一種適用於渦輪葉片等內冷部件中的漸寬型開槽交錯肋通道的製作方法

2023-10-07 19:12:49 1

專利名稱：一種適用於渦輪葉片等內冷部件中的漸寬型開槽交錯肋通道的製作方法
技術領域：
本發明是一種適用於渦輪葉片等內冷部件的冷卻結構，該冷卻結構是在交錯肋通 道的兩側壁面向中心方向開槽，開槽的寬度沿著通道入口到出口方向逐漸增大，形成 漸寬的無肋槽道。
背景技術：
在燃氣渦輪發動機中的渦輪葉片緊挨著燃燒室，其所處環境溫度局部高達 2000K。為了改善燃氣渦輪發動機的熱效率， 一般採用提高渦輪前溫度，隨之帶來 的是渦輪部件熱負荷的增加。另外，渦輪葉片(工作葉片)在髙轉速下工作(轉速可 達15000rpm以上)，處於非常高的離心力場當中。在如此惡劣的工作環境中，要保 證葉片正常、可靠、長期的工作，就必須對渦輪葉片進行有效的冷卻，保持最佳的熱 應力狀態。冷卻的原則是使用最少的冷氣量來保證葉片可靠工作。目前使用中的渦輪 冷卻葉片有很多種，其中以俄羅斯為代表的是多腔複合交錯肋冷卻通道。其通道上的 交錯肋一般為交錯肋(請參見圖l所示)。其結構參數一共有7個，分別為描述通道結 構的通道寬度W、通道高度H、通道長度L，以及描述肋結構的肋高度e、肋寬度t、 肋間距P以及肋傾角P。其結構見圖3、圖4、圖5。 一旦這些參數確定，則交錯肋通道 可以唯一確定。當肋高e-H/2時，上下兩列肋片相接觸，此時整個通道被肋片分割 成許多小的網格(7)，這是交錯肋通道中的一種特殊形式，同時也被稱作為網格通 道(Latticework Channel)。上下交錯的肋片形成許多副通道(6)，冷卻氣流流入網格 通道後，將沿著各副通道(6)流動，在流至通道側壁時則會發生2P的偏轉，進而在通 道內不斷翻折，這樣一來增加了冷卻氣體在通道內的流動距離，而且由於在側壁氣流 發生大的翻折，形成的二次流可以對換熱起到增強作用。圖2給出了交錯肋通道內部 空氣的流動情況。再者，由於通道被劃分為很多小的網格(7),氣流除了按照上述 規律流動外，勢必會在各網格(7)之間發生摻混，這樣形成的不規則二次流也有助 於破壞覆面層，增強換熱效果。此外，大量的肋片也增加了通道內的換熱面積，這對
於通道內部的換熱效果也起著積極的作用。
可見這種結構的冷卻使葉片冷卻效果好，熱載荷小，溫度分布均勻，熱應力小。 但是該結構的不足也非常明顯如壓力損失比較大，冷氣利用率不高等缺點。 發 明 內 容
本發明的目的是提供一種適用於渦輪葉片等內冷部件的冷卻結構，該冷卻結構強 調的是在開槽交錯肋通道中槽寬由通道進口到出口逐漸增加的結構形式，以實現通道 內流動與換熱效果的處處最佳優化。
針對交錯肋通道換熱強的優點和流動阻力大的缺點，研究表明在通道兩側開無肋 的光滑通道(3) (5)(見圖6、 7和10)可以大大降低流組，此時斜肋(2)和通道 端壁面(8)之間有一流體流動槽道(3) (5)，因為兩側的光滑通道內也可以流出流 體同時此間流體會和副通道(6)(見圖7)內流體產生相互作用,而且在通道寬度w 選擇合適時還可以強化通道內的換熱，此舉可大大增強通道的綜合效果，結構見圖6、 圖8、圖9、圖10和圖11。伹是，研究發現沿流動方向最佳的開槽寬度w是漸增 的，結構見圖5—7。所以，為了得到最優的綜合換熱與流動效果，最優的冷卻結構 設計為槽道(3)沿流向漸寬的。
本發明用於渦輪葉片中間部分和尾緣的內部交錯肋冷卻結構，高H寬W冷卻通 道的冷卻腔被高e寬t傾斜角為(3和-(3的兩組交錯肋(2)分隔成多個小的副流體通 道(6)，其中e為H的一半，冷卻通道兩側具有無肋槽道(5)，本發明其新特徵在 於冷卻通道兩側具有沿流體流動方向漸寬的無肋槽道(3)，沿通道進口 (1)到出 口 (2)方向槽寬逐漸增加的開槽交錯肋通道，進口部分(1)的槽道寬度w和交錯 肋通道寬度W之比w/W為0.75/70到1.25/70之間，沿流向此值線性增加，到 出口處(4) w/W值為2/70到4/70之間，對於沿流向長度L/W大於1.0的交錯 肋通道進口U)處取0.75/70到1.0/70較小值、出口(4)處的值取3/70到4/70， 對於沿流向長度L/W小於1.0的交錯肋通道進口(l)處取1.0/70到1.27/70較大 值、出口(4)處的值取2/70到3/70。
本發明的優點在於1)通道兩側都具有了無肋的槽道，改變了傳統交錯肋通道
內流體流動的結構形式，起到了強化換熱減小流動阻力的效果；2)沿流體流動方向， 處處的無肋光滑槽寬度w均為能實現當地最優冷卻效果的數值，實現高效率的渦輪 葉片內部冷卻結構；3)通道各處換熱均勻性進一步優化，有利於減小渦輪葉片的熱應力。


