[发明专利]一种适用于透平叶片后缘内部冷却通道的S型肋片结构

说明书

本发明公开了一种适用于透平叶片后缘内部冷却通道的S型肋片结构，涉及燃气轮机冷却技术领域。S型肋片由圆弧肋和直肋交替排列构成，圆弧肋中线为半径相等的圆弧，圆心共线分布，相邻圆弧肋呈中心对称分布。圆弧肋和直肋之间可以连续，也可以间断，圆弧肋中线所在圆与直肋中线或其延长线相切。S型肋片整体沿冷气流向布置。圆弧肋和直肋的截面均为相同大小的矩形，没有填充部分存在。相较于一般的长方体肋片（斜肋、交叉肋），圆弧肋结构的存在能够增大对流换热面积，增强后缘壁面处气流的扰动，提升壁面的换热性能，相邻圆弧肋中心对称分布提高了壁面换热性能的空间分布均匀性。

技术领域

本发明涉及燃气轮机冷却技术领域，尤其涉及一种应用于透平叶片后缘内冷通道的S型肋片结构。

背景技术

进一步提高燃气轮机透平的进口温度是提高燃气轮机热性能的有效途径，但也意味着透平叶片需要承受极高的热负荷，尤其是喷嘴叶片和透平动叶的前缘、尾缘和吸力面转捩区域。目前先进燃气轮机透平进口温度已远超叶片材料的耐温极限，高效的透平冷却技术是保障热端部件寿命和燃气轮机稳定运行的关键。

透平叶片多采用内、外部结合的复合冷却方式。叶片内部设计有复杂的冷却通道，典型的结构是冲击腔室、带倾斜连续肋片的蛇形内冷通道和涡流矩阵肋片通道。通过增加叶片内表面边界对冷气的扰动，破坏流动边界层并增加湍流度，从而强化叶片和内部冷气的对流换热。但对冷气的扰动加剧也意味着更高的流动阻力，因此冷却通道结构的设计应兼备冷却性能和流动损失。

过去几十年内，研究人员相继提出了V形肋片、W形肋片、交错肋片等冷却结构以提升其换热性能。但这些冷却结构相对较为复杂，制造成本较高，部分间断肋还存在填充区段等结构，加工难度太大。因此需要研究一种换热性能较高、结构较为简单的肋片结构。

发明内容

为了增强叶片内部通道的换热性能、降低压力损失，本发明提出一种应用透平叶片后缘内冷通道的S型肋片结构。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种适用于透平叶片后缘内部冷却通道的S型肋片结构，包括至少两条S型肋片，所述S型肋片布置在透平叶片内壁表面，多条S型肋片首尾各部位之间的间距相同(展向间距)，S型肋片包括圆弧肋和直肋，所述S型肋片由圆弧肋和直肋交替排列构成，圆弧肋和直肋之间为连续状态或间断状态。

作为更进一步的优选方案，圆弧肋中线均为半径相等的圆弧，圆弧半径r与冷却通道水力直径D_h的比值r/D_h为0.1～0.4，圆弧的圆心共线分布，一条S型肋片上相邻两个圆弧肋的中线间距k与圆弧半径r的比值k/r为2.2～4.5，相邻圆弧肋呈中心对称分布。

作为更进一步的优选方案，一条S型肋片上的圆弧肋数量n根据公式n＝L/(4.5*r)计算求得，其中L为冷却通道长度，r为圆弧肋半径；一条S型肋片中圆弧肋个数为4～12。

作为更进一步的优选方案，圆弧肋中线所在圆与相邻直肋中线或其延长线相切；圆弧肋中线弧度α满足0α≤2*arcsin(2*r/k)，直肋中点与圆弧肋中线圆心共线，直肋中线为长度相等的直线，直肋中线长度l满足0l≤2*(0.25*k²-r²)^0.5。

作为更进一步的优选方案，S型肋片的断面为矩形，S型肋片的高度e与冷却通道水力直径D_h的比值e/D_h为0.01～0.05，S型肋片宽度w和高度e相等。

作为更进一步的优选方案，S型肋片布置方向与冷气流向一致，在冷气流向垂直方向上等间距或非等间距重复排列，S型肋片个数m为2～6，等间距排列时，S型肋片间距p和圆弧半径r的比值p/r为1.0～2.5，非等间距排列时，肋间距的取值范围均在1.0r～2.5r之间。