CN117514365A - 一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明属于涡轮叶片冷却相关技术领域，并公开了一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片。该涡轮叶片中内冷通道被分为从前缘面到后缘面的三个平行内冷子通道，该三个内冷子通道分为两个初级子通道和一个次级子通道。其中，前缘侧初级子通道的构成面之一为所述旋转涡轮叶片的前缘面，后缘侧初级子通道的构成面之一为所述旋转涡轮叶片的后缘面，次级子通道位于内冷通道中心，即两个所述初级子通道之间，其构成面不包含涡轮叶片的前缘面和后缘面。本发明可强化内冷通道中的辐射换热，并为内冷通道流量调控提供必要条件，从而提高内冷通道壁面换热均匀性和温度均匀性，强化整体冷却性能。
Description
技术领域
本发明属于涡轮叶片冷却相关技术领域，更具体地，涉及一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片。
背景技术
涡轮作为燃气轮机和航空发动机的关键部件之一，工业应用极为广泛。由于重型燃气轮机尺寸较大、工作温度相对较低，本发明主要针对航空发动机的涡轮叶片展开。为提高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，研究表明，涡轮前进口温度每提高56K，航空发动机的推力可提高约8～13％，循环效率可提高2～4％。目前主流航空发动机涡轮前温度已超过2000K并将持续提高，已突破材料的耐高温极限。
为提高涡轮叶片工作可靠性及使用寿命，发展先进的冷却技术，进一步强化叶片冷却性能极为重要。当前的叶片冷却技术主要可分为内部冷却、外部冷却和热障涂层材料三类。其中，内部冷却是涡轮叶片冷却技术中最先应用也是采用较多的一类，主要依靠在叶片内冷通道中增设扰流结构来增强流体扰动，强化对流换热。
现有涡轮叶片冷却技术虽可在一定程度上提高冷却性能，但仍明显存在以下不足：
(1)当前提高冷却性能的途径绝大多数为强化对流换热，未对辐射换热进行充分利用。由于涡轮叶片长期承受极高的热载荷，辐射对于换热过程的影响不可忽略。
(2)常规内冷通道为单层通道形式，受通道结构的影响，无法针对前后缘面间换热差距对通道流量进行调控。
(3)由于涡轮叶片运行于高速旋转工况下，旋转引起的科氏力使得内冷通道内冷却工质形成二次流，导致冷却工质整体明显向后缘面偏移，使得冷却工质与后缘面间的对流换热增强，与前缘面间的对流换热减弱，从而导致前后缘面间冷却性能存在明显差距；同时，同一壁面上也存在明显换热不均匀。从而使得内冷通道壁面温度分布不均匀并产生较大的热应力。现有冷却技术虽可在一定程度上改善该问题，但换热不均匀现象仍明显存在。
因此，如何实现辐射换热的有效利用，并对内冷通道内流量调控，从而提高换热均匀性和温度均匀性、降低温度梯度造成的热应力，强化叶片内冷通道冷却性能，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，本发明提供了一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片，以解决涡轮叶片内冷通道壁面换热能力不足、换热不均匀和温度不均匀的问题，强化叶片内冷通道的整体冷却性能。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片，该涡轮叶片中内冷通道被分为从前缘面到后缘面的三个平行内冷子通道，该三个内冷子通道分为两个初级子通道和一个次级子通道。其中，所述初级子通道包括前缘侧初级子通道和后缘侧初级子通道，所述前缘侧初级子通道的构成面之一为所述旋转涡轮叶片的前缘面，所述后缘侧初级子通道的构成面之一为所述旋转涡轮叶片的后缘面，所述次级子通道位于所述旋转涡轮叶片的内冷通道中心，即两个所述初级子通道之间，其构成面不包含涡轮叶片的前缘面和后缘面。
进一步优选地，所述前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的流量按需调控。各子通道的流量比满足下列条件：
其中，分别为前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的冷却工质流量，/>为两级内冷通道中冷却工质的总流量。
进一步优选地，所述前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的高度满足下列关系：
其中，h前、h后、h中分别为前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的高度，h总为两级内冷通道的总高度。
进一步优选地，所述前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的壁面上设置有扰流肋。
进一步优选地，所述扰流肋的形式为W型。
进一步优选地，所述前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的肋间距可调节，所述扰流肋之间的间距满足下列关系：
其中，p前、p后、p中分别为前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的肋间距。
进一步优选地，所述两个初级子通道与次级子通道间壁的厚度满足下列关系：
0.25mm≤t≤1mm
其中，t为两个初级子通道与次级子通道间壁的厚度。
