[发明专利]一种适用于涡轮叶片内部冷却的耦合结构及应用

说明书

本发明一种适用于涡轮叶片内部冷却的耦合结构及应用，属于航空发动机及燃气轮机涡轮叶片内部冷却技术领域；所述耦合结构包括扰流柱阵列、上斜肋阵列、下斜肋阵列；其中上斜肋阵列、下斜肋阵列交叉设置，并与位于两者空间交汇处的扰流柱构成耦合结构。所述扰流柱阵列由若干扰流柱呈矩形阵列而成，沿流向和展向相邻的扰流柱中心距离为s；其上端与上斜肋连接，下端与下斜肋连接。本发明通过在冷却通道内设置耦合结构，形成湍流发生器，在保留交叉斜肋和扰流柱各自的冷却效率提升的基础上，合理利用两种冷却结构的尾迹和诱导涡系增强流体的扰动及掺混，并增大局部流速使换热系数增大，提高冷却效率和冷气利用率。

技术领域

本发明属于航空发动机及燃气轮机涡轮叶片内部冷却技术领域，具体涉及一种适用于涡轮叶片内部冷却的耦合结构及应用。

背景技术

提高涡轮前温度可以显著提高涡轮热效率和功率输出，从而增大推重比并降低耗油率。目前，先进涡轮发动机和燃气轮机的涡轮前温度已经达到2000K以上，而下一代航空发动机中这一温度将被提高至2200K以上，这远远超过了目前涡轮叶片材料及制造加工工艺对涡轮叶片所限制的许可温度(约为1370K)(见参考文献：Han J-C.Advanced coolingin gas turbines 2016Max Jakob Memorial Award Paper[J].Journal of HeatTransfer,2018,140(11):113001.)。因此，为了避免涡轮叶片被过热的燃气烧蚀且最终延长涡轮叶片的寿命，必须采用具有较好冷却性能的先进的涡轮冷却结构和方案。

涡轮叶片主要依靠与冷气流的对流换热来实现降温，为此必须采取各种强化换热或阻隔热燃气对涡轮叶片加热的措施以达到冷气用量少、冷却效果佳的目的。强化换热主要被用于涡轮叶片内部冷却，也是涡轮内部所采用的主要冷却技术，其方式包括冲击冷却、扰流器和扰流柱强化换热等措施(见参考文献：Yeranee K,Rao Y.A review of recentstudies on rotating internal cooling for gas turbine blades[J].ChineseJournal of Aeronautics,2021,34(7):85-113.)。作为一种被动强化传热技术，肋式湍流器增大了了有效换热面积，通过使流体迁移和混合并产生漩涡和速度梯度，完成强化传热的目的。肋式湍流器通常采用沿表面安装的横截面为矩形的斜肋，与整体流动方向之间存在一定角度。与普通的连续式斜肋相比，一些其它形式的，如间断肋、V形肋、W型肋和交叉斜肋等可以提供传热性能。

扰流柱大多是从传热表面突出到冷却气流流动路径的圆形突出物，一般垂直于流动方向，以最大程度地实现强化对流换热。扰流柱所产生的尾流增加了自由流动的扰动，扰流柱安装表面上的边界层发展受到干扰。来自上游扰流柱的尾流也会影响下游扰流柱的流动和传热性能。

现有技术在中，肋式湍流器和扰流柱这两类叶片内部冷却结构都可以通过增加有效换热面积、提高流体紊流强度从而增大换热系数等方式增强冷却气流与叶片固体壁面之间的热量传递，冷却效率得到提升。但是，两类冷却结构对冷却性能的提升都是有限的。肋式湍流器为了保证冷却通道的流通性其高度一般小于通道高度的一半，其对通道中间高度部分的流体的扰动作用较差，未能实现冷气的充分利用；而扰流柱一般布局相对稀疏，对端壁区域流体的扰动能力相对较弱，同时流体的有效运动距离没有显著增大，冷气利用率和综合换热性能不够理想。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，进一步提升冷却效率和冷气利用率，本发明提供一种适用于涡轮叶片内部冷却的耦合结构，通过在冷却通道内设置交叉斜肋-扰流柱耦合结构，利用交叉斜肋和扰流柱结构以及两者间的耦合结构形成湍流发生器，在保留交叉斜肋和扰流柱各自的冷却效率提升的基础上，通过合理利用两种冷却结构的尾迹和诱导涡系进一步增强流体的扰动、及掺混，并增大局部流速使换热系数增大，提高冷却效率和冷气利用率，丰富了航空发动机及燃气轮机涡轮叶片内部冷却技术的方案储备。