[实用新型]一种涡轮叶片及用于涡轮叶片内冷通道的V型凹陷肋结构

说明书

本实用新型公开了一种涡轮叶片及用于涡轮叶片内冷通道的V型凹陷肋结构，涉及燃气轮机透平冷却技术。在传统V型肋的基础上，在斜肋根部去掉部分尖端变为凹陷直肋，凹陷直肋高度小于斜肋高度。以V型凹陷肋的排列方向为正视方向，V型凹陷肋的正视图为中间具有凹陷的矩形，V型凹陷肋的俯视图为去掉部分尖端变为平直段的V型，V型凹陷肋的侧视图为正方形，但仍属于连续肋，没有填充区域的存在，因此更容易加工。由于凹陷直肋的存在，消除了气流交汇处产生的滞止区域，使得强化换热面积增大，流动损失减小，流阻降低，并且凹陷直肋可以横向及纵向延长，使得单肋重量进一步下降。

技术领域

本实用新型涉及燃气轮机冷却技术领域，尤其涉及一种涡轮叶片及用于涡轮叶片内冷通道的V型凹陷肋结构。

背景技术

燃气轮机热效率的提高主要通过提升涡轮进口温度实现，目前先进燃气轮机的涡轮进口温度已远超叶片材料的耐温极限，高效涡轮冷却技术是保证燃气轮机可靠运行的关键。尤其是涡轮动叶，其冷却通常采用气膜冷却与内部横流通道组合的方式。内部冷却主要是包括冲击冷却和对流冷却，目前应用最广泛的是带角度肋的蛇形内冷通道与高性能异形气膜孔的组合结构。

对流换热的本质是流体与固体壁面的换热。要实现涡轮叶片高效冷却，从流动换热机理上看就要增加叶片内表面边界对冷却气体的扰动，强化冷却气体与壁面的换热效果。如通过在叶片内表面浇筑多个肋片及扰流柱等手段达到使边界层变薄的目的。由于肋及扰流柱的存在引起了肋后的湍流边界层再附着过程。边界层再附着以后将会重新开始发展，在再附点边界层达到最薄，从而增大冷却气体换热效果。但壁面扰动的加剧往往伴随着涡轮叶片内部冷却通道压降损失的增加，因此涡轮内部冷却通道的设计必须要兼顾换热能力以及流动损失。

国内外学者已经对肋通道进行了大量的数值和实验研究，如Han等研究了宽高比为1时，不同结构类型的肋换热性能，结果显示正V型肋有更好的换热性能，交叉肋压损最大，换热性能提升最小。Ahn等实验研究了矩形带肋通道的换热情况，结果表明随着带肋壁面数的增加，当地换热系数和摩擦因子将增加。Tanda等与Schüler等采用数值与实验手段分别研究了不同倾角肋片通道对流换热效果，指出在相对的壁面同时存在肋片时，整个壁面换热能力增强，但同时压损也上升。Anil Kumar Patil对几种 V型间断肋进行了详细研究，研究表明：V型间断肋在间断距离比为0.6，填充距离比为0.6时，得到最大的斯坦顿数，消除了V型肋在气流交汇处产生的滞止现象。同时能够显著提升冷却效率。

综上所述，间断肋能使V型肋保持较高的换热效率的同时降低流动阻力，但由于间断肋结构的不连续，使得在制造过程中有填充段的存在，增大了加工难度，提高了成本，目前没有应用于实际叶片。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

针对现有技术的缺点和不足，降低间断肋的加工难度及制造成本，降低其对于涡轮内冷却通道中的流阻，本实用新型提出一种涡轮叶片及用于涡轮叶片内冷通道的V型凹陷肋结构。

(二)技术方案

本实用新型提供了一种用于涡轮叶片内冷通道的V型凹陷肋结构，包括V型肋片以及凹陷区域，包括设置在内冷通道内壁的一排多个凹陷肋，每个凹陷肋包括：与通道中心线倾斜设置的两个斜肋，两个斜肋靠近通道中心线的端部通过凹陷的直肋连接。

所述V型凹陷肋结构以等间距方式重复排列。

两个斜肋沿通道中心线对称设置。

所述凹陷直肋沿通道中心线对称分布。

凹陷直肋的高度小于斜肋高度，所述高度指垂直于设置有凹陷肋的内冷通道内壁的长度。

所述斜肋导流倾角为45度。

凹陷直肋高度与斜肋高度比为0.25-0.75，凹陷直肋长度与肋片长度比为0.05-0.25。