本發(fā)明涉及換熱裝置技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種冷卻通道、冷卻通道組及應(yīng)用其的渦輪葉片，其特別適用于燃氣輪機的渦輪葉片冷卻。

背景技術(shù)：

為了提高燃氣輪機的效率，需提高燃燒室的工作溫度、壓力，進而造成很高的燃燒室排氣溫度，使渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨嚴峻挑戰(zhàn)。常用的平行冷卻通道設(shè)計，存在冷卻效率不高、冷卻不均勻、對主流影響大、對結(jié)構(gòu)強度和疲勞壽命影響大、容易堵塞等缺點。

因而，亟需根據(jù)渦輪葉片的熱負荷、氣動負荷、強度負荷特點，設(shè)計高效、耐用的冷卻結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種冷卻通道、冷卻通道組及應(yīng)用其的渦輪葉片。

本發(fā)明一方面提供了一種冷卻通道，包括至少一級分叉結(jié)構(gòu)，其中每一級分叉結(jié)構(gòu)中包括至少一個基本分叉單元，所述基本分叉單元包括一根主管及至少一根支管，其中第i級分叉結(jié)構(gòu)中的至少一根支管作為第i+1級分叉結(jié)構(gòu)中的主管，其中i為正整數(shù)，且i≥1。

優(yōu)選地，所述的冷卻通道為開式結(jié)構(gòu)，所述冷卻通道的第一級分叉結(jié)構(gòu)的主管包括冷卻通道入口，所述至少一級分叉結(jié)構(gòu)的自由支管包括冷卻通道出口。

優(yōu)選地，所述冷卻通道具有M級分叉結(jié)構(gòu)，所述基本分叉單元包括一根主管及N根支管，其中第i級分叉結(jié)構(gòu)中每一根支管作為第i+1級分叉結(jié)構(gòu)中的主管，其中M，N，i均為正整數(shù)，且M，N≥1，M-1≥i≥1。

優(yōu)選地，第M級分叉結(jié)構(gòu)的支管均包括冷卻通道出口，所述冷卻通道應(yīng)用于渦輪葉片，所述冷卻通道出口設(shè)置所述渦輪葉片表面上。

優(yōu)選地，所述支管的冷卻通道出口處包括彎頭結(jié)構(gòu)，使得冷卻媒介噴射方向與渦輪葉片表面平行指向渦輪葉片尾緣；和/或所述支管的冷卻通道出口處包括多孔噴嘴。

優(yōu)選地，所述冷卻媒介包括冷卻空氣和/或蒸汽。

優(yōu)選地，所述冷卻通道入口設(shè)置于渦輪葉片的供氣通道上，所述冷卻通道沿所述供氣通道軸向和/或周向設(shè)置。

優(yōu)選地，所述的冷卻通道為閉式結(jié)構(gòu)，還包括至少一級逆分叉結(jié)構(gòu)，其中每一級逆分叉結(jié)構(gòu)中包括至少一個基本逆分叉單元，所述基本逆分叉單元包括一根主管及至少一根支管，其中第j級逆分叉結(jié)構(gòu)中的至少一根支管作為第j+1級逆分叉結(jié)構(gòu)中的主管，其中i，j為正整數(shù)，且i，j≥1，最后一級分叉結(jié)構(gòu)中的至少一根支管與最后一級逆分叉結(jié)構(gòu)中的至少一根支管向連通。

優(yōu)選地，所述冷卻通道包括：M級分叉結(jié)構(gòu)，所述基本分叉單元包括一根主管及N根支管，其中第i級分叉結(jié)構(gòu)中每一根支管作為第i+1級分叉結(jié)構(gòu)中的主管，其中M，N，i均為正整數(shù)，且M，N≥1，M-1≥i≥1；以及P級逆分叉結(jié)構(gòu)，所述基本逆分叉單元包括一根主管及Q根支管，其中第j級逆分叉結(jié)構(gòu)中每一根支管作為第j+1級逆分叉結(jié)構(gòu)中的主管，其中P，Q，j均為正整數(shù)，且P，Q≥1，P-1≥j≥1，其中，第M級分叉結(jié)構(gòu)中的支管與第P級逆分叉結(jié)構(gòu)的支管一一對應(yīng)連通，第一級分叉結(jié)構(gòu)中的主管包括冷卻通道入口，第一級逆分叉結(jié)構(gòu)中的主管包括冷卻通道出口。

