[發明專利]渦輪葉片內部帶有柵格擾流的沖擊冷卻結構

無效

• 申請號: 201310015161.3
• 申請日: 2013-01-15
• 公開（公告）號: CN103075202A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: 馬超;臧述升;王建飛;葛冰
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術領域

本發明涉及的是一種燃氣輪機渦輪葉片內部冷卻結構，特別是一種渦輪葉片內部帶有柵格擾流的沖擊冷卻結構。

背景技術

隨著現代燃氣輪機技術的發展，提升燃氣輪機整體性能的一個重要手段是不斷提高渦輪進口溫度，這也就對于渦輪葉片的耐熱性提出了更高的要求。目前提升渦輪進口溫度的方法主要有兩個方面：1、研究新型的耐熱葉片材料和涂層材料；2、設計更加合理有效的葉片冷卻結構；相對于第二種方法來說第一種方法研究周期長、研發成本高，因此急需設計出更加高效、更加先進的渦輪冷卻結構，使渦輪葉片表面溫度降低、溫度梯度合理，從而使渦輪葉片在更高的溫度下具有足夠的使用壽命。與此同時，使用更加有效的冷卻結構增強了冷卻效果也就意味著可以節省更多的冷卻介質，從而也從另一個方面提升了整個燃氣輪機系統的工作效率。現有的渦輪葉片冷卻技術主要分為：外部冷卻和內部冷卻方式，其中外部冷卻主要指氣膜冷卻，內部冷卻方式主要包括：沖擊冷卻、肋片擾流冷卻、針肋冷卻以及由前面幾種冷卻方式組合而成的復合冷卻。在現代燃氣輪機冷卻葉片采用內部冷卻設計時，一般對于葉片頭部采取沖擊冷卻或者采用帶肋片擾流的沖擊冷卻，在葉片中部采取肋片擾流冷卻或者采用帶肋片擾流的沖擊冷卻，在葉片尾部采取針肋冷卻。對于帶肋片擾流的冷卻方式，所使用的肋片一般為直肋、V型肋、W型肋等順排肋片，肋片整體平行排列，這種肋片可以很好地起到干擾冷卻氣流層流底層的作用，從而提高換熱效率。

經過對現有技術文獻的檢索發現，中國專利號申請號201210063251.5，專利名稱：渦輪葉片前緣沉槽肋內冷結構及其方法，該專利在葉片前緣的沖擊靶板內壁面上設置沉槽，并在沉槽上設置垂直于葉高方向的平行肋片，這種利用沖擊和平行肋片擾流的復合冷卻方式可以使沖擊冷卻氣流在沖擊到靶板之后向四周擴散時在垂直于葉高方向上受到順排肋片的干擾，從而在沖擊冷卻的基礎上進一步提高換熱性能。然而類似這種帶肋片擾流的沖擊冷卻方式僅僅在垂直于葉高方向上設置不同形狀的順排肋片，其復合冷卻意義也就是在垂直于葉高方向上對于沖擊冷卻方式進行進一步的換熱強化，對于平行于葉高方向不能起到同樣的擾流強化換熱效果。

發明內容

本發明針對上述現有技術的不足，提供了一種渦輪葉片內部帶有柵格擾流的沖擊冷卻結構，能夠使沖擊冷卻氣流在靶板壁面向四周擴散過程中均能受到肋片擾流，從而進一步提升冷卻效果。

本發明是通過以下技術方案來實現的，本發明包括沖擊板、內部冷卻腔、冷卻通道、沖擊靶板、沖擊孔和柵格肋片，內部冷卻腔由沖擊板圍成，沖擊板與沖擊靶板截面形狀相似，冷卻通道由沖擊板與沖擊靶板之間的空間形成，沖擊孔布置在沖擊板上，沖擊孔在沖擊板上順排或插排布置，柵格肋片布置在沖擊靶板內壁面上。

進一步地，在本發明中柵格肋片的柵格排列形狀為矩形、菱形、梯形或者六邊形，沖擊孔的數目與所述柵格肋片的柵格數目相等或者是其整數倍，沖擊孔的中心正對所述柵格肋片的柵格中心，沖擊孔的直徑在0.5mm至2mm之間，沖擊孔之間的間距與沖擊孔的直徑比在2至10之間，沖擊靶板內壁面到沖擊板外壁面的距離與沖擊孔直徑的比在2至10之間，柵格肋片的肋片截面形狀為矩形、三角形、梯形或者半圓形，柵格肋片的肋片橫截面高與沖擊孔直徑比在0.2至1.5之間。

本發明的工作原理是：冷卻氣流從外部冷氣源進入內部冷卻腔，通過沖擊板上的沖擊孔高速流出以射流形態沖擊到沖擊靶板上，射流在沖擊靶板內壁面上以層流或低湍流流動形態高速向四周擴散，向四周高速擴散的冷卻氣流受到四周柵格肋片的擾流作用會使原本的層流或低湍流流動轉換成湍流度較高的流動，從而在射流四周均產生進一步強化換熱的效果。沖擊靶板內壁面上柵格肋片的設置增大了散熱面積，也起到增加的換熱效果的作用，與此同時柵格肋片對于葉片也起到加固作用。

與現有技術相比，本發明具有如下有益效果為：本發明設計合理，結構簡單，能使沖擊冷卻氣流在沖擊到沖擊靶板內壁面向四周擴散過程中均能受到肋片的擾流，從而相對于傳統的帶肋片的沖擊冷卻結構進一步提升換熱效果，與此同時柵格結構也可以使葉片得到進一步加固。

附圖說明

圖1為本發明實施例組合剖視圖；

圖2為本發明實施例截面剖視圖；

圖3為圖2中葉片頭部區域局部放大圖；

圖4為柵格形狀為矩形時渦輪葉片頭部沖擊板和沖擊靶板展成平板時的示意圖；

圖5為柵格形狀為菱形時渦輪葉片頭部沖擊板和沖擊靶板展成平板時的示意圖；

圖6為柵格形狀為梯形時渦輪葉片頭部沖擊板和沖擊靶板展成平板時的示意圖；