CN111648830B - 一种用于涡轮动叶后部的内冷带肋通道 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于涡轮动叶后部的内冷带肋通道，包括：矩形截面通道，内部中空，用于流体流过；矩形截面通道的前壁面和后壁面对称设有若干倾斜扰流肋；所述倾斜扰流肋相对于流体的流动方向倾斜设置；矩形截面通道的前壁面中心设有连通前壁面倾斜扰流肋交叉肋。在旋转条件下，通过相交肋使得倾斜肋片间的强换热区域由原来的一部分变为现在的两部分，覆盖区域上升，换热强化更加均匀，另外，相交肋结构与倾斜肋结构产生的二次流均被旋转产生的科氏力大大强化，换热能力进一步增强，并且前后壁面肋片布置的不同可以影响二次流动，有效中和前后壁面因旋转而造成的换热差异，改善热应力，延长叶片使用寿命。

Description

一种用于涡轮动叶后部的内冷带肋通道

技术领域

本发明属于燃气轮机涡轮叶片技术领域，特别涉及一种用于涡轮动叶后部的内冷带肋通道。

背景技术

燃气轮机广泛应用于航空推进、陆地发电和其他工业设备，涡轮冷却技术的发展对提高先进高温燃气轮机发动机的热效率和输出功率起着至关重要的作用。扰流肋强化冷却是通过重复布置扰流肋产生流动分离，而后又将新的边界层重新附着到传热表面，从而增强换热；此外，分离的边界层增强了壁面流体与主流的掺混，来自近壁面的热量可以更有效地传递到主流，从而进一步增强换热。

韩介勤等人最早研究了带肋通道表面的传热和摩擦系数分布。他们发现，重复的斜肋比重复的横肋表现更好。在平行板通道中，在带有重复的45度斜置肋和带有重复横置肋的通道相比，在相同摩擦阻力的条件下，换热强化效果明显增强，这是由于斜置肋片可以产生沿着肋片发展的二次流动，并且在主流区域也产生一个体积较大的二次流动。这里所说的二次流，相对于主流流动，其运动所在的平面与主流方向垂直。肋片间的二次流在90度肋片产生的分离与再附着流动的基础上，可以增大流体再附着的速度，提高肋片间区域的横向传质，改善壁面的换热。主流区域的二次流动可以将将近壁面区域温度较高的流体带离壁面，提高整个横截面上的传质能力，进而提高近壁面区域对流换热的传热温差，提高热流密度。

旋转状态下，科氏力(科里奥利力)和旋转浮力都能改变冷却通道内的流动和温度分布，影响其表面传热系数分布。其中科氏力的方向取决于旋转方向和冷却流体的方向，因此科氏力在通道方向角不同时方向不同。对于径向外流的通道，科氏力使主流向后壁面壁移动。如果后壁和前壁都对称加热，那么旋转使得后壁面(科式力所指面)的湍动度加强，而前壁面(科式力背离面)的湍动度减弱，进而造成前壁面换热弱于后壁面。因此，为了提高传热均匀性，必须减小前后壁面的换热差异。

Heeyoon Chung等研究了不同宽高比的斜肋矩形通道内相交肋对传热传质性能的影响。在有斜置肋的通道中，由于斜置肋诱导的涡流随宽高比的增大而减小，随着通道宽高比的增大，通道的传热传质性能下降。为了克服这一缺点，采用一条将倾斜肋平分的交叉肋。测试了60°斜肋结构在有无交叉肋情况下的传热性能。得出当存在交叉肋时，在与倾斜肋相交的每个点处都会产生附加的涡。因此，当在普通的斜肋结构中添加交叉肋肋时，所有通道宽高比的传热传质性能都显著提高。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种用于涡轮动叶后部的内冷带肋通道，以改善旋转条件下科氏力造成的前后壁面的换热差异，并利用科氏力的作用强化带肋通道中的二次流动，增强通道的换热能力，并提高传热分布的均匀性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于涡轮动叶后部的内冷带肋通道，包括：