優(yōu)選地，所述第M級分叉結(jié)構(gòu)中的支管與第P級逆分叉結(jié)構(gòu)的支管之間設(shè)置平直管相連通。

本發(fā)明另一方面提供一種渦輪葉片的冷卻通道組，包括至少閉式冷卻通道，所述至少一個閉式冷卻通道首尾依次連通串聯(lián)。

本發(fā)明再一方面提供了一種渦輪葉片，包括冷卻通道和/或冷卻通道組。

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明一種渦輪葉片冷卻通道設(shè)計方法具有以下有益效果：

分叉冷卻通道符合渦輪葉片表面到內(nèi)部的熱負荷分布特點，因而冷卻效率高、溫度分布均勻，而且，分叉冷卻通道還可以減小對渦輪葉片強度的破壞，避免渦輪葉片內(nèi)部發(fā)生裂紋，還可以減小冷卻通道被顆粒等污染物堵塞的發(fā)生，抑制吸力面流道分離；

冷卻通道出口處包括彎頭結(jié)構(gòu)，冷卻媒介噴射方向與葉片表面平行并指向葉片尾緣，一方面可以增大氣膜的覆蓋面積，另一方面可以抑制吸力面上的流道分離，進而提高冷卻效率和渦輪效率；

冷卻通道出口設(shè)置多孔噴嘴，增大氣膜的覆蓋面積。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實施例基本分叉單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2、圖3分別為基于圖1的基本分叉單元的二級分叉冷卻通道和三級分叉冷卻通道的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明一實施例渦輪葉片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明一實施例包括1個與供氣通道連接的冷卻通道的渦輪葉片的局部示意圖；

圖6為本發(fā)明一實施例包括多個與供氣通道連接的冷卻通道的渦輪葉片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為圖6的局部放大圖；

圖8為本發(fā)明另一實施例冷卻通道最后一級分叉結(jié)構(gòu)中基本分叉單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為圖8中基本分叉單元的支路出口設(shè)置于渦輪葉片表面的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為本發(fā)明又一實施例冷卻通道最后一級分叉結(jié)構(gòu)中基本分叉單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11為本發(fā)明再一實施例閉式冷卻通道的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖12為本發(fā)明再一實施例中包括閉式冷卻通道的渦輪葉片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖13為本發(fā)明再一實施例閉式冷卻通道的另一結(jié)構(gòu)示意圖；

圖14為本發(fā)明進一步實施例冷卻通道組的結(jié)構(gòu)示意圖。

【符號說明】

1-渦輪葉片；2-葉片吸力面；3-葉片前緣；4-供氣通道入口；5-供氣通道；6-供氣通道出口；7-葉片壓力面；8-葉片尾緣；10-基本分叉單元；11-主管；12-支管。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。

本發(fā)明提供一種應(yīng)用于渦輪葉片的冷卻通道，包括至少一級分叉結(jié)構(gòu)，其中每一級分叉結(jié)構(gòu)中包括至少一個基本分叉單元，所述基本分叉單元包括一根主管及至少一根支管，其中第i級分叉結(jié)構(gòu)中的至少一根支管作為第i+1級分叉結(jié)構(gòu)中的主管，其中i為正整數(shù)，且i≥1，分叉冷卻通道符合渦輪葉片表面到內(nèi)部的熱負荷分布特點，因而冷卻效率高、溫度分布均勻。

本發(fā)明一實施例中，提供一種冷卻通道，為開式結(jié)構(gòu)，包括多級分叉結(jié)構(gòu)，每一級分叉均包括至少一個基本分叉單元10，圖1為基本分叉單元的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，每個基本分叉單元包括一根主管11和至少1根支管12，圖1中基本分叉單元支管11為4個，其中主管11端部為冷卻氣體進口，支管12端部為冷卻氣體出口，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解本實施中基本分叉單元中支管數(shù)量至少為1個，并不限于4個，在此僅以4個為例進行說明。

圖2、圖3分別為二級分叉冷卻通道示意圖和三級分叉冷卻通道的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2，3所示，第一級分叉結(jié)構(gòu)具有1個基本分叉單元，第一級分叉結(jié)構(gòu)中的基本分叉單元的支管均作為第二級分叉結(jié)構(gòu)中基本分叉單元的主管，第二級分叉結(jié)構(gòu)中的基本分叉單元的支管均作為第三級分叉結(jié)構(gòu)中基本分叉單元的主管。圖2中的冷卻通道具有二級分叉結(jié)構(gòu)，每個基本分叉單元具有4根支管，該冷卻通道具有4²＝16個冷卻氣體出口。請參考圖3，冷卻通道具有三級分叉結(jié)構(gòu)，每個基本分叉單元具有4根支管，該冷卻通道具有4³＝64個冷卻氣體出口。由此可見，對于具有M級分叉結(jié)構(gòu)的冷卻通道，每個基本分叉單元具有N根支管，則，該分叉冷卻通道具有N^M個冷卻氣體出口，M≥2，N≥2。優(yōu)選地，隨著級數(shù)的增加，管道長度縮短、管徑減小。

