CN211008773U - 一种透平动叶内部冷却结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种透平动叶内部冷却结构，包括U型通道和梯形通道；U型通道包括一体化成型的U型通道进口段，U型通道出口段，以及U型通道顶部转弯区，U型通道进口段和U型通道出口段之间还通过若干连接桥连通，U型通道出口段和梯形通道之间通过若干射流孔连通；U型通道底面布置有若干椭圆球窝，梯形通道中布置有若干翅片；工作时，冷却工质首先进入U型通道进口段，与通道表面进行换热，然后通过U型通道顶部转弯区和连接桥流入U型通道出口段，冷却工质在与U型通道壁面完成换热后通过射流孔喷射进入梯形通道，在与梯形通道壁面进行换热后侧向排出。本实用新型通过多结构的耦合实现了高传热、低阻力、高适应性等优势。

Description

一种透平动叶内部冷却结构

技术领域

本实用新型属于透平冷却技术领域，特别涉及一种透平动叶内部冷却结构。

背景技术

航空发动机和重型燃气轮机的发展水平是一个国家工业实力的重要体现，其设计制造过程涉及到大量关键技术，具有显著的多学科交叉融合特征，是一项庞大的系统工程，因此各世界大国都将“两机”的发展上升到国家战略的高度来推行。

提高燃烧室燃气温度是提升航空发动机和重型燃气轮机功率和效率的重要方式，因此燃气轮机是伴随着透平前燃气温度的上升而不断发展的。燃机运行时，透平叶片直接与高温燃气接触，叶片前缘受到燃气的冲击作用，压力面和吸力面在流动分离、再附等复杂流态下表现出特殊的热负荷分布特征，叶顶和端壁等区域还受到二次流的影响，因此叶片工作条件极为恶劣，同时由于叶片材料的发展严重滞后于燃气温度的提升，目前先进燃机的燃气温度已经远远超过叶片材料的熔点，因此发展高效的叶片冷却技术对于保证透平乃至整个燃机的安全稳定运行至关重要。

在进行透平叶片冷却时，通常从压气机中抽取“冷气”，经空气系统输送至透平叶片内部进行流动换热，然后从叶片表面的气膜孔及尾缘劈缝排入主流燃气，因此透平叶片的冷却是以工质做功能力的损失为代价的，以最少的冷却空气实现最高的冷却效率是透平冷却设计的重要目标，这就要求相关研究人员和设计者在透平叶片内部冷却设计中不断提高冷却结构的传热性能。同时，由于透平叶片具有特殊的形状，内部冷却结构的设计必须与叶片外形相匹配，且动叶旋转效应会显著影响内部传热性能，这给透平动叶内部冷却结构设计带来了巨大的挑战。

针对透平叶片内部冷却，目前相关研究人员和设计者已经提出了大量的冷却结构，但大多数冷却结构均是基于独立的冷却单元来设计的，未考虑不同冷却单元间的相互作用以及与旋转等关键因素的匹配性能，此外，为了适应新一代燃机的发展，还需要进一步提高内部冷却通道的强化传热能力。基于上述现状，迫切需要发展具有更高冷却性能和更优适应性的透平动叶内部冷却结构。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供了一种透平动叶内部冷却结构，该结构的设计充分考虑了动叶旋转效应，采用V型布置的椭圆球窝阵列，通过二次流结构的耦合显著增强了旋转传热能力，同时在U型通道中引入圆弧连接桥结构以降低阻力损失，还通过冲击孔将冷却工质射入尾缘梯形通道中进一步强化传热性能，通过多结构的耦合实现了高传热、低阻力、高适应性等优势。

本实用新型采用如下技术方案来实现的：

一种透平动叶内部冷却结构，包括U型通道和梯形通道；其中，U型通道包括一体化成型的U型通道进口段，U型通道出口段，以及连通U型通道进口段和U型通道出口段的U型通道顶部转弯区，U型通道进口段和U型通道出口段之间还通过若干连接桥连通，U型通道出口段和梯形通道之间通过若干射流孔连通；U型通道底面布置有若干椭圆球窝，梯形通道中布置有若干翅片；

