一种利用旋转效应的燃气透平动叶增压冷却结构

1.本发明属于燃气轮机透平冷却技术领域，特别涉及一种利用旋转效应的燃气透平动叶增压冷却结构。


背景技术：

2.燃气轮机由于其体积紧凑，重量轻，功率高，启动快速等优点被广泛应用于航空航天、船舶电力等诸多工业领域，在国民经济生活中发挥了重要作用，而透平叶片作为核心部件直接工作在极高温燃气中，进口温度甚至超过高温合金熔点，为了保障燃气透平的安全运行及工作寿命，提升整体性能表现，需要对燃气透平叶片进行有效冷却。
3.传统的叶片冷却结构通常依据静止条件下的气动过程进行设计及实验测试，但燃气透平工作时高速旋转的旋转效应对叶片内冷却气流的压力分布、流动现象、换热过程具有显著影响。为进一步提高透平叶片冷却结构的换热性能，减少旋转效应对气流组织、换热过程的不良影响，并利用旋转效应降低对冷却气量及压力的要求，需要提出更为高效的冷却结构。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种利用旋转效应的燃气透平动叶增压冷却结构，通过具有三角结构的z形回转增压腔体提高叶片强度；同时实现压力面及吸力面供气腔体间的分隔，使供气腔内冷却气流径向运动时所受旋转科氏力始终指向冲击-对流串联冷却层板，既提高冲击-对流串联冷却层板的供气压力，又有效解决高转速条件下压力面与吸力面冷却气流间压力梯度过大的问题。通过冲击-对流串联冷却层板中的径向导流隔板及其上间隔开设的导流射缝增强气流在径向腔体中的横向涡旋，提高换热系数。最终有效降低冷却结构的抽气压力及抽气量，减弱旋转效应对冷却过程潜在的不利影响，提高燃气透平的冷却性能。
5.本发明采用如下技术方案来实现的：
6.一种利用旋转效应的燃气透平动叶增压冷却结构，将燃气透平叶片沿流向顺次分为前缘冷却结构、增压冷却结构和尾缘冷却结构；
7.增压冷却结构包括流向中间隔板，多级布置的z形回转增压腔体及冲击-对流串联冷却层板，其中，z形回转增压腔体、冲击-对流串联冷却层板以及流向中间隔板均位于叶片内部；z形回转增压腔体中，级间隔板与叶根平台间存在连通相邻两级z形回转增压腔体的根部折返通道；冲击-对流串联冷却层板分为压力面冲击-对流串联冷却层板和吸力面冲击-对流串联冷却层板，压力面冲击-对流串联冷却层板中，级间隔板与叶根平台间存在连通两级冲击-对流串联冷却层板的压力面级间层板通道，吸力面冲击-对流串联冷却层板中，级间隔板则与叶顶壁面间存在连通两级冲击-对流串联冷却层板的吸力面级间层板通道；
8.z形回转增压腔体的壁面上开设有冲击冷却孔，通过冲击冷却孔为同级冲击-对流
串联冷却层板供气；流向中间隔板的周向两端面分别位于叶片压力面与吸力面型面与轴向相切的位置处，并固定充当级间隔板。
9.本发明进一步的改进在于，冲击冷却孔的形状为圆形、椭圆形或星形。
10.本发明进一步的改进在于，叶片壁面上布置有气膜孔有益提供气膜冷却，并能够在叶片壁面的内壁面增加球窝或球凸冷却单元。
11.本发明进一步的改进在于，z形回转增压腔体及冲击-对流串联冷却层板组成的冷却级在叶身内部采用多级布置，级数n≥2，相邻级之间通过级间隔板进行分隔。
12.本发明进一步的改进在于，z形回转增压腔体中包含中间隔板，用于将回转增压腔体分隔为压力面供气腔体及吸力面供气腔体，并且中间隔板与叶顶壁面间存在连通压力面供气腔体及吸力面供气腔体的顶部折返通道。
13.本发明进一步的改进在于，z形回转增压腔体中的压力面供气腔体中均为离心气流，吸力面腔体中均为向心气流。
14.本发明进一步的改进在于，z形回转增压腔体中的压力面供气腔体中离心气流到达叶顶后通过中间隔板与叶顶壁面间的顶部折返通道翻折180
°
进入吸力面供气腔体中为吸力面供气腔体供给向心气流；当吸力面供气腔体中的向心气流到达叶根后，通过根部折返通道翻折180
