CN203796330U - 一种叉排式双层层板冷却结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种叉排式双层层板冷却结构，涉及燃气轮机冷却技术，用于燃气透平叶片冷却，通过优化主流和层板间的匹配关系，提出了一种新型的冲击孔、扰流肋和气膜孔叉排方式，一个冷却单元有两个气膜孔、八个扰流肋和两个冲击孔构成，气膜孔、扰流柱和冲击孔各自均呈叉排方式排列；沿流向和展向气膜孔、扰流柱和冲击孔均呈交替方式出现。本实用新型的双层层板冷却结构，其新型叉排方式的优点是：气膜孔沿展向的间距是常规排列方式的显著缩小了气膜孔的横向间距，增大了气膜覆盖面积，大大提高了叶片综合冷却效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及燃气轮机技术领域，是一种新型的叉排式双层层板冷却结构，用于燃气透平叶片冷却，可以提高燃气透平叶片的冷却效率。
背景技术
目前燃气透平常采用复杂多通道强迫对流加气膜冷却的复合冷却方式，可使叶片金属平均温度降低500-700K，冷却效率为0.5-0.6。未来燃气轮机的透平进口温度将达到1973K，为了满足未来燃气轮机透平进口温度进一步提高的要求，需采用冷却技术使叶片能降温700-900K，冷却效率大于0.7。如图1所示，几种常见的叶片冷却方式中，相对于传统的气膜冷却方式、对流/气膜冷却方式，在相同的冷气量下层板冷却方式具有明显提高的冷却效率。如果继续采用对流/气膜复合冷却方式，冷气消耗量将会急剧增加，冷气用量的增加将会降低燃气轮机的性能，这与高效燃气轮机的设计要求是相违背的，因此目前亟需发展冷却效率更高、冷气用量更少的新型透平冷却技术。
层板冷却就是近年来发展起来的一种新型冷却方式。层板冷却集冲击、对流和气膜冷却于一体，具有冷气消耗量小，冷却效率高的特点，是一种很有发展潜力的透平叶片冷却方式。透平叶片双层层板冷却结构如图2（a）所示，其冷却效果主要取决于层板中冲击孔、扰流肋和气膜孔的排列方式。常规的叉排式层板冷却结构因为具有良好的内部对流冷却效果被广泛认可。图1（b）为目前常见的叉排方式，一个冷却单元有一个气膜孔1、四个扰流肋3和一个冲击孔2构成，当冷气从冲击孔2进入层板间再从气膜孔1流出时，扰流肋3形成障碍并迫使气流绕过，增强了对流冷却效果。在常规叉排层板结构中，由于气膜孔的横向间距较大，使得气膜不能完全覆盖外表面，限制了气膜冷却的作用空间，阻碍了叉排式层板结构冷却效果的进一步提升。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种新型叉排式层板冷却结构，该结构以常规叉排式层板为基础，在保证叉排层板内部对流冷却性能基础上，通过优化层板与主流的匹配关系，提高冷气出流时的气膜覆盖面积，进一步提高叉排式层板结构的冷却效率。新型层板结构的加工制造难度和常规层板结构一致。为达到上述目的，本实用新型的技术解决方案是：
一种叉排式双层层板冷却结构，用于燃气涡轮叶片冷却，包括带气膜孔的外侧板、带冲击孔的内侧板和位于中间的扰流肋，其特征在于：所述冷却结构包括多个冷却单元，每个冷却单元包括2个冲击孔、8个扰流柱和2个气膜孔；所述气膜孔、扰流柱和冲击孔各自均呈叉排方式排列；沿流向和展向气膜孔、扰流柱和冲击孔均交替排列。
优选地，所述气膜孔和冲击孔均为圆形，所述扰流柱为圆柱形或菱形。
优选地，所述扰流柱的水利直径是气膜孔直径的1.0-1.5倍。
优选地，所述冲击孔直径是气膜孔直径的0.7-1.3倍。
本实用新型的叉排式双层层板冷却结构，有别于目前已知的叉排式层板冷却结构，该孔型优点如下：一是气膜孔的横向间距缩小为常规层板中的使得气膜覆盖面积更为宽广；二是气膜孔的流向间距增大为常规层板中的倍，使得气膜的扩张更为充分。
附图说明
图1为各种冷却方式的冷却效率随吹风比的变化示意图；