进一步优选地，所述前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的壁面采用耐高温材料并进行表面处理以提高发射率。
按照本发明的另一个方法，提供了上述所述方法的应用方法，所述初级子通道与所述旋转涡轮叶片的前缘面、后缘面以及初级子通道与次级子通道的间壁进行对流换热，并通过间壁提供的冷表面与前/后缘面进行辐射换热。中间的所述次级子通道中冷却工质的对流换热降低初级子通道与次级子通道的间壁温度，从而使两侧的初级子通道为前缘面和后缘面的冷却提供辐射换热的冷表面，由此可以强化初级子通道的辐射换热。
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，具备下列有益效果：
1.本发明通过将旋转涡轮叶片的内冷通道设计成两级通道形式，两侧初级子通道通过对流换热对初级子通道与次级子通道的间壁进行冷却；同时，由于次级子通道的构成面不包含涡轮叶片的前缘面和后缘面，间壁不受外部热载荷直接作用，而内冷通道中部核心区域的冷却工质温度较低，中间的次级子通道中冷却工质的对流换热可以充分降低间壁温度，从而使两侧的初级子通道为前缘面和后缘面的冷却提供辐射换热的冷表面，由此可以强化初级子通道的辐射换热，尤其是间壁布置W型扰流肋后，所构建冷区内的对流换热得到强化，从而充分强化初级子通道的辐射换热；
2.本发明为内冷通道流量按需调控提供必要条件，一方面可通过调节各子通道的高度或者肋片形式、肋间距来调节各子通道阻力，继而实现相应子通道流量的调节，另一方面，也可以通过在各子通道分别设置节流元件进行流量调节，以充分强化对流换热和辐射换热；
3.本发明利用对流-辐射耦合强化换热，一方面通过设置位于内冷通道中心的次级子通道来保证为两侧的初级子通道提供大面积冷表面以充分强化初级子通道的辐射换热，另一方面按需调控内冷通道流量来强化对流换热、减小前后缘面间换热差距，从而提高内冷通道壁面的换热均匀性和温度均匀性，强化叶片内冷通道的整体冷却性能；
4.本发明与现有涡轮叶片冷却技术相比，可对叶片内冷通道中的不同换热形式进行充分利用，同时不会对结构强度产生不利影响，实现通道壁面的换热均匀性和温度均匀性的有效提高，降低温度梯度造成的热应力，强化叶片内冷通道的整体冷却性能。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的两级内冷通道整体结构示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的两级内冷通道中换热示意图；
图3是未按照本发明的常规单层内冷通道内二次流示意图(径向外流)；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的两级内冷通道内二次流示意图(径向外流)；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的两级内冷通道中可调整结构参数示意图；
图6是未按照本发明的常规未考虑表面辐射的单层内冷通道(Model1)、考虑表面辐射的单层内冷通道(Model 2)与考虑辐射且采用本发明的两级内冷通道(Model 3)的前后缘面温度对比图，其中，(a)是Model 1前缘面温度分布，(b)是Model 1后缘面温度分布，(c)是Model 2前缘面温度分布，(d)是Model 2后缘面温度分布，(e)是Model 3前缘面温度分布，(f)是Model 3后缘面温度分布；
图7是未按照本发明的常规未考虑表面辐射的单层内冷通道(Model1)、考虑表面辐射的单层内冷通道(Model 2)与考虑辐射且采用本发明的两级内冷通道(Model 3)的前后缘面Nusselt数比Nut/Nu0的对比图；
图8为Model 3前后缘面及通道平均Nusselt数比Nut/Nu0随旋转数Ro的变化。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-内冷通道，2-前缘面，3-后缘面，4A-前缘侧初级子通道与次级子通道的间壁，4B-后缘侧初级子通道与次级子通道的间壁，5-前缘侧初级子通道，6-后缘侧初级子通道，7-次级子通道，8-冷却工质，9-科氏力，10-二次流。
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。
请参阅图1及图2，本发明涉及一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片。
该涡轮叶片中内冷通道被分为从前缘面到后缘面的三个平行内冷子通道，该三个内冷子通道分为两个初级子通道和一个次级子通道。其中，所述初级子通道包括前缘侧初级子通道和后缘侧初级子通道，所述前缘侧初级子通道的构成面之一为所述旋转涡轮叶片的前缘面，所述后缘侧初级子通道的构成面之一为所述旋转涡轮叶片的后缘面，所述次级子通道位于内冷通道中心，即两个所述初级子通道之间，其构成面不包含涡轮叶片的前缘面和后缘面。
本发明原理及作用如下：
(1)初级子通道可通过对流换热、辐射换热对前/后缘面进行冷却。
两侧的初级子通道中，主要存在前缘面、后缘面和冷却工质间的对流换热、初级子通道与次级子通道的间壁和冷却工质间的对流换热、以及前缘面、后缘面和初级子通道与次级子通道的间壁间的辐射换热。因此，初级子通道可与前缘面、后缘面以及初级子通道与次级子通道的间壁进行对流换热，并可通过间壁提供的冷表面与前/后缘面进行辐射换热。
(2)次级子通道为初级子通道提供大面积冷表面，充分强化初级子通道的辐射换热。
