[发明专利]适用于涡轮叶片后部冷却腔的W形肋通道冷却结构

说明书

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。