图2（a）为涡轮层板冷却叶片示意图，图2（b）为常规层板冷却单元及其排列方式示意图；
图3（a）为本实用新型的叉排式双层层板冷却结构示意图，图3（b）为本实用新型层板冷却单元及其排列方式示意图；
图4为本实用新型的新型层板与常规层板结构的对比示意图，其中：（a）为常规层板结构的冷却单元示意图，（b）为本实用新型的新型层板结构的冷却单元示意图；
图5为本实用新型的新型层板与常规层板结构在吹风比为1.0时的气膜流线分布比较，其中：（a）为常规层板结构的气膜流线分布，（b）为本实用新型的新型层板结构的气膜流线分布；
图6为本实用新型的新型层板与常规层板结构的冷却效率随吹风比的变化特性比较。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型进一步详细说明。
本实用新型的叉排式双层层板冷却结构如图3所示，包括有带气膜孔1的外侧板、带冲击孔2的内侧板和中间的扰流肋3，d为相邻两个气膜孔1沿展向的间距，其中冲击孔2、气膜孔1和扰流肋4处在同一直线上，并相互不重叠时称为叉排排列。常规叉排结构单元由一个冲击孔、四个扰流肋和一个气膜孔组成。本实用新型的新型叉排结构单元由两个冲击孔2、八个扰流柱3和两个气膜孔1组成，气膜孔1、扰流柱3和冲击孔2各自均呈叉排方式排列；沿流向和展向气膜孔1、扰流柱3和冲击孔2均交替排列。
本实用新型的新型叉排式双层层板冷却结构和常规层板冷却结构的不同，图4示出了本实用新型的新型层板与常规层板结构的对比示意图，二者的差别主要体现在以下三个方面：
1）新型排列方式中，冲击孔2和气膜孔1沿流向成交替出现；
2）新型排列方式中，相邻两个气膜孔1沿展向的间距d缩小为常规排列方式的倍，气膜孔沿流向的间距增加为常规排列方式的倍。
3）采用冷却效率随吹风比的变化来描述层板冷却能力，冷却效率(η)和吹风比(Bowing Ratio，BR)定义如下：
其中Tg为主流温度，Tw，g为壁面温度，Tc为冷气温度。
其中ρgvg为燃气的动量，ρcvc为冷气的动量。
在相同的吹风比和开孔率条件下，取同样长度（常规叉排结构取7个周期，新型叉排结构取5个周期）的两种层板结构计算其冷却性能。吹风比为0.99时的冷却效率，本实用新型的新层板结构中气膜孔下游的冷却效率要明显高于常规结构，总体上的平均冷效也要高于常规层板。图5对比了气膜出流部分流线，可以看出相邻两股气膜的展向间距b2<b1，这说明新型结构的气膜覆盖面积要大于常规结构；此外气膜高度a2<a1，这说明新型结构的气膜附着的更好。
在相同开孔率条件下，可以通过冷却效率随吹风比的变化特性衡量层板结构的冷却性能。图6给出了两种结构下冷效随吹风比的变化关系。在计算范围0.35<Br<1.2范围内，新型结构的冷效要高于常规结构。这说明新型层板结构具有更优的冷却性能。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的范围之内。
Claims (4)
1.一种叉排式双层层板冷却结构，用于燃气涡轮叶片冷却，包括带气膜孔的外侧板、带冲击孔的内侧板和位于中间的扰流肋，其特征在于：所述冷却结构包括多个冷却单元，每个冷却单元包括2个冲击孔、8个扰流柱和2个气膜孔；所述气膜孔、扰流柱和冲击孔各自均呈叉排方式排列；沿流向和展向气膜孔、扰流柱和冲击孔均交替排列。
2.根据权利要求1所述的层板冷却结构，其特征在于：所述气膜孔和冲击孔均为圆形，所述扰流柱为圆柱形或菱形。
3.根据权利要求1所述的层板冷却结构，其特征在于：所述扰流柱的水利直径是气膜孔直径的1.0-1.5倍。
4.根据权利要求1至3任一项所述的层板冷却结构，其特征在于：所述冲击孔直径是气膜孔直径的0.7-1.3倍。
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