一致。进口喷嘴1与U型连接管道3数量相等，进口喷嘴1与U型连接管道3在半圆柱型结构的平面一侧一一交错排列，U型连接管道3的数量为2～8个。

进口喷嘴1和外层冷却腔室2连接，外层冷却腔室2通过U型连接管道3和内层冷却腔室4连接。冷气通过进口喷嘴1切向射入进外层冷却腔室2，沿着腔室周向流动形成贴壁旋流冷却，一次冷却后冷气沿着U型连接管道3切向射入进内层冷却腔室4，在内层冷却腔室4中形成大尺度的二次旋流冷却，冷却后从出口5流出。本发明的双层壁双旋流冷却结构融合了双层壁冷却和旋流冷却的特点，在大曲率前缘结构中形成了含有两次旋流冷却的双层壁冷却方法，极大增强了涡轮叶片前缘区域的冷却效果。

本发明的原理：

为了验证该新型冷却结构的优点，优化尺寸参数，本发明采用了CFD模拟仿真的方式。参见图3，本发明提出的新型曲面双层壁冷却结构首先在外层腔室中形成切向速度很大的贴壁旋流流动，此时进口冷气温度最低，并且高速冲刷热边界层，从而外层壁面换热系数很高，有效降低了叶片表面的温度。此外，进口喷嘴1的分布特点在于：(1)喷嘴长度方向与叶片径向方向一致；(2)喷嘴在叶片径向方向有若干个。这种喷嘴的布置方式可以有效提升叶片表面温度分布均匀性，从而降低叶片热应力，提升整体的冷却性能。冷气在外层腔室2中冷却完毕后直接进入U型连接管道3，U型连接管道3呈现以下特点：(1)与进口喷嘴1呈现交错排列的方式：冷却气体在外层腔室2中可以更好的流过整个空间，从而进一步提升叶片表面温度分布的均匀性；(2)U型管道3的进出口均以长方体结构连接：这种结构一方面有利于减少整体腔室的流动阻力，另一方面可以在内层腔室中形成大尺度的二次旋流流动。随后，冷却气体从U型连接管道3切向射入内层冷却腔室中，并形成了大尺度的内层旋流流动，这个旋流流动区别于外层旋流流动，内层旋流流动在整个内层冷却腔室4中首先贴壁流动，随后流向中心并在径向方向上向出口流入，宏观上形成螺旋流动。在内层旋流流动中，靠近壁面的流体速度最高，越靠近腔室中心速度越低，这也有利于提升近壁面附近的换热系数，降低叶片内层表面温度。此外，径向方向多个U型连接管道3也有利于提升内层表面温度分布均匀性。

为了定量比较冷却结构的流动换热性能，定义总压损失系数η、无量纲阻力系数f、努塞尔数Nu和综合换热因子来衡量冷却结构的压力损失、流动阻力、换热强度和综合换热能力：

η＝(P_ti-P_to)/P_ti

其中：P_ti为进口总压；P_to为出口总压；ΔP为进口压力与当地压力的差值；D为冷却腔水力直径；ρ为冷气密度；U为轴向平均速度；L为冷却腔轴向长度；q_w为热流密度；λ为导热系数；T为冷却气温度；T_w为靶面温度；Nu_∞和f_g为同样的气动和几何条件下圆管中无旋流充分发展流动的努塞尔数和阻力系数；f_∞为全局阻力系数。

表1给出了曲面双层壁双旋流冷却结构的流动传热特性与主流的曲面冲击冷却、双层壁冲击冷却的对比结果，可以看到双层壁双旋流冷却的总压损失系数最高，但是内、外层换热靶面的平均努赛尔系数远大于其它两种工况，是冲击冷却的3.3倍，双层壁冲击冷却的2.1倍。在阻力系数方面，双层壁双旋流冷却比冲击冷却小，但是高于双层壁冲击冷却。以冲击冷却为基准，双层壁双旋流冷却的综合换热因子是冲击冷却的5.589倍，是双层壁冲击冷却的1.06倍。从这些对比可以看出，双层壁双旋流冷却在流动阻力和换热系数方面远大于传统的冲击冷却，极大地提升了叶片前缘的换热性能。