°
为下级z形回转增压腔体的压力面供气腔供给离心气流，以此循环逐级供气。
15.本发明进一步的改进在于，冲击-对流串联冷却层板中包括冲击冷却层板区域及对流冷却层板区域，其中冲击冷却层板区域的冲击靶面为叶片内壁面，对流冷却层板区域中则设置有径向导流隔板，分隔对流冷却层板区域为多个径向腔室，以引导气流在径向腔室中径向流动并提高换热面积；
16.自z形回转增压腔体中供给的冷却气流通过z形回转增压腔体壁面上的冲击冷却孔冲击叶片内壁面后在冲击-对流串联冷却层板中汇集，集中冷却气流量，随后从叶顶或叶根端翻转180
°
进入对流冷却层板区域的多个径向腔室中进行对流冷却，层板中气流汇集流动的方向与其供气腔体内气流的径向流动方向相同，即在压力面的冲击-对流串联冷却层板中，冷却气流按离心流向汇集，吸力面的冲击-对流串联冷却层板中，冷却气流按向心流向汇集。
17.本发明进一步的改进在于，冲击-对流串联冷却层板中布置有径向导流隔板，将冲击-对流串联冷却层板中的对流冷却区域分隔为多个径向腔室，定义每个径向腔室的横向截面长宽比λ为其横向截面上叶片壁面长度与两侧径向导流隔板平均长度之比，并且所有径向腔室的横向截面长宽比λ均保持在0.8-1.2之间。
18.本发明进一步的改进在于，冲击-对流串联冷却层板中设置的径向导流隔板上间隔开设有导流射缝，其径向间隔长度为l1，优选地与导流射缝径向长度l2相等，l1＝l2，射缝导流所促进涡旋的旋向与径向腔室中冷却流体所受旋转科氏力形成横向涡旋的方向同向，增强径向腔室内横向涡旋的产生和发展，提高传热系数；
19.在径向导流隔板所间隔成的径向腔室中，且在导流射缝的间隔部分，于叶片内壁面上顺次布置有短肋柱、肋片或球窝球凸强化换热结构，强化扰流并进一步增强射流及旋转科氏力所促进的横向涡旋，提高换热强度。
20.本发明至少具有如下有益的技术效果：
21.流向中间隔板将叶片沿流向前后的内部冷却区域分隔开来，便于在两区域中分别组织径向腔室中的横向涡旋。
22.z形回转增压腔体能够将压力面与吸力面的供气腔分隔开来，分隔的压力面供气腔中始终可以保持离心气流，吸力面供气腔中始终可以保持向心气流，供气腔内利用旋转科氏力形成始终指向冲击-对流串联冷却层板的压力梯度来提高冷却层板的供气压力，进而降低对冷却气流抽气的压力需求，并且该增压效应随转速提高而增强。更有效解决高转速条件下由于旋转科氏力作用，压力面与吸力面冷却气流压力梯度过大又难以分别调节的问题。
23.z形回转增压腔体采用三角结构，便于降低叶片自重，同时有利于提高结构强度稳定性。
24.冲击-对流串联冷却层板中的冲击气流横流经汇集后自叶片一端流入径向导流隔板所组织的径向腔室，可汇集冷却流量，提高对流冷却雷诺数，提高对流冷却效率。
25.冲击-对流串联冷却层板中布置有径向导流隔板,径向导流隔板所组织径向腔室的横向截面长宽比保持在0.8-1.2，同时在径向导流隔板上开设导流射缝，采用合适的射流方向，使射流所促进涡旋的旋向与旋转科氏力在径向腔室内所形成横向涡旋的旋向相同，有效促进径向腔室内横向涡旋的发展与增强，提高对流换热强度。
附图说明
26.图1是本发明示例总体示意图；
27.图2是本发明示例去除叶顶壁面的内部结构示意图；
28.图3是本发明示例去除叶顶壁面的增压冷却结构组成示意图；
29.图4是本发明示例去除前、尾缘冷却结构及叶顶壁面的流向中间隔板示意图，其中图4(b)是图4(a)的a-a向剖视图；
30.图5是本发明示例中z形回转增压供气腔体的截面结构及气流组织示意图，其中图5(b)是图5(a)的b-b向剖视图；
31.图6是本发明示例中去除叶顶及吸力面叶片壁面后冲击-对流串联冷却层板的截面结构及气流组织示意图，其中图6(b)是图6(a)的c-c向剖视图；
