[实用新型]一种新型透平叶片旋流冷却结构

说明书

本实用新型公开了一种新型透平叶片旋流冷却结构，包括旋流冷却腔和射流孔等；旋流冷却腔的顶部为平面结构，靶面为曲面结构；若干射流孔等间距布置在旋流冷却腔顶面一侧，若干出流槽等间距布置在旋流冷却腔顶面且与射流孔相对的另一侧，且出流槽和射流孔之间呈错排布置；若干球窝结构和气膜孔布置在旋流冷却腔靶面；工作时，冷却工质从射流孔喷射进入旋流冷却腔，沿射流孔所在靶面一侧流动，在弯曲靶面的作用下形成横向大尺度涡，与靶面进行强烈的热量交换，在流经球窝结构时产生流动分离与再附，增强球窝局部传热，在气膜孔抽吸作用下获得了更高的流体湍动能，消除了局部的传热恶化现象，完成换热后的冷却工质通过与射流孔相邻的出流槽排出。

技术领域

本实用新型属于透平叶片冷却技术领域，特别涉及一种新型透平叶片旋流冷却结构。

背景技术

作为燃气轮机的核心部件之一，透平紧邻燃烧室下游，在运转过程时受到高温高压燃气的持续冲刷，工作环境极为恶劣，在进行透平设计时，除了考虑气动因素外，还需采用高效的冷却技术，将透平温度降至材料许可范围内，以保证燃气轮机的安全、稳定运行。从燃烧室输出的高温燃气在进入叶栅通道时直接冲击至透平叶片前缘，因此该区域，尤其是第一级导叶前缘区域具有极高的热负荷，是叶片冷却设计中重点关注的对象。

为了提高透平叶片前缘的冷却性能，往往采用具有最高强化传热效果的冲击冷却方式，在前缘区的内衬板表面开设多个射流孔，从叶根供应的冷却空气通过射流孔冲击至前缘弯曲靶面，在冲击点附近区域产生强烈的热质交换，冷却空气从靶面吸收热量，从而有效降低前缘内、外表面温度。

随着燃气轮机的发展，根据布雷顿循环的内在规律，其功率和效率的提升要求透平进气温度不断上升，这给透平各部件的冷却设计，尤其是透平第一级导叶前缘的冷却设计带来了巨大挑战。由于传统的冲击冷却在很多情况下已无法应对叶片前缘热负荷的快速上涨，相关专家和设计人员提出了旋流冷却结构，即将射流孔布置在顶面一侧区域，冷却工质进入通道后沿着圆弧靶面形成横向大尺度涡系，增强流体湍动能，从而获得明显优于传统冲击结构的冷却性能。

然而，采用该旋流冷却结构会在射流孔之间产生局部的传热恶化，加剧了叶片前缘温度分布的不均匀性，同时，上游旋流工质聚集形成的横流会显著削弱下游射流的强化传热作用，无法充分发挥旋流结构的潜在冷却性能。因此，迫切需要一种新型的透平叶片旋流冷却结构，通过克服上述问题获得更优的旋流冷却性能，从而实现透平叶片前缘的高效热防护。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供了一种新型透平叶片旋流冷却结构，通过分布式出流槽消除了横流的影响，避免了旋流传热性能在流动方向的迅速衰减，提高了整体传热水平，同时减小了压力损失；靶面布置的球窝和气膜孔组合结构强化了局部传热，显著减小了传统旋流靶面的传热恶化区域，在提升传热性能的同时减小了靶面温差，从而提高了整体冷却性能。

本实用新型采用如下技术方案来实现的：

一种新型透平叶片旋流冷却结构，包括旋流冷却腔、射流孔、出流槽、球窝结构和气膜孔；其中，旋流冷却腔的顶部为平面结构，靶面为曲面结构；若干射流孔等间距布置在旋流冷却腔顶面一侧，若干出流槽等间距布置在旋流冷却腔顶面且与射流孔相对的另一侧，且出流槽和射流孔之间呈错排布置；若干球窝结构和气膜孔布置在旋流冷却腔靶面；

工作时，冷却工质从射流孔喷射进入旋流冷却腔，沿射流孔所在靶面一侧流动，在弯曲靶面的作用下形成横向大尺度涡，与靶面进行强烈的热量交换，在流经球窝结构时产生流动分离与再附，增强球窝局部传热，在气膜孔抽吸作用下获得了更高的流体湍动能，消除了局部的传热恶化现象，完成换热后的冷却工质通过与射流孔相邻的出流槽排出。

本实用新型进一步的改进在于，旋流冷却腔的靶面形状采用圆弧、椭圆弧、抛物线或双曲线。

本实用新型进一步的改进在于，射流孔形状为矩形、直槽口形、圆形及椭圆形，射流孔布置间距与射流孔宽度之比S/w在2～5范围内，射流孔宽度与厚度之比w/t在1～6范围内。