专利名称：一种大小肋片交替结构的强化传热装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有交替大、小肋片结构的强化传热装置，针对燃气轮机叶片内 部冷却技术而研发，用于布置在透平叶片内部冷却通道之中，实现对叶片的有效冷却。
背景技术：
带肋通道结构是一种简单、有效的燃气轮机叶片内部冷却方式，将肋片以一定形 式布置在内流通道之中，通过对壁面附近流体的扰流并增大有效换热面积的方式使得换热 性能得到强化。对于带肋通道来说，要获得更高的换热系数通常需要以更大的流动阻力为 代价，而更大的流动阻力意味着更多的能量损失，因此，强化换热的性能好坏需要通过换热 系数与流动阻力系数来综合判断。要得到更好的燃气轮机整体性能，就要设计出同时具有 更大换热系数与更小流动阻力系数的换热结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大小肋片交替结构的强化传热装置，即在常见的带肋 通道结构基础上采用交替大、小肋片结构的强化传热装置，使其换热系数较带有单一尺寸 肋片结构的通道具有更高的换热系数并具有更小的流动阻力系数。这种结构形式简单，易 于制造。为实现上述目的，本发明提供的大小肋片交替结构的强化传热装置，是在强化换 热壁面上的大肋片之间，间隔地设置有尺寸较小的相同形状的小肋片，且大肋片与小肋片 相互平行，小肋片的高度为大肋片高度的0. 3 0. 5倍，在换热壁面上形成周期性布置的交 替大、小肋片结构，气流流过大肋片时，小肋片使气流受到的流动阻力减小。本发明的大、小肋片的形状可以为直型或V型。本发明的交替大小肋片结构的换热性能明显优于单一大肋片结构，另外，制造交替大小肋片结构的工艺简单，难度较低，与单一大肋片结构相当，均易于制造。
图1是采用单一尺寸肋片的带肋通道的换热表面示意图；图2是气流在肋片扰流作用下的流动示意图；图3是本发明的交替大小直型肋片换热结构图。图4(a)、(b)、(c)是不同带肋通道壁面换热系数分布(数值模拟，雷诺数为 6 X IO4)。图5表示了图4中的3种情况不同雷诺数下的努塞尔数。图6表示了图4中3利情况不同雷诺数下的流动阻力系数。图7表示了图4中3种不同雷诺数下的综合强化换热系数。图8是具有单一尺寸肋片的V形肋强化换热结构。图9是本发明具有大小肋片的V形肋强化换热结构。
图10(a)表示图8带V型肋通道的壁面换热系数(数值模拟，Re = 6X IO4)；图 10(b)表示图9带V型肋通道的壁面换热系数(数值模拟，Re = 6X IO4)。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细说明。图1是公知技术中内部带有单一尺寸肋片的通道中，典型的大肋片高度e在 0. 05D 0. ID之间，肋片间距ρ与肋片高度e之比在7 15之间。图2是气流在肋片扰流作用下的流动示意情况，在肋片上游形成前台阶回流，此 区域具有较低的换热系数，气流冲击到肋片前缘时有较大的压力损失。图3是本发明在P2/Pl为0. 5 0. 8之间的位置，即大肋片前台阶回流区域附近， 加入小肋片(小肋片的高度为大肋片的0.3 0.5倍之间)。采用大小肋片结构之后，大肋 片前台阶回流区域的换热能力有所增强，在流动上，小肋片起到引导、过渡的作用，使流动 阻力有所减小。增加的小肋片的高度在0. 3e 0. 5e之间，小肋片位于两大肋片之间靠近下游大 肋片一端，与下游大肋片的距离在0. 2p 0. 5p之间。从上述内容和附图中可以看出，在采用单一大肋片的结构中，当气流流过肋片时， 在肋片上、下游都会产生回流(前台阶回流与后台阶回流)，在肋片下游的后台阶回流之后 气流会再附着，再附着区域的换热系数很高，而这个高换热系数区域一直延伸到紧邻的下 一个肋片的前台阶回流位置的上游附近，有回流区域的换热系数较低。