[發明專利]適用于渦輪葉片后部冷卻腔的W形肋通道冷卻結構

無效

• 申請號: 201310021745.1
• 申請日: 2013-01-21
• 公開（公告）號: CN103089335A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發明（設計）人: 馬超;臧述升;王建飛
• 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，特別是一種適用于渦輪葉片后部冷卻腔的W形肋通道冷卻結構。

背景技術

隨著現代燃氣輪機技術的發展，對渦輪進口溫度的提升提出了更高的要求，怎樣提升渦輪葉片的耐熱性是燃氣輪機渦輪設計領域一個重點研究方向。目前提升渦輪耐熱性的措施主要有兩個方面，一方面研發新型耐熱葉片材料及涂層材料，另一方面是研究更加有效的渦輪葉片冷卻結構。相對于第二種方法來說，第一種方法研發成本高、周期長，因此設計出更加高效的渦輪葉片冷卻結構，對于進一步提升渦輪葉片的耐熱性及提升燃氣輪機整體性能具有重要意義。渦輪葉片冷卻方式主要分為外部冷卻和內部冷卻兩種方式，其中外部冷卻主要指氣膜冷卻，內部冷卻包括肋片擾流冷卻、沖擊冷卻、針肋冷卻等。在現代渦輪葉片設計中往往對渦輪葉片進行分腔冷卻設計，即把渦輪葉片內部分為兩個冷卻腔或者三個冷卻腔，根據渦輪葉片表面受熱特點及不同冷卻方式各自的冷卻特點，針對不同冷卻腔進行不同冷卻方式的設計。對于靠近葉片后部的冷卻腔往往采取針肋冷卻、交叉肋擾流冷卻以及交錯槽冷卻等內部冷卻方式進行冷卻。這些冷卻結構布置在葉片后部冷卻腔的狹窄通道內，一方面極大地增加了冷卻流體與固體的接觸面積，增強換熱效果。另一方面可以增加冷卻流體在該區域流動時的湍流度，從而進一步增加換熱效率。

經過對現有技術文獻的檢索發現，中國專利號申請號200710118763.6，專利名稱：一種適用于燃氣渦輪發動機的梯形交錯肋冷卻葉片，該專利在葉片內部冷卻腔內布滿梯形交錯肋，冷卻流體在交錯肋片之間構成的交錯肋通道內以180°不斷交替折返著向葉片尾緣方向流動，這種冷卻方式可以極大地增加冷卻流體與固體接觸面積，同時很好地增加冷卻流體的湍流度，增強換熱效果，但流體在該冷卻結構中流動時需以180°不斷折返流動，其流動阻力極大，且流體在轉彎流動時會形成一系列分離渦團，流動損失較大，同時雜亂無章的分離渦團會使葉片內部流體與固體壁面的換熱主要以對流換熱為主，很難形成沖擊冷卻等要求流體流動相對一致的冷卻效果。

發明內容

本發明針對上述現有技術的不足，提供了一種適用于渦輪葉片后部冷卻腔的W形肋通道冷卻結構能夠較大地增加冷卻流體與固體接觸面積之外，可以使流動阻力和流動損失相對較小，還可以使冷卻流體在冷卻腔內部流動過程中流動狀態相對一致并起到加速作用，從而對肋片表面起到一定的沖擊冷卻效果。

本發明是通過以下技術方案來實現的，本發明包括冷卻流體流進管、葉片后部冷卻腔、斜導流肋片、擋流肋片、直導流肋片和尾緣劈縫肋片，冷卻流體流進管與葉片后部冷卻腔相連通，多排斜導流肋片與一排直導流肋片均布置在葉片后部冷卻腔內壁上，尾緣劈縫肋片布置在葉片后部冷卻腔內壁靠近葉片尾緣處，擋流肋片布置在葉片后部冷卻腔的上下端壁上，多排斜導流肋片的肋片排呈W形布置，相鄰兩排的斜導流肋片呈對稱布置，每一排斜導流肋片的肋片之間平行布置。

進一步地，在本發明中，直導流肋片設置在最后一排的斜導流肋片與葉片尾緣劈縫之間的空間內，直導流肋片的肋片之間平行布置，且平行于尾緣劈縫肋片，擋流肋片設置在相鄰兩排斜導流肋片的凹陷位置處。

進一步地，在本發明中，相鄰兩排的斜導流肋片之間的夾角在100°至140°之間，相鄰兩排斜導流肋片的肋片數目比在2至0.5之間，直導流肋片與最后一排的斜導流肋片的肋片數目比例在2至0.5之間。

進一步地，在本發明中，斜導流肋片和直導流肋片在葉高方向的截面均為長條形（具體可為平行四邊形、矩形或為跑道形），斜導流肋片和直導流肋片在葉高方向的截面最大長度與最小長度之比均在5至20之間。擋流肋片在葉高方向的截面為矩形或梯形，擋流肋片到與之最近的斜導流肋片上任意一點的最小距離與斜導流肋片在葉高方向的截面的最小長度之比在1至4之間。

進一步地，在本發明中，相鄰兩排的斜導流肋片之間、最后一排斜導流肋片與直導流肋片之間以及直導流肋片與尾緣劈縫肋片之間均留有肋排間距，肋排間距與直導流肋片在葉高方向截面最小長度之比在0.5至1.5之間，斜導流肋片和直導流肋片與葉片后部冷卻腔內壁一同構成了W形冷卻通道，冷卻通道在葉高方向的截面的最小長度與直導流肋片在葉高方向截面最小長度之比在3至10之間。