圖4為渦輪葉片的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4所示，在渦輪葉片1，包括多個直徑不同的供氣通道5，設(shè)置在個葉片前緣3至葉片尾緣8之間。對于渦輪靜葉，供氣通道入口4和出口6分別與位于輪轂和機匣上的氣體通道連接；對于渦輪動葉，供氣通道入口4與位于輪轂的氣體通道連接，供氣通道出口6封閉。圖5為包括1個冷卻通道的渦輪葉片局部示意圖，如圖5所示，分叉冷卻通道有一個冷卻氣體入口，該入口連接到供氣通道上，分叉冷卻通道的多個冷卻氣體出口設(shè)置在渦輪葉片表面上，如圖4中的葉片尾緣8表面、葉片前緣3表面、葉片吸力面2和/或葉片壓力面7上。

由傳熱學理論可知，高溫流體經(jīng)過物體表面時，在熱對流、熱傳導(dǎo)和熱輻射的作用下，物體表面溫度升高最劇烈，物體表面附近的溫度梯度變化也最劇烈，也就是說物體表面熱負荷最高；物體內(nèi)部不受熱對流作用，主要通過熱傳導(dǎo)傳遞熱量，隨著向物體內(nèi)部的深入，溫度梯度逐漸變小，熱負荷也變小。因此，為了提高冷卻效率，一方面需要在物體表面上密集排布冷卻孔；另一方面要保證冷卻流體到達物體表面時保持盡可能低的溫度。由此可見，物體表面附近冷卻通過應(yīng)該密集；越深入物體內(nèi)部，冷卻通道的分布應(yīng)該越稀疏。

與傳統(tǒng)的冷卻結(jié)構(gòu)相比，本實施例中的分叉冷卻通道符合物體表面到內(nèi)部的熱負荷分布特點，因而冷卻效率高。而且，分叉冷卻通道還可以減小對物體強度的破壞，避免物體內(nèi)部發(fā)生裂紋；還可以避免冷卻通道被顆粒等污染物堵塞。

本實施例中冷卻通道可以為直管也可以為彎管，冷卻通道截面為圓形、橢圓形、三角形、多邊形，優(yōu)選為圓形。

本實施例中，冷卻氣體可以為冷卻空氣和/或蒸汽，或者采用其他冷卻媒介來代替冷卻氣體，如冷卻液體等，本實施例中優(yōu)選采用冷卻空氣。在其他實施例中，可以同時采用空氣冷卻和蒸汽冷卻，優(yōu)選空氣冷卻通道位于葉片前緣3、蒸汽冷卻通道位于葉片尾緣8。

本實施例中，如圖5所示，僅示出設(shè)置1個冷卻通道的渦輪葉片結(jié)構(gòu)，在其他實施例中，渦輪葉片中冷卻通道可以設(shè)置多個，如圖6、7所示，在渦輪葉片前緣沿供氣通道5軸向陣列布置多個冷卻通道，另外還可以沿供氣通道5周向布置多個分叉冷卻通道。

本發(fā)明還提供另一實施例，為了達到簡要說明的目的，上述一實施例中任何可作相同應(yīng)用的技術(shù)特征敘述皆并于此，無需再重復(fù)相同敘述。

圖8為另一實施例冷卻通道的最后一級分叉結(jié)構(gòu)中基本分叉單元的結(jié)構(gòu)示意圖，圖9為圖8中基本分叉單元的支路出口設(shè)置于渦輪葉片表面的結(jié)構(gòu)示意圖，本實施例中，如圖8、9所示，在冷卻通道的最后一級分叉結(jié)構(gòu)的基本分叉單元的支路冷卻氣體出口設(shè)置彎頭結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整彎頭彎曲的角度以及方向，可以使冷卻氣體按照一定角度噴出，優(yōu)選噴氣方向與葉片表面平行并指向葉片尾緣，這樣一方面可以增大氣膜的覆蓋面積，另一方面可以抑制吸力面上的流道分離，進而提高冷卻效率和渦輪效率。由圖9可見，由于分叉結(jié)構(gòu)的特點，冷卻通道出口分布在一個二維區(qū)域上，而不是分布在一條直線上，此時，彎頭的出口也不在一條直線上，這樣的好處是，氣膜覆蓋面積更大、抑制流道分離效果更好。

