透平叶片复合冷却组件的制作方法

1.本发明属于燃气轮机冷却技术领域，具体涉及一种透平叶片复合冷却组件。


背景技术：

2.采用更高的透平进口温度是提高燃气轮机热性能的关键，但燃气温度提高意味着透平叶片需要承受更高的热负荷和热应力。目前先进燃气轮机透平进口温度已远超透平叶片材料的耐温极限。除了提升高温合金材料耐热性能和热障涂层的隔热性能，发展更加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重要途径。
3.透平叶片一般采用内、外部结合的复合冷却方式。叶片内部通常设置复杂形状的冷却结构，包括冲击腔室、带倾斜连续肋片的内冷通道和涡流矩阵肋片通道等，增加叶片内表面端壁换热面积和对冷气的扰动，破坏流动边界层并增加湍流度，从而强化叶片内部冷气的对流换热。但是，现有的透平叶片的冷却效果仍然有待进一步提高。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种透平叶片复合冷却组件，它能够提高冷却效果。
5.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种透平叶片复合冷却组件，包括冲击孔板、冲击靶板以及s型肋片，所述冲击孔板至少布置两个冲击孔；所述冲击孔板与所述冲击靶板相对且平行，使得所述冲击孔板与所述冲击靶板之间形成沿流向方向延伸的冷却通道；所述s型肋片设置在所述冲击靶板朝向所述冲击孔板的表面上；所述冲击靶板与所述冲击孔正对的区域为冲击中心，所述s型肋片流向方向延伸且偏离所述冲击中心布置。
7.优选地，所述s型肋片包括至少两段圆弧段和至少两段直线段，所述圆弧段分为第一方向圆弧段和第二方向圆弧段，所述直线段分为第一方向直线段和第二方向直线段；第一方向直线段、第一方向圆弧段、第二方向直线段、第二方向圆弧段在流向方向上交替布置；至少两个所述冲击中心沿着流向方向形成一排，沿着展向方向形成一列。
8.优选地，所述s型肋片的数量为至少两条，至少两条所述s型肋片在展向方向上间隔分布。
9.优选地，每条所述s型肋片对应一排所述冲击中心，各个所述冲击中心分别位于所述第一方向圆弧段所在的圆形内以及所述第二方向圆弧段所在的圆形内。
10.优选地，所述第一方向圆弧段的对称中心线以及所述第二方向圆弧段的对称中心线分别与相对的所述冲击中心的展向对称中心线重合。
11.优选地，每条所述s型肋片位于两排所述冲击中心之间。
12.优选地，所述第一方向圆弧段朝向流向相邻的两个所述冲击中心之间的区域凸起或者凹陷，所述第二方向圆弧段朝向流向相邻的两个所述冲击中心之间的区域凹陷或者凸起。
13.优选地，所述冲击孔的直径为d，同一排相邻的两个所述冲击孔之间的流向间距为sx
，同一列相邻的两个所述冲击孔之间的展向间距为sy，所述冲击孔板与所述冲击靶板之间的距离为sz，三个方向的间距取值如下：s
x
/d＝2～12，sy/d＝2～12，sz/d＝1～5。
14.优选地，所述圆弧段圆弧半径为r，沿流向方向相邻的两个所述圆弧段之间的距离为k，二者间关系为r/k＝0.3～0.5。
15.优选地，所述s型肋片的高度为e，冷气通道水力直径为dh，e/dh＝0.01～0.02。
16.本发明的透平叶片复合冷却组件的有益效果在于：冷气流通过各个冲击孔，首先形成多股射流冲向靶面，产生冲击中心以及冲击中心周围的高换热区域，然后在相邻s肋片形成的通道内汇总、流动，形成与冲击射流方向垂直的横向流动。相对于现有的冲击靶板，本实施例的s型肋片能够增加冷气流的浸润面积，从而提高换热性能。此外，本实施例的s型肋片还能够在一定程度上削弱通道中的冷气横流对冲击射流的不利影响，从而提高下游区域的冲击换热性能。
附图说明
17.图1是本发明实施例透平叶片复合冷却组件的立体图；
18.图2是本发明实施例冲击靶板的俯视图；
19.图3是本发明实施例透平叶片复合冷却组件的侧视图；
20.图4是本发明实施例一的冲击孔以及s型肋片的分布图；
21.图5是本发明实施例二的冲击孔以及s型肋片的分布图；
22.图6是现有的光滑冲击靶板的换热系数分布云图；
23.图7是本发明实施例一的冲击靶板的换热系数分布云图；
24.图8是本发明实施例二的冲击靶板的换热系数分布云图。
25.图中部件名称和标号如下：
26.冲击孔板1、冲击孔11、冲击靶板2、冲击中心21、s型肋片3、圆弧段31、第一方向圆弧段31a、第二方向圆弧段31b、直线段32、第一方向直线段32a、第二方向直线段32b、流向x，展向y。
具体实施方式
27.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
