CN211202061U - 一种用于涡轮叶片尾缘的新型扰流柱结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于涡轮叶片尾缘的新型扰流柱结构，该扰流柱为沙漏状菱形的柱体，扰流柱上、下端面为形状相同的菱形，中截面为比上、下端面小的菱形，扰流柱自上端面到中截面、中截面到下端面均为线性光滑过渡，上、下端面及中截面的长对称轴均平行，上述菱形四个顶点处均为圆弧端。所述扰流柱以叉排交错设置的方式分布于上下两壁之间，共同组成冷却通道。冷却气体通过冷却通道与扰流柱进行强化换热后流出通道。本实用新型用于涡轮叶片尾缘的新型扰流柱结构及其组合方式的优点在于加强换热能力的同时也能兼顾减少冷却气流的流动损失。

Description

一种用于涡轮叶片尾缘的新型扰流柱结构

技术领域

本实用新型涉及涡轮叶片冷却技术领域，尤其涉及一种用于涡轮叶片尾缘的新型扰流柱结构。

背景技术

研究表明，涡轮进口温度每提高55℃，燃气轮机功率和效率可提高10%。因此伴随着燃气轮机性能的不断提升，涡轮进口温度不断提升。为了使用燃气轮机涡轮的高温工作环境，合理引入冷却技术降低涡轮叶片的工作温度，成为提高燃气轮机性能的关键。

扰流柱强化对流换热技术，一方面充分利用扰流柱群对流动介质的扰动作用，增强了对流换热效果；另一方面增加了换热面积。涡轮叶片尾缘区域厚度较薄，冷却通道狭窄，不利于设计冷却结构，也造成尾缘承力能力较弱。扰流柱结构不仅能实现强化换热，而且能起到支撑作用，提高结构强度，因而被广泛应用于燃气轮机冷却中。

目前，应用于叶片尾缘的扰流柱结构大部分为圆柱形、水滴形，但这两种扰流柱均有一定局限性：圆柱形扰流柱提高强化换热效率的同时，增大了流动阻力；水滴形扰流柱能够减小流动阻力，但换热能力有限。因此本实用新型提出一种应用于涡轮叶片尾缘的新型扰流柱结构。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种用于涡轮叶片尾缘的新型扰流柱结构。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种用于涡轮叶片尾缘的新型扰流柱结构，包含第一壁面、第二壁面、以及若干扰流柱；

所述第一壁面、第二壁面之间形成冷却通道；所述若干扰流柱均匀设置在第一壁面、第二壁面之间，扰流柱的两个端面分别和第一壁面、第二壁面固连；

所述扰流柱的横截面均为顶角均作圆角处理的菱形，扰流柱两个端面的大小相同、中截面的面积小于两个端面的面积，扰流柱的两个端面到中截面均为线性光滑过渡，且扰流柱各个截面的长对称轴相互平行、中心在同一条直线上。

作为本实用新型一种用于涡轮叶片尾缘的新型扰流柱结构进一步的优化方案，所述扰流柱的迎流面上设有若干贯穿扰流柱的通孔，通孔的轴线与来流方向相同。

作为本实用新型一种用于涡轮叶片尾缘的新型扰流柱结构进一步的优化方案，所述若干扰流柱中，一部分扰流柱在其迎流面上设有若干贯穿扰流柱的通孔、通孔的轴线与来流方向相同，另一部分扰流柱上未设置通孔。

作为本实用新型一种用于涡轮叶片尾缘的新型扰流柱结构进一步的优化方案，所述扰流柱在其迎流面上的通孔关于扰流柱的中截面对称。

作为本实用新型一种用于涡轮叶片尾缘的新型扰流柱结构进一步的优化方案，所述扰流柱两个端面的长短轴比为16：7，中截面的长短轴比为11：5。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

对于大部分涡轮叶片尾缘使用的平直类型扰流柱结构而言，很难保障流动损失和换热能力这两方面的要求，本实用新型中沙漏状菱形设计的扰流柱，其截面为菱形，且为了更加符合流线型设计，将菱形的四个顶点处均设计为圆弧端，柱面为线性变化，菱形的长对称轴与来流方向平行，降低了迎风面积，并使扰流柱后端尾迹区域减少，因此降低了流动损失，其流动损失较水滴形、圆柱形以及椭圆形扰流柱均有所降低；通过对冷却通道上第二壁面平均换热系数的计算，该型设计的平均换热系数大于水滴形、圆柱形以及椭圆形扰流柱。

而局部开孔的沙漏状菱形设计的扰流柱，即对上述扰流柱迎流面开孔，对冷却气体进行分离，能进一步有效降低流动阻力，相较于圆柱形扰流柱流动阻力下降最大，换热能力也较圆柱形、椭圆形扰流柱有所提升。

