本发明属于叶轮机械领域，涉及一种旋流与冲击相结合的透平叶片内部冷却结构。
背景技术：
目前，透平进口燃气温度已经达到1600K以上，远远超过了透平叶片材料的耐热极限。因此，必须对叶片采取有效的冷却措施，才能保护叶片免受高温燃气破坏，当前主要采用叶片前缘冲击冷却、叶片内部蛇形通道对流冷却、叶片尾缘扰流柱肋冷却和气膜冷却相结合的复合冷却方式。随着透平进气温度的不断提高，如继续采用现有冷却结构，则必须增加冷却气体的流量，会导致透平功率和效率的降低，抵消提高进气温度带来的收益。因而发展新的高效的冷却结构是透平冷却技术研究的一个重要内容。
冲击冷却，是使冷气通过冲击喷嘴射入冷却腔室，并以较高的速度冲击靶面，与靶面间发生强烈的对流换热从而实现对叶片的冷却。该冷却方式中，冷气高速冲击靶面破坏了滞止点附近的边界层，因此该冷却方式具有局部区域(滞止点附近)换热强度高的特点。但靶面其他位置换热强度低，同时冲击射流易受到横向气流推挤。这些缺点削弱了冲击冷却的冷却效果。
旋流冷却是一种新的叶片前缘冷却方式。该冷却方式中，进气腔室中的冷气通过旋流喷嘴切向进入冷却腔室，形成大尺度的高速旋转运动，冲刷靶面边界层，同时加强了冷气掺混以实现对叶片的冷却。旋流冷却具有冷却能力好、气动特性优良等特点。相较于冲击冷却，旋流冷却的换热分布更为均匀，同时其抵抗横流的能力也更强。但旋流冷却的局部换热能力弱于冲击冷却。目前的燃气轮机透平进口气流温度分布不均匀，存在“热斑”等局部高温区域；而旋流冷却不能有效应对畸变的温度场。这一缺点影响了旋流冷却的应用。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有的旋流冷却和冲击冷却的缺点，综合两种冷却方式的优点，提供一种结构简单、换热分布合理、冷却效果好的旋流与冲击相结合的透平叶片内部冷却结构，该结构适用于复杂高温燃气环境下的叶片内部冷却。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种旋流与冲击相结合的透平叶片内部冷却结构，包括进气腔室、冷却腔室、出口和若干喷嘴；进气腔室和冷却腔室通过若干喷嘴相连接；冷气在进气腔室内通过若干喷嘴进入到冷却腔室中，形成旋流射流与冲击射流，并且两股射流相互作用，形成复合流动结构，与冷却腔室壁面进行对流换热，从而实现对靶面的冷却。
本发明进一步的改进在于：
喷嘴包括冲击喷嘴和旋流喷嘴，进气腔室和冷却腔室通过旋流喷嘴和冲击喷嘴相连接。
旋流喷嘴的截面为矩形，位于与冷却腔室圆弧段相切的位置。
冲击喷嘴的截面为圆形，垂直于冷却腔室的上表面中间位置。
冷却腔室与进气腔室宽度相同，且平行布置。
出口的截面为矩形，位于冷却腔室末端上表面中间位置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明是由旋流冷却和冲击冷却组合而成。冷气进入进气腔室后，经由旋流喷嘴和冲击喷嘴进入到冷却腔室，通过旋流与冲击的相互作用产生了新的复合流动结构，从而实现对冷却腔室壁面的冷却。本发明具有换热性能好、压力损失低、抗横流能力强的特点，可用于燃气轮机和航空发动机透平叶片的内部冷却中。本发明在换热方面具有换热分布均匀，局部换热强度高的优点，适用于温度高且温度场不均匀的燃气环境；其次，本发明在流动方面抗横流能力强，压力损失小，效率高。最后，本发明结构简单、工作可靠、喷嘴排布方式灵活，适于大范围的工业应用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图正视图；
图2为本发明的结构示意图侧视图；
图3为三种冷却方式下的靶面努塞尔数沿着轴向Z的分布图；其中，(a)为旋流冷却，(b)为旋流与冲击冷却结合，(c)冲击冷却；