本發(fā)明還提供又一實施例，為了達到簡要說明的目的，上述該些實施例中任何可作相同應(yīng)用的技術(shù)特征敘述皆并于此，無需再重復(fù)相同敘述。在本實施例中，在冷卻通道的最后一級分叉結(jié)構(gòu)的基本分叉單元的支路冷卻氣體出口設(shè)置多孔噴嘴，如圖10這樣可以增大氣膜的覆蓋面積，多孔噴嘴不限于圖10中給出的半球形狀，還可以為其它形式。

本發(fā)明還提供再一實施例，提供一種冷卻通道，為閉式結(jié)構(gòu)，其除了上述一實施例中多級分叉結(jié)構(gòu)，還包括多級逆分叉結(jié)構(gòu)，每一逆分叉結(jié)構(gòu)均包括至少一個基本逆分叉單元，該基本逆分叉單元與基本分叉單元結(jié)構(gòu)相同，區(qū)別在于主管端部作為冷卻氣體出口，支管端部作為冷卻氣體入口。第一級逆分叉結(jié)構(gòu)的支管作為第二級逆分叉結(jié)構(gòu)的主管，第二級逆分叉結(jié)構(gòu)的支管作為第三級逆分叉結(jié)構(gòu)的主管，依次類推，如圖11所示，將分叉冷卻通道采用多級分叉結(jié)構(gòu)形成的多個離散出口按照逆分叉規(guī)律采用多級逆分叉結(jié)構(gòu)匯聚成一個出口，形成閉式冷卻結(jié)構(gòu)。

本實施中，冷卻氣體可以為空氣也可以為蒸汽或其它液體，優(yōu)選為水蒸汽。采用蒸汽作為冷卻介質(zhì)，由于相比潛熱的作用，蒸汽冷卻的效果比空氣更好。由于蒸汽與空氣物性差別很大，采用蒸汽冷卻，必須使蒸汽在管道中循環(huán)，而不能將蒸汽噴射到葉片外部。

圖12為再一實施例中包括冷卻通道的渦輪葉片的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖12所示，蒸汽的入口和出口分別位于輪轂和機匣上，形成封閉的通道。由于輪轂和機匣表面附面層的堆積，該區(qū)域的流體流速比葉片中部的流體速度低，因而，位于輪轂和機匣附近和葉片根部和葉片尖部的熱負荷低，而葉片中部的熱負荷高，圖11所示冷卻通道結(jié)構(gòu)的中部冷卻流體通道較兩端密集、覆蓋區(qū)域更大，這樣符合了葉片熱負荷分布的特點，可以獲得更好的冷卻效果。

本實施例中，最后一級分叉結(jié)構(gòu)的支管和最后一級逆分叉結(jié)構(gòu)的逆分叉結(jié)構(gòu)支管并不限于如圖11中的直接連接，如圖13所示，最后一級分叉結(jié)構(gòu)的支管和最后一級逆分叉結(jié)構(gòu)的逆分叉結(jié)構(gòu)支管之間通過平直管相聯(lián)通，增強葉片中部的冷卻效果。

本發(fā)明進一步實施例中提供一種冷卻通道組，如圖14所示，該冷卻通道組包括至少一個再一實施例中閉式冷卻通道，所述至少一個冷卻通道首尾依次連通串聯(lián)，由于葉片前緣熱負荷比尾緣熱負荷大，優(yōu)選，冷卻通道組進口位于葉片前緣附近，出口位于葉片尾緣附近。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的，上述冷卻通道各級分叉結(jié)構(gòu)和/或逆分叉結(jié)構(gòu)中，同級或不同級分叉結(jié)構(gòu)的基本分叉單元的結(jié)構(gòu)可以相同或不同，即可以采用相同或不同支管數(shù)量的基本分叉單元，同級或不同級逆分叉結(jié)構(gòu)的基本逆分叉單元的結(jié)構(gòu)可以相同或不同，即可以采用相同或不同支管數(shù)量的基本逆分叉單元。

本發(fā)明還提供一種渦輪葉片，包括上述實施例中的冷卻通道和/或冷卻通道組，根據(jù)渦輪葉片熱負荷和氣動載荷特點，綜合采用開式氣膜冷卻和閉式蒸汽冷卻。

至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對本實施例進行了詳細描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當對本發(fā)明有了清楚的認識。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對其進行簡單地更改或替換，例如：

(1)實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本發(fā)明的保護范圍；

(2)上述實施例可基于設(shè)計及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實施例混合搭配使用，即不同實施例中的技術(shù)特征可以自由組合形成更多的實施例。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。