局部开孔的沙漏状菱形设计的扰流柱和沙漏状菱形设计的扰流柱组合设计的扰流柱冷却通道，通过结合两种类型扰流柱，使整体性能达到最优。

附图说明

图1为本实用新型的换热结构示意图；

图2为本实用新型没有设置通孔的扰流柱结构示意图；

图3为本实用新型设置通孔的扰流柱结构示意图；

图4为本实用新型扰流柱均设置通孔的换热结构示意图；

图5为本实用新型扰流柱均设置通孔的换热结构俯视图；

图6为本实用新型部分扰流柱设置通孔的换热结构示意图；

图中，1-冷却空气的方向，2-冷却通道出口，3-扰流柱上的通孔，4-没有设置通孔的扰流柱，5-设置通孔的扰流柱。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

本实用新型可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本实用新型的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本实用新型公开了一种用于涡轮叶片尾缘的新型扰流柱结构，包含第一壁面、第二壁面、以及若干扰流柱；所述第一壁面、第二壁面之间形成冷却通道；所述若干扰流柱均匀设置在第一壁面、第二壁面之间，扰流柱的两个端面分别和第一壁面、第二壁面固连；如图2所示，所述扰流柱的横截面均为顶角均作圆角处理的菱形，扰流柱两个端面的大小相同、中截面的面积小于两个端面的面积，扰流柱的两个端面到中截面均为线性光滑过渡，且扰流柱各个截面的长对称轴相互平行、中心在同一条直线上。

如图1所示，冷却气流从左侧入口进入与扰流柱发生换热，流经图1所设计的扰流柱群，扰流柱周面为线性光滑过渡，扰流柱上下段以一定倒角r1连接，上第二壁面间距为H，上、下端面长短轴比为16：7，上、下端面长轴长为L，扰流柱上下端面及横截面的菱形四个顶点处均为圆弧端，上、下端面长轴对应圆弧半径为r2，上、下端面短轴对应圆弧半径为r3，中截面长短轴比为11：5，中截面长轴对应圆弧半径为r4，中截面短轴对应圆弧半径为r5。扰流柱沿流向间距为L，展向间距均为P。计算结果显示，在初始条件相同的情况下，相比于圆形扰流柱，图1的设计能够降低38%的流动阻力，并能提高20%的换热能力；相比于椭圆形扰流柱，图1的设计能够降低27%的流动阻力，并能提高15%的换热能力。

如图3、图4、图5所示，扰流柱的迎流面上设有若干贯穿扰流柱的通孔，通孔的轴线与来流方向相同，开孔的直径为0.16H，通孔的轴线与轴线所在平面的菱形的长轴重合，沿扰流柱高度等间距均匀分布。所述扰流柱在其迎流面上的通孔关于扰流柱的中截面对称。结果表明，该设计造成的流动阻力较圆形扰流柱、椭圆形扰流柱分别降低43%、31%，该设计的换热能力较圆形扰流柱、椭圆形扰流柱分别提升14%、9%。

进一步的，本实用新型还可以采用另外一种方式：在扰流柱群中，有一部分扰流柱开设通孔，上述通孔方向与来流方向一致，剩下的扰流柱不设通孔；扰流柱上的通孔沿扰流柱高等间距设置。通过将设置通孔的图4扰流柱与不设置通孔的图5扰流柱交替排列，组成了如图6所示为本实用新型部分扰流柱设置通孔的换热结构，使整体效果达到最佳，结果表明：该设计造成的流动阻力较圆形扰流柱、椭圆形扰流柱分别降低45%、36%，该设计的换热能力较圆形扰流柱、椭圆形扰流柱分别提升22%、17%。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、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，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限制本实用新型，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保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于涡轮叶片尾缘的新型扰流柱结构，其特征在于，包含第一壁面、第二壁面、以及若干扰流柱；

所述第一壁面、第二壁面之间形成冷却通道；所述若干扰流柱均匀设置在第一壁面、第二壁面之间，扰流柱的两个端面分别和第一壁面、第二壁面固连；

所述扰流柱的横截面均为顶角均作圆角处理的菱形，扰流柱两个端面的大小相同、中截面的面积小于两个端面的面积，扰流柱的两个端面到中截面均为线性光滑过渡，且扰流柱各个截面的长对称轴相互平行、中心在同一条直线上。

2.根据权利要求1所述的用于涡轮叶片尾缘的新型扰流柱结构，其特征在于，所述扰流柱的迎流面上设有若干贯穿扰流柱的通孔，通孔的轴线与来流方向相同。

3.根据权利要求1所述的用于涡轮叶片尾缘的新型扰流柱结构，其特征在于，所述若干扰流柱中，一部分扰流柱在其迎流面上设有若干贯穿扰流柱的通孔、通孔的轴线与来流方向相同，另一部分扰流柱上未设置通孔。

4.根据权利要求2所述的用于涡轮叶片尾缘的新型扰流柱结构，其特征在于，所述扰流柱在其迎流面上的通孔关于扰流柱的中截面对称。

5.根据权利要求1所述的用于涡轮叶片尾缘的新型扰流柱结构，其特征在于，所述扰流柱两个端面的长短轴比为16：7，中截面的长短轴比为11：5。

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