[发明专利]一种以柱排肋片为基本冷却单元的燃机叶片内部冷却结构

说明书

本发明公开了一种以柱排肋片为基本冷却单元的燃机叶片内部冷却结构，包括具有一定排布规律的肋柱，肋柱沿通道轴向每隔一定间距重复排布，直至布满内冷通道中参与叶片表面换热的两个侧壁面，柱排肋片的肋片横截面形状为圆形、椭圆形或如水滴形状，在冷却通道中添加柱排肋片，可有效减少普通肋片迎风侧与背风侧底端的高温死角的面积，增加壁面换热均一度，此外本发明可有效减少换热壁面上液膜的形成，减少了叶片热应力的产生，增加叶片换热效果，延长了叶片的使用寿命。

技术领域

本发明属于燃机叶片内冷通道冷却技术领域，具体涉及一种以柱排肋片为基本冷却单元的燃机叶片内部冷却结构。

背景技术

随着燃气轮机技术的不断进步，为提高燃气轮机的工作效率，提高燃气轮机进口初温是一条行之有效的方法，但是由于金属材料自身的材料属性的限制，当主流燃气温度高过一定的阈值（1400℃）后，叶片材料的力学性能随之大幅降低，当叶片继续在此高温条件下高速运转时，材料发生断裂的可能性大大增加，造成设备毁坏。通过在燃气轮机叶片内部增加复杂的冷却通道，并通以冷却介质对叶片表面进行冷却是较为有效的燃机叶片冷却方式。

目前常用的或正在研发中的燃机叶片内部都会添加结构复杂的冷却通道，以增加内冷通道内冷却介质的湍流度进而提升冷却介质的换热效果，从而保证将叶片的温度控制在一定范围内，延长叶片的使用寿命。叶片内部冷却通道中壁面添加的扰流结构种类繁多，有斜肋、直肋、柱肋、V型肋、凹坑、凸台等等，主要的作用是增加通道内部冷却介质的湍流度以减少边界层厚度，增加换热效果。在叶片内部，常用的冷却介质一般为空气或过热蒸汽。空气或过热蒸汽冷却介质应用在传统带肋通道后，肋片的迎风侧以及背风侧会形成一定范围的漩涡，在漩涡的底部靠近肋片边角处会形成高温死角，降低了换热效果。该问题的存在制约了传统空气或蒸汽冷却介质的冷却效率。此外空气或蒸汽在运动过程中的冷凝产生的微小水滴会在肋片迎风侧以及部分壁面位置形成液膜，液膜所在位置的温度将远低于没有液膜的位置，由此导致壁面换热不均。过高的换热不均匀度会导致叶片表面热应力的产生，进而造成叶片寿命缩短。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种以柱排肋片为基本冷却单元的燃机叶片内部冷却结构，该结构可以有效增加通道内冷却介质的湍流度，减少边界层厚度，提升叶片内冷通道换热效果，使壁面温度有效降低。

为达到上述目的，本发明所述一种以柱排肋片为基本冷却单元的燃机叶片内部冷却结构包括冷却通道本体，冷却通道的内侧壁上沿冷却通道轴向固定有若干并列设置的柱排肋片，相邻的柱排肋片之间的距离相等，柱排肋片包括若干规律排布且间隔设置的肋柱。

进一步的，柱排肋片为平行斜柱排肋片、上下壁面交错的平行斜柱排肋片、V型柱排肋片、上下壁面交错的V型柱排肋片、间断V型柱排肋片、上下壁面交错的间断V型柱排肋片、W型柱排肋片或上下壁面交错的W型柱排肋片。

进一步的，过同一排肋柱中心的连线与冷却介质的流动方向的夹角为α，α的取值范围为30°—150°。

进一步的，肋柱的直径D为1mm—3mm。

进一步的，肋柱的高度e的取值范围为：D/2≤e≤H/2，其中，D为肋柱的直径，H为冷却通道的高度。

进一步的，位于同一柱排肋片的相邻两个肋柱之间的间距为Dc，Dc≤2D，D为肋柱的直径。

进一步的，相邻两个柱排肋片之间的距离为p，3D≤p≤20D。

进一步的，柱排肋片所在的冷却通道的宽高比为W/H，1/4≤W/H≤4/1，其中W为冷却通道的宽度，H为冷却通道的高度。

进一步的，肋柱为类圆柱形。