CN112177681B

CN112177681B - 一种适用于涡轮叶片内部冷却的分形间断肋结构

Info

Publication number: CN112177681B
Application number: CN202010992833.6A
Authority: CN
Inventors: 谢公南; 张国花; 闫宏斌; 李书磊
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2020-09-21
Filing date: 2020-09-21
Publication date: 2022-03-15
Anticipated expiration: 2040-09-21
Also published as: CN112177681A

Abstract

本发明一种适用于涡轮叶片内部冷却的分形间断肋结构，属于燃气轮机高温涡轮叶片冷却技术领域；在叶片内部冷却通道内设置有分形间断肋，所述分形间断肋包括多个沿冷却通道底部壁面长度方向均布的分形周期；每个分形周期由四排间断肋组成，每排间断肋均由间断肋片和间断区域组成；在一个分形周期内沿着气流方向，每排间断肋的间断肋片和间断区域的数量逐渐递增。间断肋可以减小对流体的阻塞率，降低通道内的压力损失；其次，间断肋的间断区域可以产生横向涡，对气流的扰流作用增强，加强了主流与边界层流体的掺混，增大了流体的湍流度，从而强化了换热；再次，间断区域诱导的横向涡出现在肋片的下游区域，从而减小了肋后回流区，强化了换热。

Description

一种适用于涡轮叶片内部冷却的分形间断肋结构

技术领域

本发明属于燃气轮机高温涡轮叶片冷却技术领域，具体涉及一种适用于涡轮叶片内部冷却的分形间断肋结构。

背景技术

燃气轮机是一种热动力装置，它凭借体积小、功率大、高效、清洁、经济性好等一系列优点被广泛应用于航空推进、舰船动力、陆用发电、工业驱动及分布式供能等领域，在国民经济和安全方面起着至关重要的作用。随着我国社会经济的高速发展，燃气轮机具有巨大的市场潜力，大力发展燃气轮机产业不仅对我国基础工业和高端制造业有显著影响，对增强我国经济实力、科技实力、国防实力和民族凝聚力有重要意义。

燃气轮机的热效率和输出功率是评价燃气轮机工作性能的重要指标，随着燃气轮机的广泛应用，提高燃气轮机的热效率和输出功率变得更为迫切。为了提高燃气轮机的效率和稳定性，提高涡轮前进口燃气温度是改善燃气轮机性能的关键指数之一。研究表明，涡轮前进口燃气温度每提高56℃，燃气轮机的推力可提高8％至13％，其循环效率可提高2％至4％。然而，提高涡轮前进口燃气温度与延长涡轮叶片的服役时间这两个要求相互矛盾。现代先进燃气轮机涡轮前进口燃气温度已高达2000K，远远超过了制造涡轮叶片高温材料的熔点。此外，涡轮前进口燃气温度随燃气轮机使用性能的要求逐年提高。尽管随着材料科学的发展，材料的耐热性能日渐优异，但仍不能弥补燃气轮机燃气进口温度的提高。因此，发展高效的涡轮叶片冷却技术以降低叶片温度，延长其服役时间势在必行。

内部对流冷却是涡轮叶片内部通道的主要冷却方式。肋片是应用于内部通道的主要强化换热结构，使用肋片可以增大传热面积，降低对流换热热阻，增强换热性能。间断肋由于能够减小连续肋片通道的压力损失而被广泛的研究和应用。经过对现有技术文献的检索发现，中国专利号申请号201910344045.3，专利公开日期2019年7月23日，专利名称：一种用于燃气轮机涡轮叶片的间断肋内部冷却结构，该专利在叶片主体结构设置U型叉壁，在左右侧壁与U型叉壁间均设置间断肋，并且间断肋成对设置。这种冷却方式对气流产生的扰动增强，使气体流动产生分离的程度变大，增强了流体的湍动度，强化了换热，降低了压损。但是，由于该结构中间断肋成对布置，并未对内部通道中间区域的流体产生扰动，因此在通道中间会形成一条低换热区域，降低了通道内换热的均匀性。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种适用于涡轮叶片内部冷却的分形间断肋结构，通过在冷却通道内设置分形间断肋，并对间断肋的布局进行优化，使得该结构具有高且均匀的对流换热性能、低压力损失及高整体热性能。

