CN103089335A - 适用于涡轮叶片后部冷却腔的w形肋通道冷却结构 - Google Patents

Abstract

一种叶轮机械设计领域的适用于涡轮叶片后部冷却腔的W形肋通道冷却结构，包括叶片后部冷却腔、斜导流肋片、直导流肋片以及挡流肋片，设置在叶片后部冷却腔内壁上的多排斜导流肋片的肋片排之间呈W形布置，直导流肋片设置在最后一排的斜导流肋片与叶片尾缘劈缝之间的空间内，斜导流肋片和直导流肋片与叶片后部冷却腔内壁构成的空间形成了W形冷却通道。本发明在叶片后部冷却腔设置W形肋通道冷却结构，该肋通道对其内部流体既能起导流作用又能起加速作用，与此同时W肋片的设置对于叶片也起到加固效果。本发明设计合理，结构简单，适用于燃气轮机涡轮叶片内部冷却***。

Description

适用于涡轮叶片后部冷却腔的W形肋通道冷却结构

技术领域

本发明涉及的是一种燃气轮机涡轮叶片内部冷却结构，特别是一种适用于涡轮叶片后部冷却腔的W形肋通道冷却结构。

背景技术

随着现代燃气轮机技术的发展，对涡轮进口温度的提升提出了更高的要求，怎样提升涡轮叶片的耐热性是燃气轮机涡轮设计领域一个重点研究方向。目前提升涡轮耐热性的措施主要有两个方面，一方面研发新型耐热叶片材料及涂层材料，另一方面是研究更加有效的涡轮叶片冷却结构。相对于第二种方法来说，第一种方法研发成本高、周期长，因此设计出更加高效的涡轮叶片冷却结构，对于进一步提升涡轮叶片的耐热性及提升燃气轮机整体性能具有重要意义。涡轮叶片冷却方式主要分为外部冷却和内部冷却两种方式，其中外部冷却主要指气膜冷却，内部冷却包括肋片扰流冷却、冲击冷却、针肋冷却等。在现代涡轮叶片设计中往往对涡轮叶片进行分腔冷却设计，即把涡轮叶片内部分为两个冷却腔或者三个冷却腔，根据涡轮叶片表面受热特点及不同冷却方式各自的冷却特点，针对不同冷却腔进行不同冷却方式的设计。对于靠近叶片后部的冷却腔往往采取针肋冷却、交叉肋扰流冷却以及交错槽冷却等内部冷却方式进行冷却。这些冷却结构布置在叶片后部冷却腔的狭窄通道内，一方面极大地增加了冷却流体与固体的接触面积，增强换热效果。另一方面可以增加冷却流体在该区域流动时的湍流度，从而进一步增加换热效率。

经过对现有技术文献的检索发现，中国专利号申请号200710118763.6，专利名称：一种适用于燃气涡轮发动机的梯形交错肋冷却叶片，该专利在叶片内部冷却腔内布满梯形交错肋，冷却流体在交错肋片之间构成的交错肋通道内以180°不断交替折返着向叶片尾缘方向流动，这种冷却方式可以极大地增加冷却流体与固体接触面积，同时很好地增加冷却流体的湍流度，增强换热效果，但流体在该冷却结构中流动时需以180°不断折返流动，其流动阻力极大，且流体在转弯流动时会形成一系列分离涡团，流动损失较大，同时杂乱无章的分离涡团会使叶片内部流体与固体壁面的换热主要以对流换热为主，很难形成冲击冷却等要求流体流动相对一致的冷却效果。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种适用于涡轮叶片后部冷却腔的W形肋通道冷却结构能够较大地增加冷却流体与固体接触面积之外，可以使流动阻力和流动损失相对较小，还可以使冷却流体在冷却腔内部流动过程中流动状态相对一致并起到加速作用，从而对肋片表面起到一定的冲击冷却效果。

本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括冷却流体流进管、叶片后部冷却腔、斜导流肋片、挡流肋片、直导流肋片和尾缘劈缝肋片，冷却流体流进管与叶片后部冷却腔相连通，多排斜导流肋片与一排直导流肋片均布置在叶片后部冷却腔内壁上，尾缘劈缝肋片布置在叶片后部冷却腔内壁靠近叶片尾缘处，挡流肋片布置在叶片后部冷却腔的上下端壁上，多排斜导流肋片的肋片排呈W形布置，相邻两排的斜导流肋片呈对称布置，每一排斜导流肋片的肋片之间平行布置。

