一种带有凹陷的隔板和涡轮叶片内部冷却通道的制作方法

本发明涉及燃气轮机或航空发动机高温部件的冷却技术领域，尤其涉及一种带有凹陷的隔板和涡轮叶片内部冷却通道。

背景技术：

提高涡轮前燃气温度，是现代航空发动机和燃气轮机发展的一个主要趋势。因此迫切需要更加高效、更加先进的冷却技术以保证燃气轮机涡轮叶片可靠地工作。由于冷却空气需从压气机抽取获得，因此增强的冷却技术意味着可以减少冷却流体的使用量，有利于提高航空发动机和燃气轮机的整体效率。

现有的涡轮叶片通常具有中空结构，并具有多个内部冷却流道，这些内部冷却流道由涡轮叶片的压力侧壁面1和吸力侧壁面以及隔板3所限定(如图1)。冷却通道内压力侧和吸力侧壁面内侧设置有扰流肋，冷却流体在带有扰流肋的冷却流道内流动，以冷却涡轮叶片。

经对现有技术文献的检索发现，Daigo Fujimura等(U.S.Patent No.8556583B2)，Ching-pang Lee(U.S.Patent No.5797726)提出了涡轮叶片内部具有多通道的带肋冷却结构。叶片中弦区内部壁面上带肋片扰流器的U形冷却通道。Daigo Fujimura等(U.S.Patent No.8556583B2)提出了在带有扰流肋的壁面上布置凹陷,以达到保持传热能力不变，但降低流阻的方法。但如专利(U.S.Patent No.8556583B2)所描述，凹陷涡和扰流肋布置在压力侧壁面和吸力侧壁面内壁表面上，尽管这能够提升传热性能，但是航空发动机涡轮叶片壁面通常很薄，在壁面上布置凹陷将使得壁面强度降低；并且由于凹陷内部还存在流动分离区，存在局部传热恶化，容易出现局部高温热斑。而只有发电用的燃气轮机涡轮叶片壁面较厚情况下，壁面上布置凹陷才是可行的。另外，由于涡轮叶片压力侧壁面和吸力侧壁面的内壁面上已布置有扰流肋片，因此在这些壁面上布置凹陷的表面区域很有限。这也将影响凹陷涡强化传热能力的发挥。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有能够提高对流传热性能且保持低的流动阻力的冷却通道及具有该冷却通道的涡轮叶片。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种隔板，用于分隔涡轮叶片内部的冷却通道，隔板包括隔板本体和设置在隔板本体上的多个凹陷。

进一步地，多个凹陷在隔板本体上呈错列排列，但不限于此。相对于其它排列形式，多个凹陷在隔板本体上呈错列排列时可以得到更优的传热强化效果。

进一步地，凹陷的深度与直径比小于0.5。

进一步地，多个凹陷设置在隔板本体的两个侧壁面或其中一个侧壁面上。

进一步地，多个凹陷包括第一凹陷和第二凹陷，第一凹陷的深度为小于隔板本体的厚度或小于隔板本体的厚度的一半，第二凹陷的深度为等于隔板本体的厚度或等于隔板本体的厚度的一半。

进一步地，第二凹陷设置在隔板本体的端部，所述隔板的所述端部是指冷却通道转弯区附近的隔板部分，隔板两侧的凹陷可以贯通。

本发明的第二方面提供了一种设置于涡轮叶片内部的冷却通道，冷却通道由涡轮叶片的内侧壁和上述任一种隔板限定而成。

进一步地，隔板设置有多个，使得冷却通道具有多个。

进一步地，涡轮叶片的内侧壁上设置有一个或多个扰流肋，使得冷却通道由扰流肋、涡轮叶片的内侧壁、隔板本体和凹陷限定而成。

进一步地，所述涡轮叶片的内侧壁上设置有一个或多个肋-凹陷复合结构。

本发明的第三方面提供了一种涡轮叶片，包括上述任一种隔板和上述任一种冷却通道，内侧壁包括压力侧壁面和吸力侧壁面，隔板的两个端部分别与压力侧壁面和吸力侧壁面相连接，多个隔板将冷却通道分割成多个冷却通道。