表1三种冷却结构流动传热特性对比

进一步，针对本发明提出的曲面双层壁双旋流冷却结构进行优化。参见图4，进口喷嘴1和U型连接管道3的几何参数对整个冷却结构的流动和换热特性有着重要影响，因此，在保证两者交错排列的相对位置不变的情况下，对进口喷嘴1的径向分布均匀性、数量和长宽比进行了优化。径向分布均匀性AU定义为：AU＝c/c₀，其中c为进口喷嘴1与U型连接管道3在径向的距离，c₀为两者在径向均匀分布的情况下的距离。喷嘴数量用N表示。喷嘴长宽比AR定义为AR＝a/b，a为喷嘴径向的长度，b为喷嘴的的宽度。

表2-表4给出了优化结果，结果表明喷嘴和U型连接管道在径向均匀分布时(AU＝1)具有最好的流动和传热性能，综合换热因子是喷嘴最紧凑分布(AU＝0)的1.053倍，表明喷嘴和U型连接管道在径向均匀分布是最优的。在喷嘴数量方面，喷嘴数量N＝3时具有最优的流动和换热性能，是N＝2的1.69倍。这显示对于本专利提出的结构，冷却性能与喷嘴数量不是呈现正相关的关系，存在峰值。在喷嘴长宽比方面，AR＝4的综合冷却性能最好，这也说明合理的长宽比对于提升整体冷却性能有着重要影响。

综上所述，对于本专利提出的针对涡轮叶片前缘的新型曲面双层壁双旋流冷却结构，喷嘴径向均匀分布、3个喷嘴数量和长宽比为4时具有最优的冷却性能。

表2进口喷嘴1径向分布均匀性的影响

表3进口喷嘴1数量的影响

表4进口喷嘴1长宽比的影响

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高温涡轮叶片前缘的曲面双层壁双旋流冷却结构，包括涡轮叶片，其特征在于：涡轮叶片的前缘内部设有与其轮廓线条匹配的半圆柱型结构，半圆柱型结构的平面一侧朝向涡轮叶片的尾缘(7)，半圆柱型结构的圆弧面与前缘内壁之间形成外层冷却腔室(2)，半圆柱型结构内部沿其轴向开设有贯通的半圆形通槽，形成内层冷却腔室(4)，内层冷却腔室(4)与外层冷却腔室(2)通过至少两个间隔设置的U型连接管道(3)连通。

2.根据权利要求1所述的一种高温涡轮叶片前缘的曲面双层壁双旋流冷却结构，其特征在于：半圆柱型结构的平面与涡轮叶片内壁之间形成中弦区蛇形通道(6)，半圆柱型结构上间隔开设有至少两个进口喷嘴(1)，使外层冷却腔室(2)与中弦区蛇形通道(6)连通，进口喷嘴(1)沿涡轮叶片的径向排列。

3.根据权利要求2所述的一种高温涡轮叶片前缘的曲面双层壁双旋流冷却结构，其特征在于：外层冷却腔室(2)为半圆环形柱体结构，进口喷嘴(1)设于外层冷却腔室(2)一端口处，冷却工质通过进口喷嘴(1)切向射入形成切向旋流流动。

4.根据权利要求3所述的一种高温涡轮叶片前缘的曲面双层壁双旋流冷却结构，其特征在于：U型连接管道(3)一端与外层冷却腔室(2)的另一端口处垂直连通，另一端与与内层冷却腔室(4)一侧边沿垂直连通，冷却工质切向射入内层冷却腔室(4)形成内层旋流冷却。

5.根据权利要求3所述的一种高温涡轮叶片前缘的曲面双层壁双旋流冷却结构，进口喷嘴(1)截面为矩形，进口喷嘴(1)宽度与外层冷却腔室(2)厚度一致。

6.根据权利要求2所述的一种高温涡轮叶片前缘的曲面双层壁双旋流冷却结构，其特征在于：进口喷嘴(1)与U型连接管道(3)数量相等，进口喷嘴(1)与U型连接管道(3)在半圆柱型结构的平面一侧一一交错排列。

7.根据权利要求1所述的一种高温涡轮叶片前缘的曲面双层壁双旋流冷却结构，其特征在于：外层冷却腔室(2)包覆于内层冷却腔室(4)外部，形成与涡轮叶片前缘空间匹配的曲面双层壁冷却结构。

8.根据权利要求1所述的一种高温涡轮叶片前缘的曲面双层壁双旋流冷却结构，其特征在于：半圆柱型结构的平面上设有与内层冷却腔室(4)连通的出口(5)。

9.根据权利要求1所述的一种高温涡轮叶片前缘的曲面双层壁双旋流冷却结构，其特征在于：U型连接管道(3)的数量为2～8个。

Images