矩形截面通道，内部中空，用于流体流过；

矩形截面通道的前壁面和后壁面对称设有若干倾斜扰流肋；所述倾斜扰流肋相对于流体的流动方向倾斜设置；

矩形截面通道的前壁面中心设有连通前避免倾斜扰流肋交叉肋。

进一步的，交叉肋将矩形截面通道的前壁面均分为两部分。

进一步的，倾斜扰流肋的肋方向与主流受到科氏力方向成钝角。

进一步的，肋方向是指与主流方向成锐角的沿肋片的方向。

进一步的，科氏力公式为Fcor＝2mΩ×U，式中Fcor为流体所受科氏力，Ω为通道旋转角速度，U为流体运动速度。

进一步的，矩形截面通道的宽高比W/H＝2～4。

进一步的，所述倾斜扰流肋的倾斜角度β＝30°～75°。

进一步的，倾斜扰流肋的截面为正方形，肋高e₁＝0.06～0.12D_h，D_h为矩形截面通道的水力直径，肋间距P＝8～12e₁。

进一步的，所述交叉肋的截面为矩形或正方形，在宽度方向长度与倾斜扰流肋的一致，为e₁，在高度方向长度e₂＝0.5～1e₁。

前壁面为相交肋结构，后壁面为倾斜扰流肋结构：倾斜扰流肋在在前后壁面上的分布是对称的；交叉肋片只布置于通道前壁面，并将前壁面均分，后壁面不布置交叉肋片。

交叉肋与倾斜扰流肋虽分开描述，但前壁面相交肋结构中两种肋片铸造为一体。

相对于现有技术，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种用于涡轮动叶后部的内冷带肋通道，通过相交肋使得斜置肋片间的强换热区域由原来的一部分变为现在两部分，覆盖区域上升，换热强化更加均匀。特别是在旋转条件下，相交肋结构产生的二次流被大大强化，换热能力进一步增强，而前后壁面肋片布置的不同可以影响二次流动，有效中和前后壁面因旋转而造成的换热差异，对热应力的改善具有良好作用，从而延长叶片使用寿命。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种用于涡轮动叶后部的内冷带肋通道作进一步的详细说明

图1为本发明内冷通道的结构示意图

图2为本发明内冷通道的倾斜扰流肋布置原则示意图

图3为本发明内冷通道实施例的侧视图

图4为本发明内冷通道实施例后壁面的俯视图

图5为本发明内冷通道实施例前壁面的俯视图

图中，1：矩形截面通道；2：倾斜扰流肋；3：交叉肋；F_cor：科氏力；Ω：旋转角速度；U:主流速度；O_rib：肋方向；α：通道方向角；W：通道宽度；H：通道高度；e₁：交叉肋宽；e₂：交叉肋高；P：肋间距；β：倾斜肋倾斜角度。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

请参阅图1及图2所示，本发明提供一种用于涡轮动叶后部的内冷带肋通道：在矩形截面通道1前后壁面处均布置有重复的倾斜扰流肋2，截面为正方形，前后壁面倾斜扰流肋2的布置是对称的。除了其本身分离壁面流体增强换热的作用外，被本发明采用的主要原因是斜置的扰流肋可以使被分离的壁面流体在通道宽度方向产生一个速度分量，进而产生二次流动。为了使旋转产生的科氏力能够加强而不是削弱倾斜扰流肋产生的二次流，倾斜扰流肋的布置必须遵循肋方向与主流受到科氏力方向成钝角的原则，其中肋方向是指与主流方向成锐角的沿肋片的方向。科氏力公式为Fcor＝2mΩ×U，式中Fcor为流体所受科氏力，Ω为矩形截面通道1的旋转角速度，U为流体运动速度。

实施例1：

结合图3～5，本实施例是在宽高比为4:1的矩形截面通道1两壁面上分别布置相交肋与连续肋；后壁面只设置倾斜扰流肋2，前避免设置倾斜扰流肋2和与之相交的交叉肋3；倾斜扰流肋2截面为正方形，交叉肋3截面为矩形；倾斜扰流肋2的肋高e₁＝0.078D_h，D_h为矩形截面通道1的水力直径，肋间距P＝10e。交叉肋3的截面为矩形或正方形，在宽度方向长度与倾斜扰流肋2的一致，为e₁，在高度方向长度e₂＝0.5e₁。交叉肋3将前壁面均分。