进一步地，在本发明中，直导流肋片设置在最后一排的斜导流肋片与叶片尾缘劈缝之间的空间内，直导流肋片的肋片之间平行布置，且平行于尾缘劈缝肋片，挡流肋片设置在相邻两排斜导流肋片的凹陷位置处。

进一步地，在本发明中，相邻两排的斜导流肋片之间的夹角在100°至140°之间，相邻两排斜导流肋片的肋片数目比在2至0.5之间，直导流肋片与最后一排的斜导流肋片的肋片数目比例在2至0.5之间。

进一步地，在本发明中，斜导流肋片和直导流肋片在叶高方向的截面均为长条形（具体可为平行四边形、矩形或为跑道形），斜导流肋片和直导流肋片在叶高方向的截面最大长度与最小长度之比均在5至20之间。挡流肋片在叶高方向的截面为矩形或梯形，挡流肋片到与之最近的斜导流肋片上任意一点的最小距离与斜导流肋片在叶高方向的截面的最小长度之比在1至4之间。

进一步地，在本发明中，相邻两排的斜导流肋片之间、最后一排斜导流肋片与直导流肋片之间以及直导流肋片与尾缘劈缝肋片之间均留有肋排间距，肋排间距与直导流肋片在叶高方向截面最小长度之比在0.5至1.5之间，斜导流肋片和直导流肋片与叶片后部冷却腔内壁一同构成了W形冷却通道，冷却通道在叶高方向的截面的最小长度与直导流肋片在叶高方向截面最小长度之比在3至10之间。

本发明的工作原理是：冷却气流从外部冷气源进入涡轮叶片内部冷却腔，经过多排斜导流肋片和一排直导流肋片与内部冷却腔内壁面构成的多条W形冷却通道后，经过叶片尾缘劈缝流出叶片内部冷却腔。由于叶片后部冷却腔在向尾缘方向上是渐缩结构，因此每一条W形肋通道都是一个气流加速流动通道，当流体在W形肋通道里流动时，一方面利用肋通道的导流作用以及在流动方向上的加速作用，气流在流动过程中会加速撞击到转折肋片表面，从而起到一定冲击冷却强化换热的效果，另一方面W形通道本身就增加了叶片后部冷却腔内流体与固体的接触面积，进一步增加换热效果，与此同时W肋片的设置对于叶片也起到加固效果。在叶片后部冷却腔的上下壁面及斜导流肋片的凹陷处设置的挡流肋片可以增加气流在冷却腔靠近上下壁面附近的通道的流动阻力，使冷却气流更多地从叶片中间的冷却通道内流动，在最后一排斜导流肋片和叶片尾缘劈缝之间设置一排直导流肋片，可以使冷却气流流进叶片尾缘劈缝之前使气流平行于叶片尾缘劈缝，起到减小叶片尾缘劈缝处流动阻力及流动损失的目的，在不同肋片排之间设置的肋排间距可以连通各W形冷却通道，使各冷却通道内的气流在流动过程中不断平衡气流压力，从而使各W形冷却通道内的冷却气流流量更为均匀。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果为：本发明设计合理，结构简单，W肋通道一方面既能对其内部流体起导流作用，又能起加速作用，使气流在流动过程中加速撞击到转折肋片表面时起到一定冲击冷却强化换热的效果，另一方面又能增加流体与固体接触面积，进一步增加冷却效果，还可以对涡轮叶片起到加固作用，同时由于W肋通道的相邻两排肋片之间的夹角在100°至140°之间为较大钝角，其流动阻力和流动损失都会相对较小。