工作时，冷却工质首先进入U型通道进口段，与通道表面进行换热，然后通过U型通道顶部转弯区和连接桥流入U型通道出口段，冷却工质在与U型通道壁面完成换热后通过射流孔喷射进入梯形通道，在与梯形通道壁面进行换热后侧向排出。

本实用新型进一步的改进在于，椭圆球窝以V型布置方式均匀布置在U型通道进口段和U型通道出口段的底面。

本实用新型进一步的改进在于，椭圆球窝的长轴与通道壁面的夹角在10～80°范围内。

本实用新型进一步的改进在于，U型通道的连接桥为圆弧状结构，并沿U型通道径向均匀布置。

本实用新型进一步的改进在于，连接桥在U型通道进口段和U型通道出口段处的切线与通道壁面的夹角在0～90°范围内。

本实用新型进一步的改进在于，射流孔布置在U型通道出口段的侧壁，且沿径向均匀布置。

本实用新型进一步的改进在于，射流孔形状为圆形、椭圆形、方形中菱形中的一种或多种的组合形式。

本实用新型进一步的改进在于，翅片以贯穿或截断方式布置在梯形通道中，或者为顺排或错排布置，或者为垂直或倾斜布置。

本实用新型进一步的改进在于，翅片形状为圆形、椭圆形、方形和菱形中的一种或多种的组合形式。

本实用新型进一步的改进在于，射流孔出口正对第一排翅片，以获得较好的冲击冷却性能。

本实用新型至少具有如下有益的技术效果：

本实用新型提供的一种透平动叶内部冷却结构，采用叶片中弦区域U型通道和叶片尾缘区域梯形通道相结合的方式，冷却工质在U型通道完成换热后继续进入梯形通道发挥冷却作用，充分利用了工质的冷却潜力，并考虑了U型通道和梯形通道的耦合效应，最终实现透平动叶的内部高效冷却；

进一步，椭圆球窝具有高传热、低阻力的冷却性能优势，在实现强化传热的同时仅产生较小的阻力损失，同时还增大了传热面积，本实用新型提出了椭圆球窝的V型布置方式，该布置方式主要依据动叶旋转效应在U型通道中引发的二次流结构，通过椭圆球窝二次流与旋转二次流的耦合来提高横向二次流强度，以进一步增强传热性能；

进一步，连接桥的引入可使冷却工质分布式地流入U型通道出口段，缓解了工质在U型通道顶部转弯区的聚集挤压现象，因此可以显著减小通道内的流动阻力损失，此外该结构也增大了传热面积，能够提升传热效果；

进一步，在U型通道中完成换热的冷却工质通过射流孔冲击至梯形通道的第一排翅片表面，能够获得显著的冲击强化传热性能，然后通过圆柱绕流增强流体扰动，提高尾缘梯形通道的冷却性能。

由上述内容可知，本实用新型提供的一种透平动叶内部冷却结构，通过射流孔实现了动叶中弦区域U型通道和尾缘区域梯形通道的冷却耦合，采用V型布置的椭圆球窝结构增强了旋转引发的横向二次流，并结合U型通道连接桥实现了高传热、低流阻的冷却性能优势，具有优良的综合冷却性能。

附图说明

图1是透平动叶内部冷却结构整体三维图；

图2是透平动叶内部冷却结构底视图；

图3是U型通道中椭圆球窝和连接桥的布置方式示意图；

图4是透平动叶内部冷却结构侧视图及横向二次流示意图；

附图标记说明：

1为U型通道，2为U型通道进口段，3为U型通道出口段，4为梯形通道，5为U型通道顶部转弯区，6为连接桥，7为射流孔，8为椭圆球窝，9为翅片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

参照图1和图2，一种透平动叶内部冷却结构，主要包括U型通道1和梯形通道4，U型通道1的U型通道进口段2和U型通道出口段3通过U型通道顶部转弯区5和若干连接桥6连通，U型通道出口段3和梯形通道4通过若干射流孔7连通。U型通道1底面布置了若干椭圆球窝8结构，梯形通道4中布置了若干翅片9结构。

