專利名稱：渦輪葉片內(nèi)部針肋凹陷復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片內(nèi)部冷卻裝置，具體是一種渦輪葉片內(nèi)部 針肋凹陷復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
提高渦輪前燃?xì)鉁囟?，進(jìn)而提高燃?xì)廨啓C(jī)能量轉(zhuǎn)換的總效率是現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī) 發(fā)展的一個(gè)主要趨勢(shì)。現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)渦輪前燃?xì)獾臏囟纫殉^所用材料的熔化溫 度，因此伴隨著渦輪入口燃?xì)鉁囟鹊脑偬岣?，迫切需要更加高效、更加先進(jìn)的冷 卻技術(shù)以保證燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片等高溫部件內(nèi)的溫度水平，以及控制溫度梯度在 合理的范圍內(nèi)，來保證正常工作以及具有足夠的生命周期。另外，增強(qiáng)的冷卻技 術(shù)意味著可以減少冷卻流體的使用量，因此使得更多的氣流參與燃?xì)廨啓C(jī)做功， 提高了燃?xì)廨啓C(jī)的整體工作效率。
現(xiàn)有的渦輪葉片通常為中空結(jié)構(gòu)，并具有多個(gè)內(nèi)部冷卻流道，這些流道分別 由葉片的壓力側(cè)壁面和吸力側(cè)壁面以及分立的各壁限定。冷卻流體在內(nèi)部冷卻流 道內(nèi)流動(dòng)，以冷卻渦輪葉片。在內(nèi)部流道的壓力側(cè)壁面和吸力側(cè)壁面上設(shè)有湍流 器，以提高各外壁和冷卻流體之間的熱交換。但這些湍流器只用來增強(qiáng)換熱，工 作過程中發(fā)生的渦輪葉片上的負(fù)荷幾乎全部由各外壁承擔(dān)，因此各外壁必需具有 相對(duì)較厚的結(jié)構(gòu)。當(dāng)負(fù)荷增加，各外壁的壁厚也必須進(jìn)一步增加。但是由于壁厚 的增加，葉片的冷卻效率降低，燃?xì)廨啓C(jī)的總體效率由此也降低。
另一方面，現(xiàn)有的渦輪葉片尾緣內(nèi)部通常采用針肋陣列結(jié)構(gòu)強(qiáng)化對(duì)流傳熱性 能，雖然針肋能夠顯著提高流體的對(duì)流傳熱性能，但會(huì)給流動(dòng)帶來很大的阻力。 對(duì)于渦輪葉片內(nèi)部冷卻流道的設(shè)計(jì)要求是，在提高對(duì)流傳熱性能的同時(shí)，盡可能 保持低的流動(dòng)阻力。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，(美)韓介勤，桑地普.杜達(dá)，斯瑞納斯.艾卡 德，在《燃?xì)廨啓C(jī)傳熱和冷卻技術(shù)》(程代京等譯，西安交通大學(xué)出版社，2005)
自述目前，葉片中弦區(qū)域在內(nèi)壁上使用帶擾流肋片的蛇形冷卻工質(zhì)通道，而在葉片后緣區(qū)域由于空間的限制和結(jié)構(gòu)的整體性要求使用帶短針肋的通道(第15 頁(yè))；針肋大都用在狹窄的葉片后緣，在那里由于制造上的限制，沖擊和裝肋片通 道都容納不下，針肋在低寬高比通道中能更好地使用(第254頁(yè))。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種渦輪葉片內(nèi)部針肋凹陷復(fù)合 冷卻結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)以高的對(duì)流冷卻效率對(duì)渦輪葉片進(jìn)行冷卻，同時(shí)該葉片具有較 高的承載能力而不需增加葉片外壁的厚度。該針肋凹陷復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)主要采用在 一條設(shè)置有針肋的冷卻流體流過的流道內(nèi)，至少一個(gè)壁面上的設(shè)置凹陷，并使凹 陷和針肋按一定順序排列，具有更好的冷卻性能，因此可能在相同的冷卻負(fù)荷條 件下，減小針肋布置的個(gè)數(shù)，以減小渦輪葉片的重量，并減小冷卻流體的流動(dòng)阻 力。該針肋凹陷復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)特別適合于葉片尾緣和中部的內(nèi)部冷卻。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括葉片流道、針肋、凹陷， 葉片流道內(nèi)設(shè)有針肋，葉片流道至少一個(gè)內(nèi)壁面上設(shè)有凹陷，所述凹陷在葉片流 道內(nèi)差排布置，凹陷形狀為半球形、或半球形的一部分、或截去頂部的圓錐形。
所述葉片流道包括壓力側(cè)壁面和吸力側(cè)壁面，壓力側(cè)壁面和吸力側(cè)壁面之間 設(shè)有針肋陣列。
所述壓力側(cè)壁面和吸力側(cè)壁面至少在其中一個(gè)側(cè)壁面上設(shè)有凹陷陣列。 所述針肋的一端與壓力側(cè)壁面相連，針肋的另一端與吸力側(cè)壁面相連。 所述針肋的截面形狀為圓形、菱形、方形、橢圓形或水滴形。 所述針肋在葉片流道內(nèi)差排布置，凹陷定位于每行針肋之間以及每?jī)尚嗅樌?之間。