在本发明的较佳实施方式中，一种涡轮叶片，包括内侧壁、隔板和冷却通道，内侧壁包括压力侧壁面和吸力侧壁面，隔板的两个端部分别与压力侧壁面和吸力侧壁面相连接，冷却通道由隔板、压力侧壁面和吸力侧壁面限定而成；多个隔板将冷却通道分割成多个冷却通道。其中、压力侧壁面和/或吸力侧壁面上设置有一个或多个扰流肋。隔板包括隔板本体和多个凹陷，多个凹陷设置在隔板本体的两个侧壁面或其中一个侧壁面。

在本发明的另一较佳实施方式中，一种涡轮叶片，包括内侧壁、隔板和冷却通道，内侧壁包括压力侧壁面和吸力侧壁面，隔板的两个端部分别与压力侧壁面和吸力侧壁面相连接，冷却通道由隔板、压力侧壁面和吸力侧壁面限定而成；多个隔板将冷却通道分割成多个冷却通道。其中、压力侧壁面和/或吸力侧壁面上设置有一个或多个扰流肋。隔板包括隔板本体和多个凹陷，多个凹陷设置在隔板本体的两个侧壁面或其中一个侧壁面。多个凹陷包括第一凹陷和第二凹陷，第一凹陷的深度为小于隔板本体的厚度或小于隔板本体的厚度的一半，第二凹陷的深度为等于隔板本体的厚度或等于隔板本体的厚度的一半。第二凹陷设置在隔板本体的端部，隔板的端部是指冷却通道转弯区附近的隔板部分，这时隔板两侧的第二凹陷相互贯通。现有的涡轮叶片中，由于隔板侧壁面为平滑侧壁面，换热能力较低，且由于隔板与涡轮叶片的压力侧壁面和吸力侧壁面相连接，热量可通过隔板侧壁面传递到冷却流体。

本发明通过在隔板上设置多个凹陷，相对于现有技术，具有以下优势：

1、隔板侧壁面上的凹陷将产生近壁面二次流，增强了近壁面的湍流强度，提高了隔板侧壁面换热能力，因此提升了冷却通道的整体换热能力，并且不增加冷却通道的压力损失。或者可以在保持相同冷却通道传热能力调节下，减少扰流肋个数，从而明显降低冷却通道的压力损失。减少扰流肋的个数也有利于减轻涡轮叶片的重量。

2、隔板侧壁面设置凹陷有利于减轻涡轮叶片的重量。

3、隔板上设置的凹陷有利于抑制内部冷却通道流动转弯处的流动分离，减轻了流动损失，提升了内冷却通道转弯区域的换热均匀性。

4、在隔板上尤其在隔板端部(靠近流动分离区域)设置一个或多个深度等于隔板厚度或隔板厚度的一半的凹陷，即将隔板打穿的凹陷，能抑制另一侧流道(即流动转弯后的流道)的流动分离，降低了涡轮叶片内部冷却通道的压力损失，并改善了具有扰流肋的壁面的传热均匀性。

5、通过在相对的隔板侧壁面设置浅凹陷(凹陷的深度与直径比小于0.5)，有利于减少冷却通道的压力损失，并保持冷却通道的传热与冷却能力。

6、在隔板上设置凹陷，并且也在涡轮叶片压力侧和吸力侧内壁面上设置凹陷形成肋-凹陷复合结构，可进一步提升冷却通道传热能力，并且流动压降增加不明显。

本发明的带凹陷涡的扰流肋冷却通道比传统的扰流肋冷却通道总体传热性能提升了15％-20％。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是现有的涡轮叶片的示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例中的涡轮叶片的示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的涡轮叶片的局部示意图；

图4是本发明的另一较佳实施例的涡轮叶片的局部示意图；

图5是两种冷却通道总体换热性能数据比较图。

具体实施方式

如图3所示，本发明的一个较佳实施例提供了一种涡轮叶片10，包括压力侧壁面1、吸力侧壁面2、隔板3和冷却通道，其中，压力侧壁面1和吸力侧壁面2上设置有多个扰流肋4，该扰流肋4呈长条形，多个扰流肋4相互平行设置。隔板3的两端分别与压力侧壁面1和吸力侧壁面2向连接。冷却通道由隔板3、压力侧壁面1和吸力侧壁面2限定而成。如果设置多个隔板3，则冷却通道将被分割成多个冷却通道。

