一种劈缝出气式双层层板冷却结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及燃气轮机技术领域，是一种新型的集冲击-对流-气膜冷却于一体 的劈缝出气式双层层板冷却结构，用于燃气透平叶片冷却，可明显提高燃气透平叶片冷却 效率。
【背景技术】
[0002] 目前燃气透平常采用复杂多通道强迫对流加气膜冷却的复合冷却方式，可使叶片 金属平均温度降低500-700K，冷却效率为0.5-0.6。未来燃气轮机的透平进口温度将达到 1973K，为了满足未来燃气轮机透平进口温度进一步提高的要求，需采用冷却技术使叶片能 降温700-900K，冷却效率大于0.7。如图1所示，现有几种常见的叶片冷却方式中，相对于传 统的气膜冷却方式、对流/气膜冷却方式，在相同的冷气量下层板冷却方式具有明显提高的 冷却效率。如果继续采用对流/气膜复合冷却方式，冷气消耗量将会急剧增加，冷气用量的 增加将会降低燃气轮机的性能，这与高效燃气轮机的设计要求是相违背的，因此发展高效 层板冷却技术对于提升我国燃气轮机技术具有重要意义。
[0003] 由于层板结构最先用于燃烧室冷却设计中，常规层板结构（如图2所示)大多沿流 向和展向具有同样的排列方式。这就使得气膜孔沿展向和流向的间距相当。但对于燃气透 平叶片气膜冷却来说，由于气膜沿流向能作用较远的距离，而沿展向的作用空间很有限。如 果把典型层板直接用于叶片冷却中，这将会消耗大量的冷却空气。同时层板中气膜孔的长 径比较小(层板中气膜孔的长径比1~2,常规气膜冷却孔的长径比为4~7)，难以采用扩张 孔，只能采用圆柱孔，因此在大吹风比下冷气很容易吹离壁面，这也是层板结构用于叶片 冷却时需要解决的重要问题。 【实用新型内容】
[0004] 针对现有技术的缺点和不足，本实用新型的目的是提供一种新型的用于燃气轮机 透平叶片冷却的劈缝出气式双层层板冷却结构。与常规层板冷却结构相比，该结构将出气 形式由传统的沿流向和展向均布的离散气膜孔，变为沿展向的劈缝。它仍然是集冲击-对 流-气膜冷却于一体的复合冷却结构，但与常规层板冷却结构相比，具有气膜分布均匀、不 容易吹离的特点，因而可实现更高的气膜冷却效果和综合冷效；同时消除了离散气膜孔的 肾形涡，冷气掺混损失也更小;该结构还具有易于铸造加工等优点。
[0005] 本实用新型为实现其技术目的所采取的技术方案为:一种劈缝出气式双层层板冷 却结构，包括外侧板、内侧板以及设置于所述内侧板、外侧板之间的扰流柱，其特征在于，所 述内侧板设置有冲击孔，所述外侧板上设置有沿叶片展向布置的横向劈缝。
[0006] 优选地，所述冲击孔为圆形，所述扰流柱为圆柱形或菱形。
[0007] 优选地，所述冲击孔为沿流向和展向离散分布，故层板内的冷气流量沿流向逐渐 增大。
[0008] 优选地，所述横向劈缝为连续劈缝或间断劈缝。
[0009] 优选地，所述横向劈缝沿流向的夹角Ct可以为30度至90度之间的任意角度。
[0010] 本实用新型的劈缝出气式双层层板冷却结构的优点在于：（1)与常规层板冷却结 构相比，本实用新型的劈缝出气式双层层板冷却结构具有气膜分布均匀、不容易吹离的特 点，因而可实现更高的气膜冷却效果和综合冷效；（2)劈缝是公认的最理想的气膜冷却结 构，但由于叶片强度上的考虑未得到实际应用，而本实用新型的劈缝出气式双层层板冷却 结构由于内部扰流肋的存在，可以在保证强度的条件下实现劈缝式气膜出流；（3)本实用 新型的劈缝出气式双层层板冷却结构消除了离散气膜孔的肾形涡，冷气掺混损失也更小。
【附图说明】
[0011] 图1为现有各种冷却方式的冷效随吹风比的变化示意图；
[0012] 图2为常规层板冷却结构示意图，其中(a)为俯视图，（b)为侧视图；
[0013] 图3为本实用新型的劈缝出气式双层层板冷却结构示意图，其中(a)为俯视图，（b) 为侧视图；
[0014] 图4为双层层板冷却结构中采用扇形孔和采用劈缝出气结构的气膜冷效展向平均 对比；
[0015] 图5为常规双层层板和劈缝出气式双层层板的综合冷效展向平均对比。
【具体实施方式】