图4为本发明的立体结构示意图。
其中，1-进气腔室；2-旋流喷嘴；3-冲击喷嘴；4-出口；5-冷却腔室。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1-2，本发明旋流与冲击相结合的透平叶片内部冷却结构，包括进气腔室1、冷却腔室5、出口4和若干喷嘴。喷嘴包括冲击喷嘴3和旋流喷嘴2，进气腔室1和冷却腔室5通过旋流喷嘴2和冲击喷嘴3相连接。旋流喷嘴2和冲击喷嘴3可等距布置，也可不等距布置，或者改变旋流喷嘴与冲击喷嘴的数量进行自由组合，依照实际情况而定；旋流喷嘴2截面为矩形，位于与冷却腔室5圆弧段相切的位置；冲击喷嘴3截面为圆形，垂直于冷却腔室5的上表面中间位置；冷却腔室5与进气腔室1宽度相同，平行布置。出口4截面为矩形，位于冷却腔室末端上表面中间位置。冷气在进气腔室1内通过旋流喷嘴2和冲击喷嘴3进入到冷却腔室5中，形成旋流射流与冲击射流，并且两股射流相互作用，形成新的复合流动结构，与冷却腔室5壁面，也就是靶面进行强烈的对流换热，从而实现对靶面的冷却。
本发明的原理：
为比较三种不同的冷却方式，验证组合冷却的优点，本发明采用了CFD模拟仿真的方式。三种冷却方式的冷却腔室、进气腔室都采用相同的模型，仅在喷嘴和出口的布置上有所不同。
为比较三种冷却方式的换热效果，定义冷气的努塞尔数Nu：
其中，qw为热流密度；Dc为冷却腔室的直径；λ为导热系数；T为冷却气温度；Tw为靶面温度。Nu实际上是对流换热强度与热传导换热强度的比，为表征对流换热强度的准则数。Nu还有许多其他的形式，本发明所采用的形式中，各量更容易在CFD计算结果中导出。
图3给出了三种冷却方式下的靶面努塞尔数沿着轴向Z的分布：图(a)为旋流冷却Nu分布等值线图；图(b)为旋流与冲击组合冷却的Nu分布等值线图和局部放大图；图(c)为冲击冷却的Nu分布等值线图和局部放大图。
为比较三种冷却方式的综合性能，定义综合换热系数η：
式中：为全场平均努塞尔数；Nu0＝0.023Re0.8Pr0.4为Dittus-Boelter努塞尔数；为摩擦系数；f0＝0.0791Re-0.25为布拉修斯摩擦因数。
下表给出了计算结果：
表1三种冷却方式的压力损失
由图3(b)、(c)可以看出，与常规冲击冷却相比，组合冷却方式下靶面的换热强度更均匀，消除了冲击冷却局部换热强度过低的区域，从而可以更有效地保护叶片，同时也使得冷气得到了更加充分的利用。由图3(c)可以看出，冲击冷却的换热效果受到了横流的显著影响，换热强度沿轴向出现了较大的衰减。组合冷却则有着较强的抗横流能力，换热效果受横流的影响较小。
由图3(a)、(b)可以看出，与常规旋流冷却相比，组合冷却方式继承了旋流冷却换热分布均匀、抗横流能力强的优点。同时，在常规旋流冷却的基础上引入了局部高换热区域。这些高换热区域能够更有效地冷却叶片的局部高温区域，能更有效地保护叶片免受高温破坏。
由表1中可以看出，组合冷却的换热强度略低于旋流冷却的换热强度，比冲击冷却的换热强度高出很多。同时，组合冷却的压力损失低于旋流冷却与冲击冷却。评价综合换热性能的参数上，组合冷却最优。因此，旋流冷却与冲击冷却两种方式的结合，提升了冷却的综合效果。
旋流喷嘴和冲击喷嘴的排列组合方式不唯一，可以灵活改变两种喷嘴的种类、数量以及位置关系。燃烧室产生的高温燃气由受到流场变化、燃烧不均匀等因素的影响，会产生畸变的温度场，出现“热斑”等现象。而不同参数的燃气轮机中的畸变温度场也不同。组合冷却可以通过灵活布置不同种类的喷嘴，实现对不同燃气温度场的有效应对。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。