[发明专利]一种叶片冷却微通道结构

说明书

本发明提供一种叶片冷却微通道结构，属于叶片的热防护或冷却技术领域。所述叶片冷却微通道结构包括叶片，所述叶片包括叶顶、叶根和位于叶顶与叶根之间的叶身，所述叶身内设有若干分叉的多边形回路构成的网状的微通道，叶片顶部端壁和叶片根部端壁设有微通道入口和微通道出口；所述微通道与叶片顶部端壁相平行的截面为矩形，微通道高度为1～4mm，宽度为0.5～3mm。本申请提供的叶片冷却微通道结构，采用分叉的多边形回路构成的网状的微通道，能够在保证叶片冷却效果的同时显著减少冷气量的消耗。

技术领域

本发明涉及叶片的热防护或冷却技术领域，尤其涉及一种叶片冷却微通道结构。

背景技术

燃气轮机是先进能源系统的核心装备，广泛应用于船舶动力、航空推进、陆用发电等多个工业领域。燃气轮机的比功率和循环热效率随着透平进口温度的升高而增大。近年来，随着燃气轮机性能的不断提高，引导到叶片的燃气温度变的更高。透平进口温度已经远远超出了叶片材料的耐受温度，这使得暴露在高温燃气中的叶片热负荷增大，热应力增加，降低叶片的强度，缩短燃气轮机的使用寿命。

为了保证叶片在高温条件下持久、安全运行，需要对叶片进行冷却。常用的冷却方式是在叶片内部通道布置各种形状的肋片，来提高换热效果，在叶片外表面布置气膜孔来冷却叶片。随着冷气量的增加，冷却效率提高，但当流量到达一定程度后，冷却效率提高有限而压缩机的功率损耗显著增大。因此在不增加冷气用量的同时，提高叶片的冷却效率来满足更高要求的叶片冷却技术就显得十分重要。

发明内容

本发明的目的在于将分叉结构、多边形回路与微通道结合，形成一种应用于燃气轮机叶片的内部冷却微通道结构，该结构可以在消耗较少冷气量的同时，减小压力损失，提高叶片冷却效果，增强叶片的使用寿命，显著提高燃气轮机的效率。

为实现上述目标，本发明采用的技术方案是：提供一种叶片冷却微通道结构。所述叶片冷却微通道结构包括叶片，所述叶片包括叶顶、叶根和位于叶顶与叶根之间的叶身。叶顶所在的端面为叶片顶部端壁，叶根所在端面为叶片根部端壁。叶身包括内壁面与外壁面，叶身内壁面之间围合有多个中心腔。

所述叶身内设有若干分叉的多边形回路构成的网状的微通道，叶片顶部端壁和叶片根部端壁设有微通道入口和微通道出口；所述微通道与叶片顶部端壁相平行的截面为矩形，微通道高度为1～4mm，宽度为0.5～3mm。具有相同初始微通道入口的微通道为一个微通道组，两个结构相同的微通道组反向对称布置；微通道组的长度方向与叶片的高度方向相平行。每对反向布置的微通道组两侧成列设置有气膜孔，所述气膜孔贯穿叶身，连通中心腔与外壁面。所述微通道组包括平行段与分叉段，所述平行段的中心线与叶片高度方向相平行，分叉段的中心线与叶片高度方向所成夹角大于等于20°，小于等于40°；靠近微通道入口和微通道出口的均为平行段。

进一步地，所述一个微通道组分叉3～6次，经过第一次分叉后的通道，不断再次分叉并与同级通道不断汇合、分离，形成多个梯形与多边形回路。由同一个分叉形成的两个下一级通道截面的面积相等。

优选地，每个微通道组中，微通道入口处到第一次分叉之间为第一级微通道，其长度为L₁，其他级通道长度满足L_i＝ΣL_ij(i＝2,3,4,5,6,j＝1,2)；相邻两级通道的长度比L_k/L_k+1(k＝1,2,3,4,5)大于等于0.75，小于等于0.85。

进一步地，所述微通道组在叶片上布置时随叶片曲面弯曲，微通道组在其截面高度方向上的中心面与叶片曲面具有相同的曲率。

优选地，同一微通道组的分叉段，其中心线与叶片高度方向所成夹角相同。

优选地，分叉段的中心线与叶片高度方向所成夹角大于等于25°，小于等于35°。

进一步地，每列气膜孔的个数为12～18，气膜孔的直径为1.0～2.5mm。