所述具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片中，由于位于通道中心的初级子通道与次级子通道的间壁不受外部热载荷直接作用，与冷却工质进行对流换热可以充分降低初级子通道与次级子通道的间壁温度，从而使两侧的初级子通道为前缘面和后缘面的冷却提供辐射换热的冷表面，由此可以强化初级子通道的辐射换热。采用本发明后的通道内换热形式如图2所示。通道前、后缘面受到外部热流的加热作用，通道中主要存在前缘面、后缘面与冷却工质间的对流换热、初级子通道与次级子通道的间壁和冷却工质间的对流换热、以及前缘面、后缘面和初级子通道与次级子通道的间壁间的辐射换热。其中，初级子通道内的辐射换热作为换热过程的主要组成部分，通过强化辐射换热，可实现前缘面、后缘面之间以及同一壁面上换热均匀性和温度均匀性的有效提高，使整体冷却性能得到强化。
(3)为内冷通道流量调控提供必要条件。
涡轮叶片运行于高速旋转的工况下，旋转引起的科氏力使得通道内冷却工质形成二次流，径向外流时科氏力及形成的二次流方向如图3所示(径向内流时反向)。冷却工质整体明显向后缘面偏移，使得冷却工质与后缘面间的对流换热增强，与前缘面间的对流换热减弱，从而导致前后缘面间冷却性能存在明显差距。常规内冷通道为单层通道形式，受通道结构的影响，无法针对前后缘面间换热差距对通道流量进行调控。
采用本发明后，一方面，两级子通道在结构上有效抑制了原冷却工质直接从前缘面流向后缘面的流动趋势，使得冷却工质分别在前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道中流动，二次流的强度及分布发生明显变化，如图4所示。从而抑制了旋转产生的二次流的影响。同时各子通道壁面上的W型扰流肋可进一步增强通道内冷却工质的掺混使得内流场扰动的分布更为均匀，对流换热更为充分。
另一方面，为内冷通道流量按需调控提供必要条件。可通过调节前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的高度或者肋片形式、间距来调节各子通道阻力，继而实现相应子通道流量的调节；也可以通过在前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道分别设置节流元件进行流量调节。
1)针对径向外流时，常规内冷通道中冷却工质向后缘面偏移，后缘面换热性能明显高于前缘面的情况，未进行调节时受旋转引起的科氏力的影响，前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道内流量不一致。可增大后缘侧初级子通道的流动阻力(使之大于前缘侧初级子通道的流动阻力)，减少流入后缘侧初级子通道内冷却工质的流量，从而提高前缘面换热性能。对于次级子通道，调节相应子通道的流动阻力进而调节其流量，对初级子通道与次级子通道的间壁进行充分冷却，从而强化两个初级子通道的辐射换热。各子通道的流量比满
2)可调整前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的高度。各子通道高度可不相等。如图5所示，各子通道高度间同时满足不仅可调控冷却工质流入各子通道的流量比例，也可增强壁面扰流结构对子通道内冷却工质的扰流效果，从而强化整体冷却性能。
3)可改变前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道壁面扰流结构的设置方式，从而增大(减小)流动阻力，降低(提高)流入子通道冷却工质的流量。壁面采用W型扰流肋时，前缘侧初级子通道与后缘侧初级子通道壁面上的肋间距比例满足从而减小前缘侧初级子通道内的流阻，提高流入前缘侧初级子通道内的冷却工质流量。前缘侧初级子通道与次级子通道壁面上的肋间距比例满足/>进一步冷却初级子通道与次级子通道的间壁，从而强化两个初级子通道的辐射换热。改变各子通道壁面扰流结构的设置方式还可以改变相应子通道内冷却工质的流动状态，进而改变对流换热效果。
通过上述对流量的调控，可减小科氏力引起的前后缘面间换热差距，提高通道壁面的换热均匀性和温度均匀性，强化叶片内冷通道的整体冷却性能。
(4)两个初级子通道与次级子通道间壁的厚度t应远小于内冷通道外壁面或叶片结构厚度，可取为0.25mm≤t≤1mm，以保证结构强度的同时降低阻力造成的流动损失，从而提高应用方法的综合换热性能。
(5)应用方法中内冷通道采用耐高温材料并进行表面处理以提高发射率，提高表面辐射换热特性，从而强化两个初级子通道的辐射换热。
下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。
实施例1和实施例2选取结构为两级矩形内冷通道，各子通道高度满足h前＝h后＝h中。内冷通道壁面受外部热载荷作用，其中前后缘面及间壁布置有W型肋片以增强扰流作用，肋间距p前＝p后＝p中。冷却工质由入口流经通道对结构进行冷却，各子通道流量满足如图1所示。
除实施例所采用的结构外，可按照发明内容对结构进行改进，进一步提高换热均匀性及整体冷却性能。
实施例1
通过三维数值计算，对旋转工况下雷诺数Re为20000、旋转数Ro为0.3时，两级内冷通道的冷却性能进行模拟。为便于比较采用本发明应用方法后(Model 3)内冷通道换热均匀性和整体冷却性能的提高效果，分别对未考虑表面辐射的单层内冷通道(Model 1)、考虑表面辐射的单层内冷通道(Model 2)进行了计算。
图6、图7分别为Model 1、Model 2、Model 3三种情况下的前后缘面温度和Nusselt数比Nut/Nu0的比较。