圖1交錯肋通道結構示意圖
圖2交錯肋通道內部流動情況示意圖
圖3半邊交錯肋通道結構示意圖
圖4交錯肋通道參數表示1
圖5交錯肋通道參數表示2
圖6交錯肋通道兩側開槽道示意圖
圖7漸寬型槽道開槽交錯肋通道的剖視結構圖
圖8漸寬型槽道開槽交錯肋通道的實體結構1
圖9漸寬型槽道開槽交錯肋通道的實體結構2
圖io直開槽交錯肋通道的剖視結構圖
圖11直槽道開槽交錯肋通道的實體結構1 圖12直槽道開槽交錯肋通道的實體結構2 圖中1，通道進口 2，斜肋 5.等槽寬槽道6.副氣流通道7.斜肋形成格子 P.兩肋間距 t.肋寬度 (J.肋傾角 H.通道高度 W.通道寬度
3.漸擴型槽道4,通道出口 8.通道端壁面w.槽道寬度 e.肋高度 L.流向通道長度
具體實施例方式
下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
本發明是經過簡化模型實驗和三維數值模擬研究其換熱和流阻特性而得來的結論，實驗和數值研究直開槽(5)交錯肋通道的換熱和流阻特性隨槽寬w的變化關係時 發現的這一規律。研究結果表明隨著槽寬w的增大通道的阻力係數是一直減小的。 開槽使通道換熱效果的增加主要集中在流體流動的前半段，不同槽寬w對通道後半 段的影響差別不大。因此，可以考慮在通道的前半段選取換熱效果最好時所對應的槽 寬w，較小值。通道後半段可以在換熱效率減小的不多的情況下，適當增大槽寬w， 這樣有利於減小通道的流動阻力。
等槽寬w開槽交錯肋通道(如圖8—ll所示)。對於未開槽交錯肋通道而言，冷 卻空氣在通道(6)中流動，在通道端壁面(8)處氣流會發生折轉進入下一個副通 道(6)中。對開槽道(5)交錯肋通道，冷卻空氣在通道(6)中的流動，不在局限於 折轉到相連的副通道中，也可以經過槽道(5)直接流出，也可以通過槽道(5)折 轉到其它的副通道(6)中，流動情況更加多樣，副通道(6)之間流動的相互影響 加大，使兩側壁面區域的流動比開槽前更加複雜，有利於能量及時輸運出去，增強了 對流換熱，同時流動阻力有所減小。但這種結構的綜合換熱效率並不是最好的。
進一步改進後，開槽交錯肋通道(如圖5--7所示)，即從通道進口 (1)到出口 (4)槽寬w逐漸增大的槽道(3)，沿通道進口 (1)到出口 (4)方向槽寬逐漸增 加的開槽交錯肋通道，進口部分其槽道寬度w和交錯肋通道寬度W之比w/W為 0.75/70到1.25/70之間，沿流向此值線性增加,到出口處w/W值為2/70到4/70 之間，對於沿流向長度較大的交錯肋通道進口處取較小值、出口處的值取較大值，對 於沿流向長度較小的交錯肋通道進口處取較大值、出口處的值取較小值。通道內流動 阻力得到了最大降低，約百分之四十，特別是在通道沿流動方向的靠後部分；換熱能 力得到大副提髙，約百分之二十，特別是通道進口部分。本發明從傳熱學角度講，使 整體熱應力分布更均勻，壓力損失也遠低於原交錯肋的冷卻葉片，綜合換熱與流動指 標提高百分之三十以上。
權利要求
1、一種用於高壓渦輪葉片中間部分和尾緣的內部交錯肋冷卻結構，高H寬W冷卻通道的冷卻腔被高e寬t傾斜角為β和-β的兩組交錯肋(2)分隔成多個小的副流體通道(6)，其中e為H的一半，冷卻通道兩側具有無肋槽道(5)，本發明其新特徵在於冷卻通道兩側具有沿流體流動方向漸寬的無肋槽道(3)，通道內的斜肋(2)和通道端壁之間有一段距離w，沿通道進口(1)到出口(2)方向槽寬逐漸增加的開槽交錯肋通道，進口部分(1)的槽道寬度w和交錯肋通道寬度W之比w/W為0.75/70到1.25/70之間，沿流向此值線性增加，到出口處(4)w/W值為2/70到4/70之間。
2、 根據權利要求1所述的冷卻結構，其中對於沿流向長度L/W大於l.O的交錯 肋，通道進口(l)處取0.75/70到1.0/70、出口(4)處的值取3/70到4/70，對 於沿流向長度L/W小於1.0的交錯肋，通道進口(l)處取1.0/70到1.27/70、 出口 (4)處的值取2/70到3/70。
全文摘要
本發明是一種適用於渦輪葉片內部冷卻結構，該冷卻結構是一種槽寬w沿著通道入口(1)到出口(4)方向逐漸增大的開槽(5)交錯肋通道。對於沿流向較長的交錯肋通道，通道兩側具有最佳寬度微小通道時其內部流體流動阻力會下降、與流體間換熱能力會提高。但是，最佳無肋通道的寬度w沿流體流動方向是漸增的。為了使通道各處都能具有最優綜合換熱效果，本發明設計出無肋槽寬w沿著通道入口(1)到出口(4)方向逐漸增大的開槽交錯肋通道。本發明流體在通道內流動與換熱的機理方面講流動與換熱均有全新改觀，有利於實現渦輪葉片中部冷卻結構的最優化設計。
文檔編號F01D5/18GK101100951SQ20071011876
公開日2008年1月9日 申請日期2007年7月13日 優先權日2007年7月13日
發明者丁水汀, 徐國強, 豔 譚, 鄧宏武, 潔 聞, 智 陶 申請人:北京航空航天大學