本發(fā)明所述的葉片內(nèi)部通道可全部采用針肋凹陷復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)；也可在部分 通道內(nèi)，如在中弦和尾緣內(nèi)部實(shí)施針肋凹陷復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，而在其他內(nèi)部通道內(nèi) 實(shí)施現(xiàn)有的擾流肋片冷卻結(jié)構(gòu)。
針肋在葉片內(nèi)部流道內(nèi)差排布置，凹陷定位于每行的針肋之間 本發(fā)明當(dāng)冷卻氣流流入時(shí)，氣流沖擊到針肋時(shí)，由于針肋不斷破壞流動(dòng)邊界 層，并在每個(gè)針肋后緣產(chǎn)生高度紊亂的分離尾流區(qū)，以及在與壁面相互作用后產(chǎn) 生馬蹄形渦旋等，所有這些因素將強(qiáng)烈地提高流動(dòng)混和，顯著提高針肋表面的換 熱效果；同時(shí)，冷卻流體流過凹陷時(shí)，也產(chǎn)生渦流，該渦流與針肋產(chǎn)生的馬蹄渦 相互作用，產(chǎn)生更強(qiáng)烈的渦流，進(jìn)一步提高流體的摻混，提高氣流與壁面、針肋表面的對(duì)流換熱效果。另一方面，流體流過凹陷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生向左和向右偏離流動(dòng) 方向45度角流動(dòng)的渦流，這樣的流動(dòng)有助于強(qiáng)化針肋尾流區(qū)流體的擾動(dòng)，強(qiáng)化針 肋尾流區(qū)的傳熱。由于凹陷在提高流動(dòng)湍流強(qiáng)度的同時(shí)并不阻擋流體流動(dòng)，并使 流過凹陷的流體發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這減少了流體對(duì)下游針肋的直接撞擊，從而避免了流 動(dòng)損失的增大，
由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)本發(fā)明中的針肋與葉片流道內(nèi) 兩壁面分別連接， 一方面提高了冷卻流體的換熱面積；另一方面加固了通道。凹 陷使冷卻流體流過時(shí)，產(chǎn)生渦流，提高了氣流與葉片流道壁面以及針肋表面的對(duì) 流換熱效果；同時(shí)，氣流流過凹陷時(shí)，減少了流體下游對(duì)針肋的直接撞擊，從而 避免了流動(dòng)損失的增大，同時(shí)也增大了熱交換的面積。


圖1為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的橫截面示意圖。
圖2為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)的縱向截面示意圖。
圖3為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例葉片尾緣內(nèi)部的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為沿圖2中線A—A截取的針肋一凹陷復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)的橫向截面示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實(shí)施例。
本實(shí)施例是以渦輪葉片尾緣內(nèi)部的針肋凹陷復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)為例來說明本發(fā)明。
如圖1所示，本實(shí)施例包括渦輪葉片IO、葉片流道22、壓力側(cè)壁面14、吸 力側(cè)壁面12。葉片流道22的上壁面為吸力側(cè)壁面12，葉片流道22的下壁面為壓 力側(cè)壁面14。
如圖3和圖4所示，針肋18通過熔模鑄造形成于壓力側(cè)壁面14和吸力側(cè)壁 面12之間，針肋18—方面提高了冷卻流體的換熱面積，另一方面加固了葉片流 道22。針肋18為截面形狀為圓形的柱狀(本實(shí)施例中的針肋同樣可以設(shè)制成截面 形狀為菱形、方形、橢圓形或水滴形的結(jié)構(gòu))。針肋18在葉片流道22內(nèi)按差排方 式布置。圖中箭頭ll代表氣流的方向。壓力側(cè)壁面14和吸力側(cè)壁面12上均設(shè)有凹陷20 (本實(shí)施例中的凹陷也可以 根據(jù)實(shí)際情況，只在壓力側(cè)壁面和吸力側(cè)壁面其中一個(gè)面上設(shè)置凹陷)，凹陷20 形狀為半球形，或半球形的一部分(也可以設(shè)制成截去頂部的圓錐形)。凹陷20 使冷卻流體流過時(shí)，產(chǎn)生渦流，提高了氣流與葉片流道壁面以及針肋18表面的對(duì) 流換熱效果；同時(shí)，氣流流過凹陷20時(shí)，減少了流體下游對(duì)針肋18的直接撞擊， 從而避免了流動(dòng)損失的增大，同時(shí)也增大了熱交換的面積。針肋18在葉片流道22 內(nèi)差排布置，凹陷20定位于每行針肋18之間。凹陷20在葉片流道內(nèi)差排布置。