本发明的技术方案是：一种适用于涡轮叶片内部冷却的分形间断肋结构，其特征在于：在叶片内部冷却通道内设置有分形间断肋，所述分形间断肋包括多个沿冷却通道底部壁面长度方向均布的分形周期；每个分形周期由四排间断肋组成，每排间断肋均由间断肋片和间断区域组成，间断区域为相邻两个间断肋片之间的缺口；在一个分形周期内沿着气流方向，每排间断肋的间断肋片和间断区域的数量逐渐递增。

本发明的进一步技术方案是：每排所述间断肋的两端均是由间断肋片紧贴冷却通道的侧壁面，间断区域位于冷却通道中。

本发明的进一步技术方案是：所述分形周期的四排间断肋的间断区域沿气流方向组成分形结构，且四排间断肋的间断区域的数量依次为20，2¹，2²，2³。

本发明的进一步技术方案是：所述分形周期内各排间断肋中的间断肋片的总长度相等，各排间断肋中的间断区域的总长度相等。

本发明的进一步技术方案是：所述分形周期内的每排间断肋的间断区域的总长度为L，冷却通道的宽度为W，满足0.2W≤L≤0.5W。

本发明的进一步技术方案是：所述间断肋片的截面为任意形状，每排间断肋与冷却通道内右侧壁面相垂直或成30°至90°夹角。

本发明的进一步技术方案是：所述间断肋片的高度为e，相邻两排间断肋沿流向的间距为P，满足8≤P/e≤15。

本发明的进一步技术方案是：冷却通道的内部高度为H时，满足0.1≤e/H≤0.3。

有益效果

本发明的有益效果在于：首先，本发明所述的间断肋可以减小对流体的阻塞率，降低通道内的压力损失；其次，间断肋的间断区域可以产生横向涡，对气流的扰流作用增强，加强了主流与边界层流体的掺混，增大了流体的湍流度，从而强化了换热；再次，间断区域诱导的横向涡出现在肋片的下游区域，从而减小了肋后回流区，强化了换热；最重要的是，与现有技术文献，中国专利申请号201910344045.3，专利公开日期2019年7月23日，专利名称：一种用于燃气轮机涡轮叶片的间断肋内部冷却结构相比，本发明专利利用分形原理布置间断肋，并以四排间断肋作为一个分形周期，间断区域的个数以指数递增方式设置，能够在保证加工较为容易的前提下，沿流向方向对流体产生持续的扰动，强化通道的换热。此外，每排间断肋的间断肋片总长度相等，及间断区域总长度相等，能保证冷却通道具有更好的温度均匀性。每排间断肋的间断区域总长度L满足0.2W≤L≤0.5W范围，可在减低通道内压力损失的前提下，强化通道的换热。因此，本发明一种适用于涡轮叶片内部冷却的分形间断肋结构具有高且均匀的对流换热性能、低压力损失及高整体热性能等优点。

附图说明

图1是本发明实施例1去掉顶部壁面后的结构示意图；

图2是本发明实施例1去掉顶部壁面后的俯视图；

图3是本发明实施例1去掉右侧壁后的主视图；

图4是本发明实施例2去掉右侧壁后的主视图；

图5是本发明实施例3去掉顶部壁面后的俯视图；

附图标记说明：图中：1.左侧壁面，2.右侧壁面，3.底部壁面，4.间断区域，5.间断肋片，6.分形周期，W.冷却通道的宽度，L.每排间断区域的总长度，满足0.2W≤L≤0.5W，P.相邻两排间断肋沿流向的间距，e.间断肋片的高度，满足8≤P/e≤15，H.冷却通道的内部高度，满足0.1≤e/H≤0.3。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提供了一种适用于涡轮叶片内部冷却的分形间断肋结构，叶片内部冷却通道包括顶部壁面、左侧壁面1、右侧壁面2、底部壁面3，所述分形间断肋包括多个间断肋片5和多个间断区域4，所述间断肋放置在宽度为W，高度为H的内部冷却通道中。其中间断肋片高度为e，沿流向方向，每两排相邻间断肋间隔为P。

所有间断肋在内冷通道中以分形周期6的形式设置，每个分形周期内包含四排间断肋，具体的，沿流体流动方向，第一排间断肋有20个间断区域，位于通道的中央，第二排间断肋有2¹个间断区域，第三排间断肋有2²个间断区域，第四排间断肋有2³个间断区域。每排间断区域的总长度均为L，且满足0.2W≤L≤0.5W，四排间断肋的间断区域组成分形结构。

