CN112302727A - 一种涡轮叶片前缘冷却结构 - Google Patents

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肖俊峰
高松
李园园
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Xian Thermal Power Research Institute Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种涡轮叶片前缘冷却结构，在叶片根部靠近叶片前缘开设有冷却通道(2)和双旋流腔(4)，冷却通道(2)和双旋流腔(4)之间通过若干旋流喷嘴(3)连通，在叶片压力面(7)开设有若干与双旋流腔(4)连通的第二气膜孔(6)，在叶片吸力面(8)开设有若干与双旋流腔(4)连通的第一气膜孔(5)。本发明可改善叶片前缘换热不均匀性，具有换热性能好和压力损失低的特点。

Description

一种涡轮叶片前缘冷却结构
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机涡轮冷却叶片，特别涉及一种涡轮叶片前缘冷却结构。
背景技术
随着现代燃气轮机对效率和输出功率要求的不断提高，涡轮的进口温度也随之提高，这会使涡轮部件热负荷大大增加，开发新型高效冷却结构关乎燃气透平以致整台燃气轮机的性能。
旋流冷却是一种新型叶片前缘冷却方式，在该冷却方式中，冷气通过旋流喷嘴切向进入冷却腔室，形成大尺度高速的旋转运动，冲刷靶面边界层，同时加强了冷气掺混以实现对叶片的冷却。旋流冷却方式具有冷却性能好，压损低的特点。相对于冲击冷却，换热分布更加均匀。
发明内容
本发明的目的是提供一种涡轮叶片前缘冷却结构，以改善涡轮叶片前缘冷却性能。
为了达到此目的，本发明通过以下技术方案来实现的：
一种涡轮叶片前缘冷却结构，在叶片根部靠近叶片前缘开设有冷却通道和双旋流腔，冷却通道和双旋流腔之间通过若干旋流喷嘴连通，在叶片压力面开设有若干与双旋流腔连通的第二气膜孔，在叶片吸力面开设有若干与双旋流腔连通的第一气膜孔。
本发明进一步的改进在于，双旋流腔为两个圆形腔室叠加而成。
本发明进一步的改进在于，双旋流腔的腔室截面的两个圆形直径相等。
本发明进一步的改进在于，两个圆形腔室的圆心距离与圆形直径比大于0.4。
本发明进一步的改进在于，旋流喷嘴的截面为圆角矩形。
本发明进一步的改进在于，旋流喷嘴的入射位置位于双旋流腔两圆心连线中点。
本发明进一步的改进在于，旋流喷嘴的入射位置靠近叶片压力面的圆形腔室切向。
本发明进一步的改进在于，旋流喷嘴的入射位置靠近叶片吸力面的圆形腔室切向。
本发明进一步的改进在于，叶片压力面和叶片吸力面的气膜孔轴线与叶片壁面夹角为20°～60°，气膜孔间距与气膜孔直径比为2.5～10。
本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种涡轮叶片前缘冷却结构，通过布置的旋流喷嘴，在冷却腔室内形成大尺度的旋涡流动，两个圆形腔室的旋涡还会相互交叉作用，进一步强化表面换热，与其他冷却方式相比表面换热也更加均匀。
对传统的旋流冷却结构，冷却气体自进气通道或进气孔进入旋流腔室后，在腔室内旋流后沿叶片前缘通道向下或向上流动，靠近排气端的旋流孔处将承受强烈的横向流动阻碍，旋流冷却效果相对减弱，即传统的旋流冷却属于强制对流换热的范畴，旋流腔室第一气膜孔和第二气膜孔的加入，对旋流腔室而言，相当于加入了一部分壁面附面层抽吸的作用，显著改善靠近排气端多个旋流喷嘴对壁面的旋流冷却效果，同时也加入了对叶片外壁面的气膜冷却作用。
进一步，本发明提供的前缘结构中双旋流腔为双圆形融合型式，结构简单，加工方便。
附图说明
图1为涡轮叶片前缘冷却结构的局部剖切图；