结合图2-5，本实施例中，相对于一般60°连续肋通道，在前壁面布置一条与之相交的交叉肋3，将前壁面均分为两部分，使得旋转条件下，前壁面附近流体经交叉肋3扰动再次离开壁面进入主流，在主流区域与主流流体相互作用，从而将通道靠近前壁面的二次流一分为二，加强了前壁面附近流体与主流的掺混，提高近壁面区域对流换热的传热温差，前壁面换热加强；通道靠近后壁面的肋间二次流受来自前壁面这股流体的间接影响也一分为二，虽然分界没有前壁面附近的明显，但后壁面换热也因此加强。特别是主流所受科氏力在通道高度上的分量由前壁面指向后壁面，这本是造成通道前后壁面换热差异的根本原因，但是在本发明中，该科氏力分量方向与所述从前壁面分离流体的流动方向相同，因此一定程度上加强了前壁面附近的二次流；另一方面，科氏力在通道宽度方向上的分量进一步加强了整个通道内的二次流动，其中对前壁面附近二次流动加强幅度较大。综上，旋转条件下本发明利用旋转产生的科氏力使得通道换热整体增强的同时，还使得前后壁面换热差异大幅缩减。

实施例2：采用本发明在β＝60°，e₂＝e₁＝0.078D_h，通道方向角为45°，旋转数为0.15，雷诺数为10000的旋转条件下进行了对比数值计算：本发明前后壁面平均努塞尔数比(0.986)相比于斜置肋通道(0.949)提升4％，相比一般相交肋通道(0.896)，提升10％。另外本发明的换热能力介于和本发明相同布置方法的斜置肋通道与一般相交肋通道之间，三种通道中倾斜肋的布置方式相同，换热能力在旋转条件下均得到强化，但是斜置肋通道与相交肋通道前后壁面换热均匀性较差，特别是一般相交肋通道前后壁面换热均匀性在旋转条件下恶化严重，于是本发明适用于旋转条件，旋转条件下换热强化的同时保持良好的前后壁面换热均匀性。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (9)

1.一种用于涡轮动叶后部的内冷带肋通道，其特征在于，包括：

矩形截面通道(1)，内部中空，用于流体流过；

矩形截面通道(1)的前壁面和后壁面对称设有若干倾斜扰流肋(2)；所述倾斜扰流肋(2)相对于流体的流动方向倾斜设置；

矩形截面通道(1)的前壁面中心设有连通前壁面倾斜扰流肋(2)的交叉肋(3)；矩形截面通道(1)的后壁面未设置连通后壁面倾斜扰流肋(2)的交叉肋(3)。

2.根据权利要求1所述的一种用于涡轮动叶后部的内冷带肋通道，其特征在于，交叉肋(3)将矩形截面通道(1)的前壁面均分为两部分。

3.根据权利要求1所述的一种用于涡轮动叶后部的内冷带肋通道，其特征在于，倾斜扰流肋(2)的肋方向与主流受到科氏力方向成钝角。

4.根据权利要求3所述的一种用于涡轮动叶后部的内冷带肋通道，其特征在于，肋方向是指与主流方向成锐角的沿肋片的方向。

5.根据权利要求3所述的一种用于涡轮动叶后部的内冷带肋通道，其特征在于，科氏力公式为Fcor＝2mΩ×U，式中Fcor为流体所受科氏力，Ω为通道旋转角速度，U为流体运动速度。

6.根据权利要求3所述的一种用于涡轮动叶后部的内冷带肋通道，其特征在于，矩形截面通道(1)的宽高比W/H＝2～4。

7.根据权利要求3所述的一种用于涡轮动叶后部的内冷带肋通道，其特征在于，所述倾斜扰流肋(2)的倾斜角度β＝30°～75°；所述β为倾斜扰流肋与通道主流方向的夹角。

8.根据权利要求3所述的一种用于涡轮动叶后部的内冷带肋通道，其特征在于，倾斜扰流肋(2)的截面为正方形，肋高e₁＝0.06～0.12D_h，D_h为矩形截面通道(1)的水力直径，肋间距P＝8～12e₁。

9.根据权利要求8所述的一种用于涡轮动叶后部的内冷带肋通道，其特征在于，所述交叉肋(3)的截面为矩形或正方形，在宽度方向长度与倾斜扰流肋(2)的一致，为e₁，在高度方向长度e₂＝0.5～1e₁。

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