图1至图3为本发明的实施例1。在本实施例中，间断肋的截面形状为正方形，间断肋宽等于间断肋高e。冷流体进入内部通道后一部分流入间断区域，并在间断区域的两侧分别形成一个横向涡附着于两个间断肋的后方，另一部分流过肋片，在肋片上游和下游都产生回流区，在相邻两排肋片间出现再附着现象。由于间断区域的存在，流体的流动阻力减小，间断区域诱导的横向涡不仅增加了流体的湍动度，加强了主流于边界层流体的掺混，而且附着于肋片后方，缩小了肋后回流区，强化了换热，提高通道的整体热性能。此外，间断肋在流动方向上以分形结构方式的设置，对来流造成了持续的扰动，不断增加的间断区域有助于提高通道换热的均匀性。实验结果表明，当冷流体雷诺数为20000时，该实施例相对于直肋通道压力损失减小了27.59％，换热增加了0.1％，整体热性能提高了38.21％。

图4为本发明的实施例2。在本实施例中，间断肋的截面形状为边长为e的等腰直角三角形，肋片的直角边面向来流方向。冷流体进入内部通道后一部分流入间断区域，并在间断区域的两侧分别形成一个横向涡附着于两个间断肋的后方，另一部分流过肋片，在肋片上游和下游都产生回流区，但是由于截面形状为三角形，且斜边背对着来流方向，因此，相较于实施例1，本实施例中肋后回流区小，通道平均换热性能增强。由于间断区域的存在，流体的流动阻力减小，间断区域诱导的横向涡增加了流体的湍动度，加强了主流于边界层流体的掺混，强化了换热，提高通道的整体热性能。此外，间断肋在流动方向上以分形结构方式的设置，对来流造成了持续的扰动，不断增加的间断区域有助于提高通道换热的均匀性。实验结果表明，当冷流体雷诺数为20000时，该实施例相对于直肋通道压力损失减小了12.66％，换热增加了5.46％，整体热性能提高了20.74％。

图5为本发明的实施例3。在本实施例中，间断肋的截面形状为边长为e的正方形，间断肋倾斜地放置于冷却通道中，与右侧壁面形成75°的倾斜角。每排间断肋的间断区域的长度保持L不变，将肋片倾斜放置于冷却通道中可进一步增大换热面积，强化通道换热。间断区域的存在，流体的流动阻力减小，间断区域诱导的横向涡增加了流体的湍动度，加强了主流于边界层流体的掺混，强化了换热，提高通道的整体热性能。此外，间断肋在流动方向上以分形结构方式的设置，对来流造成了持续的扰动，不断增加的间断区域有助于提高通道换热的均匀性。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种适用于涡轮叶片内部冷却的分形间断肋结构，其特征在于：在叶片内部冷却通道内设置有分形间断肋，所述分形间断肋包括多个沿冷却通道底部壁面长度方向均布的分形周期；每个分形周期由四排间断肋组成，每排间断肋均由间断肋片和间断区域组成，间断区域为相邻两个间断肋片之间的缺口；在一个分形周期内沿着气流方向，每排间断肋的间断肋片和间断区域的数量逐渐递增；

每排所述间断肋的两端均是由间断肋片紧贴冷却通道的侧壁面，间断区域位于冷却通道中；

所述分形周期的四排间断肋的间断区域沿气流方向组成分形结构，且四排间断肋的间断区域的数量依次为2⁰，2¹，2²，2³；

所述间断肋片的高度为e，相邻两排间断肋沿流向的间距为P，满足8≤P/e≤15；冷却通道的内部高度为H时，满足0.1≤e/H≤0.3。

2.根据权利要求1所述适用于涡轮叶片内部冷却的分形间断肋结构，其特征在于：所述分形周期内各排间断肋中的间断肋片的总长度相等，各排间断肋中的间断区域的总长度相等。

3.根据权利要求1所述适用于涡轮叶片内部冷却的分形间断肋结构，其特征在于：所述分形周期内的每排间断肋的间断区域的总长度为L，冷却通道的宽度为W，满足0.2W≤L≤0.5W。

4.根据权利要求1所述适用于涡轮叶片内部冷却的分形间断肋结构，其特征在于：所述间断肋片的截面为任意形状，每排间断肋与冷却通道内右侧壁面相垂直或成30°至90°夹角。