本實(shí)施例當(dāng)冷卻氣流流入時(shí)，氣流沖擊到針肋18時(shí)，將顯著提高針肋18表 面的換熱效果，同時(shí)在針肋18附近的冷卻流體中產(chǎn)生馬蹄渦；同時(shí)，冷卻流體流 過凹陷20時(shí)，也產(chǎn)生渦流，該渦流與針肋18產(chǎn)生的馬蹄渦相互作用，產(chǎn)生更強(qiáng) 烈的渦流，進(jìn)一步提高流體的摻混，提高氣流與葉片流道內(nèi)壁面、針肋表面的對(duì) 流換熱效果。
本實(shí)施例中的針肋與葉片流道內(nèi)兩壁面分別連接， 一方面提高了冷卻流體的 換熱面積；另一方面加固了通道。凹陷使冷卻流體流過時(shí)，產(chǎn)生渦流，提高了氣 流與葉片流道壁面以及針肋表面的對(duì)流換熱效果；同時(shí)，氣流流過凹陷時(shí)，減少 了流體對(duì)下游針肋的直接撞擊，從而避免了流動(dòng)損失的增大，同時(shí)也增大了熱交 換的面積。
與傳統(tǒng)的針肋冷卻結(jié)構(gòu)相比，在相同的入口氣流條件下，本實(shí)施例中的針肋 凹陷復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)的整體換熱性能顯著提高，而流動(dòng)阻力基本相同，并在不需要 增加外壁厚度的情況下大幅度提高葉片強(qiáng)度，因此提高了渦輪葉片尾緣耐高溫性 能。對(duì)于相同的冷卻負(fù)荷，則可以減少針肋布置的密度，從而減小葉片的重量， 這在燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)中是非常有意義的。
權(quán)利要求
1、一種渦輪葉片內(nèi)部針肋凹陷復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，包括葉片流道、針肋，其特征在于，還包括凹陷，葉片流道內(nèi)設(shè)有針肋，葉片流道至少一個(gè)內(nèi)壁面上設(shè)有凹陷，所述凹陷在葉片流道內(nèi)差排布置，凹陷形狀為半球形、或半球形的一部分、或截去頂部的圓錐形。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的渦輪葉片內(nèi)部針肋凹陷復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，其特征是， 所述葉片流道包括壓力側(cè)壁面和吸力側(cè)壁面，壓力側(cè)壁面和吸力側(cè)壁面之間設(shè)有 針肋陣列。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的渦輪葉片內(nèi)部針肋凹陷復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，其特征是， 所述壓力側(cè)壁面和吸力側(cè)壁面至少在其中一個(gè)側(cè)壁面上設(shè)有凹陷陣列。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的渦輪葉片內(nèi)部針肋凹陷復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，其特征是，所述針肋的一端與壓力側(cè)壁面相連，針肋的另一端與吸力側(cè)壁面相連。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的渦輪葉片內(nèi)部針肋凹陷復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，其特征是， 所述針肋的截面形狀為圓形、菱形、方形、橢圓形或水滴形。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的渦輪葉片內(nèi)部針肋凹陷復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，其特征是， 所述針肋在葉片流道內(nèi)差排布置，凹陷定位于每行針肋之間以及每?jī)尚嗅樌咧g。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種渦輪葉片內(nèi)部針肋凹陷復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，包括葉片流道、針肋，其特征在于，還包括凹陷，葉片流道內(nèi)設(shè)有針肋，葉片流道至少一個(gè)內(nèi)壁面上設(shè)有凹陷，所述凹陷在葉片流道內(nèi)差排布置，凹陷形狀為半球形、或半球形的一部分、或截去頂部的圓錐形。本發(fā)明中的針肋與葉片流道內(nèi)兩壁面分別連接，一方面提高了冷卻流體的換熱面積；另一方面加固了通道。凹陷使冷卻流體流過時(shí)，產(chǎn)生渦流，提高了氣流與葉片流道壁面以及針肋表面的對(duì)流換熱效果；同時(shí)，氣流流過凹陷時(shí)，減少了流體下游對(duì)針肋的直接撞擊，從而避免了流動(dòng)損失的增大，同時(shí)也增大了熱交換的面積。
文檔編號(hào)F01D5/18GK101581235SQ200910053749
公開日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月25日
發(fā)明者臧述升, 宇 饒 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)