[发明专利]一种利用旋转效应的燃气透平动叶增压冷却结构

说明书

本发明公开了一种利用旋转效应的燃气透平动叶增压冷却结构。所述结构具体由流向中间隔板，多级布置的Z形回转增压腔体、冲击‑对流串联冷却层板组成，均位于燃气透平动叶内部，Z形回转增压腔体通过分隔压力面及吸力面供气腔体并组织供气腔体内径向流向，利用旋转科氏力提高冲击‑对流串联冷却层板供气压力并减小吸、压力面间的供气压力梯度；冲击‑对流串联冷却层板通过汇集冲击冷却气流提高雷诺数，并采用开设有导流射缝的径向导流隔板增强径向对流换热腔室内由于旋转科氏力形成的横向涡旋，有效提高传热系数。本发明能够利用旋转效应降低对冷却抽气压力及抽气量的需求，有效增强冷却性能。

技术领域

本发明属于燃气轮机透平冷却技术领域，特别涉及一种利用旋转效应的燃气透平动叶增压冷却结构。

背景技术

燃气轮机由于其体积紧凑，重量轻，功率高，启动快速等优点被广泛应用于航空航天、船舶电力等诸多工业领域，在国民经济生活中发挥了重要作用，而透平叶片作为核心部件直接工作在极高温燃气中，进口温度甚至超过高温合金熔点，为了保障燃气透平的安全运行及工作寿命，提升整体性能表现，需要对燃气透平叶片进行有效冷却。

传统的叶片冷却结构通常依据静止条件下的气动过程进行设计及实验测试，但燃气透平工作时高速旋转的旋转效应对叶片内冷却气流的压力分布、流动现象、换热过程具有显著影响。为进一步提高透平叶片冷却结构的换热性能，减少旋转效应对气流组织、换热过程的不良影响，并利用旋转效应降低对冷却气量及压力的要求，需要提出更为高效的冷却结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用旋转效应的燃气透平动叶增压冷却结构，通过具有三角结构的Z形回转增压腔体提高叶片强度；同时实现压力面及吸力面供气腔体间的分隔，使供气腔内冷却气流径向运动时所受旋转科氏力始终指向冲击-对流串联冷却层板，既提高冲击-对流串联冷却层板的供气压力，又有效解决高转速条件下压力面与吸力面冷却气流间压力梯度过大的问题。通过冲击-对流串联冷却层板中的径向导流隔板及其上间隔开设的导流射缝增强气流在径向腔体中的横向涡旋，提高换热系数。最终有效降低冷却结构的抽气压力及抽气量，减弱旋转效应对冷却过程潜在的不利影响，提高燃气透平的冷却性能。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种利用旋转效应的燃气透平动叶增压冷却结构，将燃气透平叶片沿流向顺次分为前缘冷却结构、增压冷却结构和尾缘冷却结构；

增压冷却结构包括流向中间隔板，多级布置的Z形回转增压腔体及冲击-对流串联冷却层板，其中，Z形回转增压腔体、冲击-对流串联冷却层板以及流向中间隔板均位于叶片内部；Z形回转增压腔体中，级间隔板与叶根平台间存在连通相邻两级Z形回转增压腔体的根部折返通道；冲击-对流串联冷却层板分为压力面冲击-对流串联冷却层板和吸力面冲击-对流串联冷却层板，压力面冲击-对流串联冷却层板中，级间隔板与叶根平台间存在连通两级冲击-对流串联冷却层板的压力面级间层板通道，吸力面冲击-对流串联冷却层板中，级间隔板则与叶顶壁面间存在连通两级冲击-对流串联冷却层板的吸力面级间层板通道；

Z形回转增压腔体的壁面上开设有冲击冷却孔，通过冲击冷却孔为同级冲击-对流串联冷却层板供气；流向中间隔板的周向两端面分别位于叶片压力面与吸力面型面与轴向相切的位置处，并固定充当级间隔板。

本发明进一步的改进在于，冲击冷却孔的形状为圆形、椭圆形或星形。

本发明进一步的改进在于，叶片壁面上布置有气膜孔有益提供气膜冷却，并能够在叶片壁面的内壁面增加球窝或球凸冷却单元。

本发明进一步的改进在于，Z形回转增压腔体及冲击-对流串联冷却层板组成的冷却级在叶身内部采用多级布置，级数N≥2，相邻级之间通过级间隔板进行分隔。

本发明进一步的改进在于，Z形回转增压腔体中包含中间隔板，用于将回转增压腔体分隔为压力面供气腔体及吸力面供气腔体，并且中间隔板与叶顶壁面间存在连通压力面供气腔体及吸力面供气腔体的顶部折返通道。