[发明专利]涡轮叶片内部针肋凹陷复合冷却结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机涡轮叶片内部冷却装置，具体是一种涡轮叶片内部针肋凹陷复合冷却结构。

背景技术

提高涡轮前燃气温度，进而提高燃气轮机能量转换的总效率是现代燃气轮机发展的一个主要趋势。现代燃气轮机涡轮前燃气的温度已超过所用材料的熔化温度，因此伴随着涡轮入口燃气温度的再提高，迫切需要更加高效、更加先进的冷却技术以保证燃气轮机涡轮叶片等高温部件内的温度水平，以及控制温度梯度在合理的范围内，来保证正常工作以及具有足够的生命周期。另外，增强的冷却技术意味着可以减少冷却流体的使用量，因此使得更多的气流参与燃气轮机做功，提高了燃气轮机的整体工作效率。

现有的涡轮叶片通常为中空结构，并具有多个内部冷却流道，这些流道分别由叶片的压力侧壁面和吸力侧壁面以及分立的各壁限定。冷却流体在内部冷却流道内流动，以冷却涡轮叶片。在内部流道的压力侧壁面和吸力侧壁面上设有湍流器，以提高各外壁和冷却流体之间的热交换。但这些湍流器只用来增强换热，工作过程中发生的涡轮叶片上的负荷几乎全部由各外壁承担，因此各外壁必需具有相对较厚的结构。当负荷增加，各外壁的壁厚也必须进一步增加。但是由于壁厚的增加，叶片的冷却效率降低，燃气轮机的总体效率由此也降低。

另一方面，现有的涡轮叶片尾缘内部通常采用针肋阵列结构强化对流传热性能，虽然针肋能够显著提高流体的对流传热性能，但会给流动带来很大的阻力。对于涡轮叶片内部冷却流道的设计要求是，在提高对流传热性能的同时，尽可能保持低的流动阻力。

经对现有技术文献的检索发现，(美)韩介勤，桑地普.杜达，斯瑞纳斯.艾卡德，在《燃气轮机传热和冷却技术》(程代京等译，西安交通大学出版社，2005)自述：目前，叶片中弦区域在内壁上使用带扰流肋片的蛇形冷却工质通道，而在叶片后缘区域由于空间的限制和结构的整体性要求使用带短针肋的通道(第15页)；针肋大都用在狭窄的叶片后缘，在那里由于制造上的限制，冲击和装肋片通道都容纳不下，针肋在低宽高比通道中能更好地使用(第254页)。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提出一种涡轮叶片内部针肋凹陷复合冷却结构，该结构以高的对流冷却效率对涡轮叶片进行冷却，同时该叶片具有较高的承载能力而不需增加叶片外壁的厚度。该针肋凹陷复合冷却结构主要采用在一条设置有针肋的冷却流体流过的流道内，至少一个壁面上的设置凹陷，并使凹陷和针肋按一定顺序排列，具有更好的冷却性能，因此可能在相同的冷却负荷条件下，减小针肋布置的个数，以减小涡轮叶片的重量，并减小冷却流体的流动阻力。该针肋凹陷复合冷却结构特别适合于叶片尾缘和中部的内部冷却。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：叶片流道、针肋、凹陷，叶片流道内设有针肋，叶片流道至少一个内壁面上设有凹陷，所述凹陷在叶片流道内差排布置，凹陷形状为半球形、或半球形的一部分、或截去顶部的圆锥形。

所述叶片流道包括压力侧壁面和吸力侧壁面，压力侧壁面和吸力侧壁面之间设有针肋阵列。

所述压力侧壁面和吸力侧壁面至少在其中一个侧壁面上设有凹陷阵列。

所述针肋的一端与压力侧壁面相连，针肋的另一端与吸力侧壁面相连。

所述针肋的截面形状为圆形、菱形、方形、椭圆形或水滴形。

所述针肋在叶片流道内差排布置，凹陷定位于每行针肋之间以及每两行针肋之间。

本发明所述的叶片内部通道可全部采用针肋凹陷复合冷却结构；也可在部分通道内，如在中弦和尾缘内部实施针肋凹陷复合冷却结构，而在其他内部通道内实施现有的扰流肋片冷却结构。

针肋在叶片内部流道内差排布置，凹陷定位于每行的针肋之间

本发明当冷却气流流入时，气流冲击到针肋时，由于针肋不断破坏流动边界层，并在每个针肋后缘产生高度紊乱的分离尾流区，以及在与壁面相互作用后产生马蹄形涡旋等，所有这些因素将强烈地提高流动混和，显著提高针肋表面的换热效果；同时，冷却流体流过凹陷时，也产生涡流，该涡流与针肋产生的马蹄涡相互作用，产生更强烈的涡流，进一步提高流体的掺混，提高气流与壁面、针肋表面的对流换热效果。另一方面，流体流过凹陷时，会产生向左和向右偏离流动方向45度角流动的涡流，这样的流动有助于强化针肋尾流区流体的扰动，强化针肋尾流区的传热。由于凹陷在提高流动湍流强度的同时并不阻挡流体流动，并使流过凹陷的流体发生偏转，这减少了流体对下游针肋的直接撞击，从而避免了流动损失的增大，