32.图7是本发明示例中导流射缝在径向导流隔板上的布置方式示意图，图7(b)和图7(c)分别为图7(a)吸力面冲击-对流串联冷却层板中，流向中间隔板前后的导流射缝布置方式示意图；
33.图8是本发明示例中斜向肋在冲击-对流串联冷却层板中布置方式的示意图，图8(a)为斜向肋相对叶片壁面的布置方式，图8(b)为斜向肋在去除叶片壁面后的冲击-对流串联冷却层板中的布置方式示意图。
34.附图标记说明：
35.1-前缘冷却结构，2-尾缘冷却结构，3-增压冷却结构，4-流向中间隔板，5-z形回转增压腔体，6-冲击-对流串联冷却层板，7-根部折返通道，8-压力面级间层板通道，9-中间隔板，10-第一压力面供气腔体，11-第一吸力面供气腔体，12-第二压力面供气腔体，13-第二吸力面供气腔体，14-顶部折返通道，15-冲击冷却孔，16-气膜孔，17-径向导流隔板，18-径向腔室，19-导流射缝，20-斜向肋，21-吸力面级间层板通道。
具体实施方式
36.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
37.为使本发明实施的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明示例中的附图进行清楚、完整地描述；所描述的示例属于本发明的一部分。基于本发明公开的示例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
38.图1为本发明示例总体示意图。
39.参阅图2，燃气透平动叶示例沿流向可顺次分为三个主要的冷却区，其中叶片前缘冷却1和尾缘冷却2采用常规设计，中间部分采用本发明所述的一种利用旋转效应的燃气透平动叶增压冷却结构3。
40.参阅图3，该增压冷却结构具体包括叶片叶身内的流向中间隔板4，两级顺次布置的z形回转增压冷却腔体5及冲击-对流串联冷却层板6。流向中间隔板4的两端分别位于压力面及吸力面型面与轴向相切的位置处。本示例中流向中间隔板4将增压冷却结构流道分隔为相连通的前后两级，使用该分隔结构可便于内部冷却结构中组织横向涡旋。
41.参阅图4，流向中间隔板4同时作为两级冷却结构的级间隔板，其在z形回转增压腔体中的部分与叶根平台间存在连通相邻两级z形回转增压腔体的根部折返通道7。流向中间隔板4在压力面冲击-对流串联冷却层板中的部分与叶根平台间存在连通两级冲击-串联对流冷却层板的压力面级间层板通道8；而其在吸力面冲击-对流串联冷却层板中的部分则与叶顶壁面间存在连通两级冲击-对流串联冷却层板的吸力面级间层板通道21。
42.参阅图5，z形回转增压腔体中包含中间隔板9。中间隔板9的结构采用直板，并同流向中间隔板4一起将z形回转增压腔体顺次分隔为第一压力面供气腔体10、第二压力面供气腔体12及第一吸力面供气腔体11、第二吸力面供气腔体13，并于供气腔体内形成三角支撑结构，有利于提高结构强度，便于进一步降低叶片自重。第一级z形回转增压腔体中的中间隔板9与叶顶壁面间存在连通第一压力面供气腔体10及第一吸力面供气腔体11的顶部折返通道14。冷却气流自第一压力面供气腔体10的叶根处供气，以离心流向到达第一压力面供气腔体10的顶部，在流动过程中受旋转科氏力影响产生额外指向压力面冲击-对流串联冷却层板的压力梯度，提高了冲击-对流串联冷却层板的供气压力。当第一压力面供气腔体10中气流到达叶顶后通过顶部折返通道14进入第一吸力面供气腔体11，类似地向心流向叶根，并受旋转科氏力影响产生额外指向吸力面冲击-对流串联冷却层板的压力梯度，同样提高了吸力面冲击-对流串联冷却层板的供气压力，降低了对冷却气流抽气的压力需求，并且该增压效应随转速提高而增强。同时，第一压力面供气腔体10与第一吸力面供气腔体11被分隔开来，缓解了高转速条件下由于旋转科氏力作用，压力面与吸力面冷却气流间压力梯度过大又难以分别调节的问题。气流到达叶根后通过根部折返通道7翻折180