加入小肋片之后， 大肋片前台阶回流区域的换热能力得到了改善，小肋片在增大带肋通道有效换热面积的同 时，对于气流流过下游大肋片起到一个过渡的作用，使气流在整个通道中的流动阻力有所 减小。图4给出了两种大、小肋片结构与原始单一尺寸肋片等三种结构在来流基于通道 进口水力直径与进口处流动参数的雷诺数(Re)为60000时的换热系数结果。其中，图4a 是原始单一尺寸肋片结构，图4b是在原始结构的大肋片下游0. 5倍肋间距位置设置一个小 肋片，图4c是在原始结构的大肋片下游0. 6倍肋间距位置设置一个小肋片，所有的小肋片 均为大肋片尺寸的一半。图中显示，使用小肋片之后，大肋片上游附近的换热能力有明显改
口 ο图5给出了图4的三种结构在不同雷诺数条件下的努塞尔数(Nu)。图中显示使用 大、小肋片结构的两种方案的无量纲换热能力有所提升。图6给出了图4的三种结构在不同雷诺数条件下的流动阻力系数(Cf)。结果显 示在原始大肋片下游0. 6倍肋间距位置加入小肋片之后，冷却通道的流动阻力系数有所下 降。图7给出了图4的三种结构在不同雷诺数条件下的综合强化换热系数(η )，其中， 综合强化换热系数η = (Nu/Nus)/(Cf/CJ1730图中显示，在雷诺数(Re)高于20000时，采 用大、小肋片结构之后，通道的综合换热能力可以得到提高。从上述图4-图7的结果显示，交替大、小肋片结构使通道的换热性能得到了改善。交替大、小肋片结构同样适用于带有V型肋片的结构，请参阅图8和图9所示，其 中图8给出了具有单一尺寸V型肋片，图9给出了具有交替大、小V型肋片的结构，图10 (a)表示图8单一尺寸V型肋通道在来流基于通道进口水力直径与进口处流动参数的雷诺数 (Re)为60000 (数值模拟，Re = 6X IO4)时的换热系数结果。图10(b)表示图9带有交替大 小V型肋通道在来流基于通道进口水力直径与进口处流动参数的雷诺数(Re)为60000(数 值模拟，Re = 6 X IO4)时的换热系数结果(对其结果不再做分析)。
本发明不局限于上述方腔通道强化换热壁面，同样适用于圆管、板式或其他形状 的强化换热壁面，只要在周期性的肋片之间周期性的安置小肋片，均属于本发明的范围。
权利要求
一种大小肋片交替结构的强化传热装置，用于流体对流换热的强化换热，在强化换热壁面上的大肋片之间，间隔地设置有尺寸较小的相同形状的小肋片，且大肋片与小肋片相互平行，小肋片的高度为大肋片高度的0.3～0.5倍，在换热壁面上形成周期性布置的交替大、小肋片结构，气流流过大肋片时，小肋片使气流受到的流动阻力减小。
2.根据权利要求1所述的强化换热结构，其中，大、小肋片的形状为直型或V型。
3.根据权利要求1所述的强化换热结构，其中，设相邻大肋片之间的间距为P，则小肋 片设置在大肋片下游0. 5 0. 8p之间的位置。
4.根据权利要求1所述的强化换热结构，其中，强化换热壁面为方腔通道、圆管通道或 板式通道。
全文摘要
一种大小肋片交替结构的强化传热装置，用于流体对流换热的强化换热，在强化换热壁面上的大肋片之间，间隔地设置有尺寸较小的相同形状的小肋片，且大肋片与小肋片相互平行，小肋片的高度为大肋片高度的0.3～0.5倍，在换热壁面上形成周期性布置的交替大、小肋片结构，气流流过大肋片时，小肋片使气流受到的流动阻力减小。该结构具有结构简单、易于制造的特点，适合应用于燃气轮机叶片的内部冷却之中。
文档编号F01D5/18GK101813005SQ20091007855
公开日2010年8月25日 申请日期2009年2月25日 优先权日2009年2月25日
发明者刘建军, 苏生 申请人:中国科学院工程热物理研究所