附图说明

图1为本发明实施例后部冷却腔组合剖视图；

图2为本发明实施例后部冷却腔横截面剖视图；

图3为本发明实施例后部冷却腔纵截面剖视图；

图4为W形肋通道局部方法图；

其中：1、冷却流体流进管，2、叶片后部冷却腔，3、叶片后部冷却腔内壁，4、斜导流肋片，5、挡流肋片、6，冷却通道，7、直导流肋片，8、叶片尾缘劈缝，9、肋排间距，10、尾缘劈缝肋片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1、图2、图3和图4所示，本发明包括冷却流体流进管1、叶片后部冷却腔2、叶片后部冷却腔内壁3、导流肋片4、挡流肋片5、W形冷却通道6、直导流肋片7、叶片尾缘劈缝8、肋排间距9和尾缘劈缝肋片10，冷却流体流进管1与叶片后部冷却腔2相连通，多排斜导流肋片4与一排直导流肋片7均布置在叶片后部冷却腔内壁3上，尾缘劈缝肋片10布置在叶片后部冷却腔内壁3靠近叶片尾缘处，挡流肋片5布置在叶片后部冷却腔2的上下端壁上，多排斜导流肋片4的肋片排呈W形布置，相邻两排的斜导流肋片4呈对称布置，每一排斜导流肋片4的肋片之间平行布置，相邻两排的斜导流肋片4之间的夹角a在100°至140°之间，所述的相邻两排斜导流肋片4的肋片数目比在2至0.5之间，叶片尾缘劈缝8由相邻的两个尾缘劈缝肋片10形成，直导流肋片7设置在最后一排的斜导流肋片4与叶片尾缘劈缝8之间的空间内，直导流肋片7与最后一排的斜导流肋片4的肋片数目比例在2至0.5之间，直导流肋片7的肋片之间平行布置且均平行于尾缘劈缝肋片10，斜导流肋片4和直导流肋片7在叶高方向的截面均为长条形，斜导流肋片4和直导流肋片7在叶高方向的截面最大长度与最小长度之比均在5至20之间，相邻两排的斜导流肋片4之间、最后一排斜导流肋片4与直导流肋片7之间以及直导流肋片7与尾缘劈缝肋片10之间均留有肋排间距9，肋排间距9与直导流肋片7在叶高方向截面最小长度之比在0.5至1.5之间，W形冷却通道6由斜导流肋片4、直导流肋片7、叶片后部冷却腔内壁3一同构成，冷却通道6在叶高方向的截面的最小长度与直导流肋片7在叶高方向截面最小长度之比在3至10之间，挡流肋片5设置在相邻两排斜肋片4的凹陷处，挡流肋片5在叶高方向的截面为矩形或梯形，挡流肋片5到与之最近的斜肋片4上任意一点的最小距离与所述斜肋片4在叶高方向的截面的最小长度之比在1至4之间。

在本发明中，冷却流体从冷却流体流进管1进入叶片内部冷却腔，经过多排斜导流肋片4和一排直导流肋片7与内部冷却腔内壁3围成的多条W形冷却通道6后，通过叶片尾缘劈缝8流出叶片冷却腔。由于叶片后部冷却腔2在向尾缘方向上是渐缩结构，因此每一条W形肋通道6都是一个气流加速流动通道，当流体在W形肋通道6里流动时，一方面利用肋通道6的导流作用以及在流动方向上的加速作用，气流在流动过程中会加速撞击到转折肋片表面，从而起到一定冲击冷却强化换热的效果，另一方面W形通道6本身就增加了叶片后部冷却腔2内部流体与固体的接触面积，进一步增加换热效果，与此同时组成W形肋通道6的肋片对于叶片也起到加固作用。在叶片后部冷却腔2的上下壁面及相邻斜导流肋片4的凹陷处设置的挡流肋片5可以增加气流在冷却腔靠近上下壁面附近的通道的流动阻力，使冷却气流更多地从叶片中间的W形冷却通道6内流动，在最后一排斜导流肋片4和叶片尾缘劈缝8之间设置一排直导流肋片7，可以使冷却气流流进叶片尾缘劈缝8之前使气流流动方向平行于叶片尾缘劈缝8，起到减小叶片尾缘劈缝8处流动阻力及流动损失的目的，在不同肋片排之间设置的肋排间距9可以连通各W形冷却通道6，使各冷却通道6内的气流在流动过程中不断平衡气流压力，从而使各W形冷却通道6内的冷却气流流量更为均匀。