其中，隔板3上设置有多个凹陷32。多个凹陷32在隔板本体31上呈错列排列，这是一种优选的实施方式，在其它实施例中，也可以按照其它的排列方式。多个凹陷32设置在隔板本体31的两个侧壁面或其中一个侧壁面。凹陷32的深度小于或等于隔板本体31的厚度，或者凹陷32的深度小于或等于隔板本体31的厚度的一半。

本实施例中，凹陷32的深度与直径比小于0.5，当凹陷32的深度与直径比为0.2时较佳。

在一个实施例中，多个凹陷32包括第一凹陷和第二凹陷，第一凹陷和第二凹陷设置在隔板本体31的其中一个侧壁面，第一凹陷的深度小于隔板本体31的厚度，第二凹陷的深度等于隔板本体31的厚度，即第二凹陷的底部在厚度方向上穿过隔板本体31。

在一个实施例中，多个凹陷32包括第一凹陷和第二凹陷，第一凹陷和第二凹陷设置于隔板本体31的两个侧壁面，第一凹陷的深度小于隔板本体31的厚度的一半，第二凹陷的深度等于隔板本体31的厚度的一半，即位于两侧的第二凹陷的底部各自在厚度方向上穿过隔板本体31的一半厚度，使隔板本体31被打穿。

在一个实施例中，第二凹陷设置在隔板本体31的上端部和下端部，隔板本体31的端部是指冷却通道转弯区附近的隔板部分，具体来说，是指隔板本体31的上端部和下端部分别与涡轮叶片的连接处或靠近连接处，这时隔板本体31两侧的第二凹陷相互贯通。

本实施例的冷却通道由扰流肋4、涡轮叶片的压力侧壁面1和吸力侧壁面2、隔板本体31和凹陷32限定而成。隔板3侧壁面上的凹陷32将产生近壁面二次流，增强了近壁面的湍流强度，提高了隔板3侧壁面换热能力，因此提升了冷却通道的整体换热能力，并且不增加冷却通道的压力损失。或者可以在保持相同冷却通道传热能力调节下，减少扰流肋4个数，从而明显降低冷却通道的压力损失。减少扰流肋4的个数也有利于减轻涡轮叶片的重量。隔板3上设置凹陷32也有利于减轻涡轮叶片的重量。

在隔板3上设置一部分打穿隔板3的凹陷32，有利于抑制另一侧的流动分离，降低了涡轮叶片内部冷却通道的压力损失，并改善了具有扰流肋4的壁面的传热均匀性。

如图4所示，本发明的另一实施例提供了一种涡轮叶片，包括压力侧壁面1、吸力侧壁面2、隔板3和冷却通道，其中，压力侧壁面1和吸力侧壁面2上设置有多个扰流肋4，该扰流肋4呈长条形，多个扰流肋4相互平行设置。隔板3的两端分别与压力侧壁面1和吸力侧壁面2向连接。冷却通道由隔板3、压力侧壁面1和吸力侧壁面2限定而成。如果设置多个隔板3，则冷却通道将被分割成多个冷却通道。其中，隔板3上设置有多个凹陷32。多个凹陷32在隔板本体31上呈错列排列。多个凹陷32设置在隔板本体31的两个侧壁面或其中一个侧壁面。凹陷32的深度小于或等于隔板本体31的厚度，或者凹陷32的深度小于或等于隔板本体31的厚度的一半。

在该实施例中，多各凹陷32在隔板本体31上的密度更大。由于隔板本体31上设置了较高密度的凹陷32，进一步提升了隔板3表面的换热能力，从而进一步提升了整个冷却通道的传热能力。

图5显示了两种冷却通道，即扰流肋冷却通道和带凹陷涡的扰流肋冷却通道的总体换热性能数据比较图。此处扰流肋冷却通道为现有技术，指的是这样的情况：压力侧壁面和吸力侧壁面上设置有扰流肋，但隔板上没有设置凹陷，因此扰流肋冷却通道由压力侧壁面、吸力侧壁面、扰流肋和隔板限定而成。带凹陷涡的扰流肋冷却通道指的是本发明的情况：压力侧壁面和吸力侧壁面上设置有扰流肋，且隔板上设置有凹陷，因此带凹陷涡的扰流肋冷却通道由压力侧壁面、吸力侧壁面、扰流肋、凹陷和隔板限定而成。由图5可知，本发明实施例的带凹陷涡的扰流肋冷却通道比传统的扰流肋冷却通道总体传热性能提升了15％-20％。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。