图2为自冷却通道剖切的实体模型图；其中图2(b)为图2(a)的A-A向剖视图；
图3为本发明一种涡轮叶片前缘冷却结构的一种旋流喷嘴的布置形式示意图，图3(a)为喷嘴入射位置位于双旋流腔两圆心连线中点；图3(b)为喷嘴入射位置位于靠近压力面的圆形腔室切向；图3(c)为喷嘴入射位置位于靠近吸力面的圆形腔室切向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1至图3所示，本发明提供的一种涡轮叶片前缘冷却结构，在叶片根部靠近叶片前缘开设有冷却通道2和双旋流腔4，冷却通道2和双旋流腔4之间通过若干旋流喷嘴3连通，在叶片压力面7开设有若干与双旋流腔4连通的第二气膜孔6，在叶片吸力面8开设有若干与双旋流腔4连通的第一气膜孔5。
冷却气体从叶片根部进入靠近叶片前缘的由第二隔板9隔开的冷却通道2后，通过若干布置在第一隔板10上的旋流喷嘴3喷射入双旋流腔4中，在双旋流腔4中进行对流换热后经过布置在叶片压力面的第二气膜孔6和布置在叶片吸力面的第一气膜孔5进入主流燃气中。
双旋流腔4为两个圆形腔室合成，截面形状为两个圆形相交后取并集，腔室截面的两个圆形直径相等，两圆心距离与圆形直径比大于0.4。
旋流喷嘴3截面为圆角矩形，入射位置位于双旋流腔两圆心连线中点、靠近叶片压力面7的圆形腔室切向或靠近叶片吸力面8的圆形腔室切向。
分别在两个靠近叶片压力面7的圆形旋流腔室的叶片压力面侧和靠近叶片吸力面的圆形旋流腔室的叶片吸力面侧布置气膜孔，叶片压力面和叶片吸力面的气膜孔轴线与叶片壁面夹角为20°～60°，气膜孔间距与气膜孔直径比为2.5～10。
旋流喷嘴3的圆角矩形结构长宽比可灵活发生变化，且位于叶片压力面和叶片吸力面的气膜孔的数量、旋流喷嘴的数量可依据叶片的长短自由变化。
本发明中所述的具体实施案例仅是几种案例而已，不能用来限定本发明的实施范围，依本发明所做的其他等效变化均落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种涡轮叶片前缘冷却结构，其特征在于，在叶片根部靠近叶片前缘开设有冷却通道(2)和双旋流腔(4)，冷却通道(2)和双旋流腔(4)之间通过若干旋流喷嘴(3)连通，在叶片压力面(7)开设有若干与双旋流腔(4)连通的第二气膜孔(6)，在叶片吸力面(8)开设有若干与双旋流腔(4)连通的第一气膜孔(5)。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片前缘冷却结构，其特征在于，双旋流腔(4)为两个圆形腔室叠加而成。
3.根据权利要求2所述的一种涡轮叶片前缘冷却结构，其特征在于，双旋流腔(4)的腔室截面的两个圆形直径相等。
4.根据权利要求3所述的一种涡轮叶片前缘冷却结构，其特征在于，两个圆形腔室的圆心距离与圆形直径比大于0.4。
5.根据权利要求2所述的一种涡轮叶片前缘冷却结构，其特征在于，旋流喷嘴(3)的截面为圆角矩形。
6.根据权利要求5所述的一种涡轮叶片前缘冷却结构，其特征在于，旋流喷嘴(3)的入射位置位于双旋流腔(4)两圆心连线中点。
7.根据权利要求5所述的一种涡轮叶片前缘冷却结构，其特征在于，旋流喷嘴(3)的入射位置靠近叶片压力面(7)的圆形腔室切向。
8.根据权利要求5所述的一种涡轮叶片前缘冷却结构，其特征在于，旋流喷嘴(3)的入射位置靠近叶片吸力面(8)的圆形腔室切向。
9.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片前缘冷却结构，其特征在于，叶片压力面和叶片吸力面的气膜孔轴线与叶片壁面夹角为20°～60°，气膜孔间距与气膜孔直径比为2.5～10。
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