°
进入第二压力面供气腔体12，随后依照以上流程循环供气。
43.参阅图6，第一压力面供气腔体10、第二压力面供气腔体12、第一吸力面供气腔体
11以及第二吸力面供气腔体13中的气流部分地通过供气腔体上开设的冲击冷却孔15进入冲击-对流串联冷却层板，并对叶片内壁面进行冲击冷却，叶片壁面上开设有气膜孔16，引导部分冲击气流于叶片外表面形成冷却气膜。冲击冷却孔15与气膜孔16在示例中均采用典型圆孔。
44.参阅图6，冲击-对流串联冷却层板中的冲击气流在对叶片内壁面进行冲击冷却后在层板中汇集，汇集流向与供气腔体中的气流径向流向相同，即压力面冷却层板中气流离心汇集，吸力面冷却层板中气流向心汇集，随后自层板端部进入径向导流隔板17所组织的径向腔室18中对叶片壁面进行对流冷却。该设计通过汇集冷却气流流量，显著提高对流冷却雷诺数，提高对流冷却效率。冷却流体在到达径向腔室18的末端后通过压力面级间层板通道8或吸力面级间层板通道21汇入下级冲击-对流串联冷却层板，并在经过两级冲击-对流串联冷却层板后通过级间层板通道结构汇入尾缘冷却结构2。
45.参阅图7，冲击-对流串联冷却层板中的径向导流隔板17垂直于叶片壁面，并将对流冷却层板区域分隔为多个径向腔室。如图7(b)所示，定义径向腔室18的横向截面长宽比λ为腔室横向截面上叶片壁面长度l1与两侧径向导流隔板l2、l3的平均长度(l2+l3)/2之比，其值满足0.8≤λ≤1.2。
46.参阅图7，在径向导流隔板17上间隔开设具有指向性的导流射缝19，导流射缝19径向间隔长度l1优选地与其径向长度l2相等。横向截面上，如图7(b)所示，以径向导流隔板17与轴向呈锐角的平面法向量作为y轴，以径向导流隔板17平面上与y轴垂直并垂直指向叶片壁面的空间向量作为x轴组成局部二维坐标系，导流射缝19的射流方向在该局部二维坐标系上与x轴夹角θ为45
°
或135
°
，引导部分冷却气流冲击z形回转增压腔体或叶片内壁面，以保证射流所促进横向涡旋的旋向与腔体内由旋转科氏力所形成横向涡旋方向相同。具体地，在本示例中，沿气流流向，流向中间隔板4之后的吸力面冷却层板中，θ取为135
°
，导流射缝引导小部分冷却气流冲击z形回转增压腔体，如图7(b)所示；流向中间隔板4之后的压力面冷却层板中，θ为45
°
，导流射缝引导小部分冷却气流冲击叶片内壁面；沿气流流向，流向中间隔板4之前的吸力面冷却层板中，θ为45
°
，导流射缝引导小部分冷却气流冲击叶片内壁面，如图7(c)所示；流向中间隔板4之前的压力面冷却层板中，θ为135
°
，导流射缝引导小部分冷却气流冲击z形回转增压腔体。以上布置通过保证射流所促进涡旋旋向与径向腔室中旋转科氏力所形成横向涡旋的方向相同，促进横向涡旋的形成及发展，增强对流换热能力。
47.参阅图8，在导流射缝19的径向间隔中布置位于叶片内壁面上的斜向肋20以进一步增强扰流，接触面积及横向涡旋强度，提高冷却能力。
48.综上所述，本发明提出了一种利用旋转效应的燃气透平动叶增压冷却结构，设计了z形回转增压腔体提高冲击-对流串联冷却层板的供气压力并分隔压力面及吸力面供气腔体；采用冲击-对流串联冷却层板以汇集冲击冷却流量，提高对流雷诺数；采用径向导流隔板及其上开设的导流射缝分隔径向腔室并促进旋转科氏力所形成横向涡旋，显著增强换热能力。实现利用旋转效应降低冷却抽气压力及抽气量，提高冷却结构冷却性能的目的。
49.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。