射流孔7布置在U型通道出口段3的侧壁，且沿径向均匀布置，射流孔7形状可以为圆形、椭圆形、方形、菱形，或多种基本形状的组合形式；翅片9以贯穿或截断方式布置在梯形通道4中，可以为顺排或错排布置，可以为垂直或倾斜布置，翅片9形状可以为圆形、椭圆形、方形、菱形，或多种基本形状的组合形式。射流孔7出口正对第一排翅片9，以获得较好的冲击冷却性能。

冷却工质首先进入U型通道进口段2，与通道表面进行换热，然后通过U型通道顶部转弯区5和连接桥6流入U型通道出口段3，冷却工质在与U型通道1壁面完成换热后通过射流孔7喷射进入梯形通道4，在与梯形通道4壁面进行换热后侧向排出。

参照图2和图3，椭圆球窝8以V型布置方式均匀布置在U型通道进口段2和U型通道出口段3的底面，椭圆球窝8的长轴与通道壁面的夹角在10～80°范围内为佳。U型通道1的连接桥6为圆弧状结构，并沿U型通道1径向均匀布置，连接桥6在U型通道进口段2和U型通道出口段3处的切线与通道壁面的夹角在0～90°范围内为佳。

参照图4，U型通道1中由旋转作用产生的横向二次流结构在U型通道进口段2表现为：从前缘面流向后缘面，在U型通道出口段3表现为：从后缘面流向前缘面。针对上述特点设计了V型布置的椭圆球窝8结构，使得椭圆球窝8产生了与旋转作用相同的横向二次流结构，两者的叠加增强了横向二次流强度，由此强化了通道的传热性能，获得更好的冷却效果。

Claims (10)

1.一种透平动叶内部冷却结构，其特征在于，包括U型通道(1)和梯形通道(4)；其中，

U型通道(1)包括一体化成型的U型通道进口段(2)，U型通道出口段(3)，以及连通U型通道进口段(2)和U型通道出口段(3)的U型通道顶部转弯区(5)，U型通道进口段(2)和U型通道出口段(3)之间还通过若干连接桥(6)连通，U型通道出口段(3)和梯形通道(4)之间通过若干射流孔(7)连通；U型通道(1)底面布置有若干椭圆球窝(8)，梯形通道(4)中布置有若干翅片(9)。

2.根据权利要求1所述的一种透平动叶内部冷却结构，其特征在于，椭圆球窝(8)以V型布置方式均匀布置在U型通道进口段(2)和U型通道出口段(3)的底面。

3.根据权利要求1所述的一种透平动叶内部冷却结构，其特征在于，椭圆球窝(8)的长轴与通道壁面的夹角在10～80°范围内。

4.根据权利要求1所述的一种透平动叶内部冷却结构，其特征在于，U型通道(1)的连接桥(6)为圆弧状结构，并沿U型通道(1)径向均匀布置。

5.根据权利要求1所述的一种透平动叶内部冷却结构，其特征在于，连接桥(6)在U型通道进口段(2)和U型通道出口段(3)处的切线与通道壁面的夹角在0～90°范围内。

6.根据权利要求1所述的一种透平动叶内部冷却结构，其特征在于，射流孔(7)布置在U型通道出口段(3)的侧壁，且沿径向均匀布置。

7.根据权利要求1所述的一种透平动叶内部冷却结构，其特征在于，射流孔(7)形状为圆形、椭圆形、方形中菱形中的一种或多种的组合形式。

8.根据权利要求1所述的一种透平动叶内部冷却结构，其特征在于，翅片(9)以贯穿或截断方式布置在梯形通道(4)中，或者为顺排或错排布置，或者为垂直或倾斜布置。

9.根据权利要求1所述的一种透平动叶内部冷却结构，其特征在于，翅片(9)形状为圆形、椭圆形、方形和菱形中的一种或多种的组合形式。

10.根据权利要求1所述的一种透平动叶内部冷却结构，其特征在于，射流孔(7)出口正对第一排翅片(9)，以获得较好的冲击冷却性能。

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