本发明的加工工艺简单，与传统的针肋冷却、交叉肋扰流冷却以及交错槽等适用于后部冷却腔的冷却结构一样，可以采用熔模铸造的方式将斜导流肋片4、直导流肋片7以及挡流肋片5与叶片一同铸造出；但与传统的适用于后部冷却腔的冷却结构相比，W形肋通道6结构一方面既能对其内部流体起导流作用，又能起加速作用，使气流在流动过程中加速撞击到转折肋片表面时起到一定冲击冷却强化换热的效果，另一方面又能增加流体与固体接触面积，进一步增加冷却效果，还可以对涡轮叶片起到加固作用，同时由于W肋通道6的相邻两排肋片之间的夹角在100°至140°之间为较大钝角，其流动阻力和流动损失都会相对较小。该冷却结构对于进一步提升涡轮叶片后部冷却腔的冷却效果具有重要意义。

Claims (8)

1.一种适用于涡轮叶片后部冷却腔的W形肋通道冷却结构,包括：冷却流体流进管（1）和叶片后部冷却腔（2），冷却流体流进管（1）与叶片后部冷却腔（2）相连通，其特征在于还包括斜导流肋片（4）、挡流肋片（5）、直导流肋片（7）和尾缘劈缝肋片（10），多排斜导流肋片（4）与一排直导流肋片（7）均布置在叶片后部冷却腔内壁（3）上，尾缘劈缝肋片（10）布置在叶片后部冷却腔内壁（3）靠近叶片尾缘处，挡流肋片（5）布置在叶片后部冷却腔（2）的上下端壁上，多排斜导流肋片（4）的肋片排呈W形布置，相邻两排的斜导流肋片（4）呈对称布置，每一排斜导流肋片（4）的肋片之间平行布置。

2.根据权利要求1所述的适用于涡轮叶片后部冷却腔的W形肋通道冷却结构，其特征在于所述的相邻两排的斜导流肋片（4）之间的夹角a在100°至140°之间，所述的相邻两排斜导流肋片（4）的肋片数目比在2至0.5之间。

3.根据权利要求2所述的适用于涡轮叶片后部冷却腔的W形肋通道冷却结构，其特征在于还包括叶片尾缘劈缝（8），叶片尾缘劈缝（8）由相邻的两个尾缘劈缝肋片（10）形成，直导流肋片（7）设置在最后一排的斜导流肋片（4）与叶片尾缘劈缝（8）之间的空间内，直导流肋片（7）与最后一排的斜导流肋片（4）的肋片数目比例在2至0.5之间。

4.根据权利要求3所述的适用于涡轮叶片后部冷却腔的W形肋通道冷却结构，其特征在于所述的直导流肋片（7）的肋片之间平行布置，且均平行于尾缘劈缝肋片（10）。

5.根据权利要求4所述的适用于涡轮叶片后部冷却腔的W形肋通道冷却结构，其特征在于所述的斜导流肋片（4）和直导流肋片（7）在叶高方向的截面均为长条形，所述斜导流肋片（4）和直导流肋片（7）在叶高方向的截面最大长度与最小长度之比均在5至20之间。

6.根据权利要求5所述的适用于涡轮叶片后部冷却腔的W形肋通道冷却结构，其特征在于还包括肋排间距（9），相邻两排的斜导流肋片（4）之间、最后一排斜导流肋片（4）与直导流肋片（7）之间以及直导流肋片（7）与尾缘劈缝肋片（10）之间均留有肋排间距（9），肋排间距（9）与直导流肋片（7）在叶高方向截面最小长度之比在0.5至1.5之间。

7.根据权利要求6所述的适用于涡轮叶片后部冷却腔的W形肋通道冷却结构，其特征在于还包括W形冷却通道（6），W形冷却通道（6）由斜导流肋片（4）、直导流肋片（7）、叶片后部冷却腔内壁（3）一同构成，冷却通道（6）在叶高方向的截面的最小长度与直导流肋片（7）在叶高方向截面最小长度之比在3至10之间。

8.根据权利要求7所述的适用于涡轮叶片后部冷却腔的W形肋通道冷却结构，其特征在于所述挡流肋片（5）设置在相邻两排斜肋片（4）的凹陷处，其在叶高方向的截面为矩形或梯形，所述挡流肋片（5）到与之最近的斜肋片（4）上任意一点的最小距离与所述斜肋片（4）在叶高方向的截面的最小长度之比在1至4之间。

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