[0016] 为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施 例，对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实 用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及 到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0017] 如图3所示，本实用新型的劈缝出气式双层层板冷却结构，包括带冲击孔1的内侧 板、扰流柱2和带有横向劈缝4的外侧板;其中沿主流方向相邻上下游横向劈缝4之间的扰流 柱2/冲击孔1排数可任意变化。
[0018] 其中，冲击孔1的形状一般设置为圆形，扰流柱2的形状可以为圆柱形、菱形或其他 形状。沿叶片展向布置的横向劈缝4可以为连续劈缝或间断劈缝，横向劈缝4沿流向的夹角α 可以为30度至90度之间的任意角度。
[0019] 本实用新型的劈缝出气式双层层板冷却结构和常规层板冷却结构的不同，二者的 差别主要体现在：
[0020] 1)与常规层板不同的是，沿流向和展向离散分布的气膜孔3(如图2所示)变为沿叶 片展向布置的横向劈缝4(如图3所示）；
[0021 ] 2)采用冷却效率随吹风比的变化来描述层板冷却能力，冷却效率η和吹风比 (Blowing Ratio，BR)定义如下：
其中Tg为主流温度，Tw, g为壁面温度，T。为冷气温度。
其中Pgvg为燃气的动量，Pd。为冷气的动量。
[0024] 为了说明劈缝出气式层板冷却结构的冷却性能，图4对扇形扩张孔和劈缝层板沿 的气膜冷效进行了对比，为了保证可比性，两者采用同样的冷气量和同样的冷却面积。通过 展向平均气膜冷效对比可见，最大气膜冷效区即气膜孔下游区域，扇形孔在此区域的展向 平均冷效为〇. 55，而劈缝层板的冷效为达到0.80;同时劈缝层板在下游任何位置的展向平 均气膜冷效都高于扇形孔。图5给出了常规双层层板和劈缝出气式双层层板综合冷效的对 比，可以看出劈缝出气式层板的综合冷效要明显高于常规层板，这主要得益于采用劈缝4代 替离散气膜孔3带来的气膜冷效的提高。
[0025] 以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本 实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型 的范围之内。需要注意的是，按照惯例，权利要求中使用单个元件意在包括一个或多个这样 的元件。
【主权项】
1. 一种劈缝出气式双层层板冷却结构，包括外侧板、内侧板和设置于所述内侧板和外 侧板之间的扰流柱，其特征在于，所述内侧板设置有冲击孔，所述外侧板上设置有沿叶片展 向布置的横向劈缝。2. 根据权利要求1所述的层板冷却结构，其特征在于:所述冲击孔为圆形，所述扰流柱 为圆柱形或菱形。3. 根据权利要求1所述的层板冷却结构，其特征在于:所述横向劈缝为连续劈缝或间断 劈缝。4. 根据权利要求1至3任一项所述的层板冷却结构，其特征在于:所述横向劈缝沿流向 的夹角为30度至90度之间的任意角度。
【专利摘要】本实用新型提出了一种劈缝出气式双层层板冷却结构，涉及燃气轮机冷却技术，用于燃气透平叶片冷却。该结构包括外侧板、内侧板以及设置于所述外侧板、内侧板之间的扰流柱，所述内侧板设置有冲击孔，所述外侧板上设置有沿叶片展向布置的横向劈缝，与常规层板不同的是出气形式由沿流向和展向均布的离散气膜孔，变为沿展向的横向劈缝。本实用新型的劈缝出气式双层层板冷却结构集冲击-对流-气膜冷却于一体的复合冷却结构，与常规层板相比，具有气膜分布均匀、不容易吹离的特点，因而可实现更高的气膜冷却效果和综合冷效；同时消除了离散气膜孔的肾形涡，冷气掺混损失也更小。
【IPC分类】F01D5/18
【公开号】CN205135723
【申请号】CN201520870061
【发明人】张晓东, 刘建军
【申请人】中国科学院工程热物理研究所
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2015年11月4日