可以看出，采用本发明应用方法的两级内冷通道时，通道前后缘面间的温度差距明显减小，且同一壁面上的温度均匀性也有所提高。此外，通道整体冷却性能均得到显著提高。采用本发明应用方法后(Model 3)内冷通道最高温度为860.53K，平均温度为772.53K，通道平均Nut/Nu0为4.04；而未考虑表面辐射的单层内冷通道(Model 1)，最高温度为1154.25K，平均温度为828.60K，通道平均Nut/Nu0为1.84。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25.45％和6.77％，通道平均Nut/Nu0提高了119.57％，且壁面温度均匀性有了显著提高。
实施例2
通过三维数值计算，对旋转工况下雷诺数Re为20000、旋转数Ro为0.075～0.375时，采用本发明应用方法后(Model 3)内冷通道的冷却性能进行模拟。
图8为前后缘面及通道平均Nusselt数比Nut/Nu0随旋转数Ro的变化。
可以看出，前后缘面Nut/Nu0随Ro的变化较为缓慢。在科氏力的影响下，当Ro从0.075提高到0.375时，前缘面Nut/Nu0降低了5.55％，后缘面Nut/Nu0升高了5.95％，而通道平均Nut/Nu0随Ro的变化略有波动，几乎不变。表明本发明的应用方法可以有效改善通道内流动特性，明显减小科氏力引起的前后缘面间换热差距，抑制旋转对换热均匀性的不利影响。
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 (9)
1.一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片，其特征在于，该涡轮叶片中内冷通道被分为从前缘面到后缘面的三个平行内冷子通道，该三个内冷子通道包括两个初级子通道和一个次级子通道，其中，所述初级子通道包括前缘侧初级子通道和后缘侧初级子通道，所述前缘侧初级子通道的构成面之一为所述旋转涡轮叶片的前缘面，所述后缘侧初级子通道的构成面之一为所述旋转涡轮叶片的后缘面，所述次级子通道位于所述旋转涡轮叶片的内冷通道中心，即两个所述初级子通道之间，其构成面不包含涡轮叶片的前缘面和后缘面。
2.如权利要求1所述的一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片，其特征在于，所述前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的流量按需调控，各子通道的流量比满足下列条件：
其中，分别为前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的冷却工质流量，/>为两级内冷通道中冷却工质的总流量。
3.如权利要求1所述的一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片，其特征在于，所述前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的高度满足下列关系：
其中，h前、h后、h中分别为前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的高度，h总为两级内冷通道的总高度。
4.如权利要求1所述的一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片，其特征在于，所述前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的壁面上设置有扰流肋。
5.如权利要求4所述的一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片，其特征在于，所述扰流肋的形式为W型。
6.如权利要求4所述的一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片，其特征在于，所述扰流肋之间的间距满足下列关系：
其中，p前、p后、p中分别为前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的肋间距。
7.如权利要求1所述的一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片，其特征在于，所述两个初级子通道与次级子通道间壁的厚度满足下列关系：
0.25mm≤t≤1mm
其中，t为两个初级子通道与次级子通道间壁的厚度。
8.如权利要求1所述的一种具有两级内冷通道的旋转涡轮叶片，其特征在于，所述前缘侧初级子通道、后缘侧初级子通道、次级子通道的壁面采用耐高温材料并进行表面处理以提高发射率。
9.一种权利要求1-8任一项所述的旋转涡轮叶片的应用方法，其特征在于，所述初级子通道与所述旋转涡轮叶片的前缘面、后缘面以及所述初级子通道与次级子通道的间壁进行对流换热，同时通过间壁提供的冷表面与前缘面、后缘面进行辐射换热；中间的所述次级子通道中冷却工质的对流换热降低初级子通道与次级子通道的间壁温度，从而使两侧的初级子通道为前缘面和后缘面的冷却提供辐射换热的冷表面，由此可以强化初级子通道的辐射换热。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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