28.本实施例中的冲击孔的“排”和“列”分别指沿流向x和展向y。
29.如图1所示，本实施例公开了一种透平叶片复合冷却组件。该透平叶片复合冷却组件包括冲击孔板1、冲击靶板2以及s型肋片3，冲击孔板1分布有至少两个冲击孔11；冲击孔板1与冲击靶板2相对且平行，使得冲击孔板1与冲击靶板2之间形成沿流向x方向延伸的冷却通道；s型肋片3连接在冲击靶板2朝向冲击孔板1的表面上；冲击靶板2与冲击孔11正对的区域为冲击中心21，冲击中心21的尺寸与冲击孔11的尺寸相同，冲击中心21也可以认为是冲击孔11在冲击靶板2上的正投影；s型肋片3流向x方向延伸且偏离冲击中心21布置。
30.冷气流通过各个冲击孔11进入冷却通道，通过各个冲击孔11的冷气流形成多股射流冲向冲击中心21以及冲击中心21周围的区域。相对于现有的冲击靶板，本实施例的s型肋
片3能够增加冷气流的浸润面积，增强换热效果。此外，本实施例的s型肋片3还能够在一定程度上削弱通道中的冷气横流对冲击射流的不利影响，从而提高下游区域的换热性能。本实施例的冷气横流指的是冷却通道中垂直于冲击孔11方向的流动。
31.本实施例的上、下游指的是通道内冷气沿流向x方向的流动。
32.本实施例的冲击孔11为圆孔。冲击孔11也可以为其它形状的孔。本实施例的s型肋片3的端面形状可以为正方形。s型肋片3的端面形状也可以为其它的形状，例如，可以为圆形。
33.本实施例的s型肋片3的宽度和高度较小，与内表面光滑的冲击靶板2相比，不会明显提高通道阻力。相对于现有技术，本实施例在整体上能够提高冷却效果。
34.如图4和图5所示，优选地，s型肋片3包括至少两段圆弧段31和至少两段直线段32，圆弧段31分为第一方向圆弧段31a和第二方向圆弧段31b，直线段32分为第一方向直线段32a和第二方向直线段32b；第一方向直线段32a、第一方向圆弧段31a、第二方向直线段32b、第二方向圆弧段31b在流向x方向上交替布置。至少两个冲击中心21沿着流向x方向形成一排，沿着展向y方向形成一列。
35.优选地，s型肋片3的数量为至少两条，至少两条s型肋片3在展向y方向上间隔分布。例如，s型肋片3的数量为三条。冲击孔11为三排，五列。s型肋片3的数量以及冲击孔11可以根据实际需要进行设定。
36.如图2和图3所示，优选地，冲击孔11直径为d，流向x相邻的两个冲击孔11的之间的流向距离为s
x
，展向y相邻的两个冲击孔11的之间的展向距离为sy，冲击孔板1与冲击靶板2之间的距离为sz，s
x
/d＝2～12，sy/d＝2～12，sz/d＝1～5。例如，s
x
/d＝2或者7或者12，sy/d＝2或者7或者12，sz/d＝1或者3或者5。
37.优选地，圆弧段31所在圆的半径为r，流向相邻的两个圆弧段31之间的距离为k，r/k＝0.3～0.5。例如，r/k＝0.3或者0.4或者0.5。流向相邻的两个圆弧段31之间的距离指的是流向相邻的第一方向圆弧段31a与第二方向圆弧段31b之间的距离。优选地，k/s
x
＝0.25～1。例如，k/s
x
＝0.25或者0.28或者1。
38.优选地，s型肋片3的高度为e，冷气通道水力直径为dh，e/dh＝0.01～0.02。例如，e/dh＝0.01或者0.015或者0.02。
39.优选地，展向相邻的两个圆弧段31之间的距离为p，p/sy＝0.5～1。例如，p/sy＝0.5或者0.7或者1。展向相邻的两个圆弧段31指的是展向相邻的两个第一方向圆弧段31a之间的距离或者展向相邻的两个第二方向圆弧段31b之间的距离。
40.本实施例的透平叶片复合冷却组件包括冲击孔板1、冲击靶板2以及s型肋片3，部件数量少，结构简单。冲击孔11以及s型肋片3的尺寸以及位置相互关联，以进一步提高冷却效果。
41.基于上述的内容以及冲击孔11与s型肋片3布置方式不同，形成下文的实施例一和实施例二。
42.实施例一
43.如图4所示，优选地，每条s型肋片3对应一排冲击中心21，各个冲击中心21分别位于第一方向圆弧段31a所在的圆形内以及第二方向圆弧段31b所在的圆形内。每条s型肋片3的第一方向圆弧段31a和第二方向圆弧段31b的总数量与一排冲击中心21数量相同。
44.优选地，第一方向圆弧段31a的对称中心线以及第二方向圆弧段31b的对称中心线分别与相对的冲击中心21的展向对称中心线重合。
45.具体地，本实施例的s型肋片3的数量为3条，冲击中心21共3排。每排的冲击中心21的数量为5个，也即冲击孔11共3排，每排的冲击孔11的数量为5个。
46.本实施例的冲击孔11的直径为d＝0.8mm，流向相邻的两个冲击孔11的之间的距离为s
x
＝4.0mm，展向相邻的两个冲击孔11的之间的距离为sy＝4.0mm，冲击孔板1与冲击靶板2之间的距离为sz＝1.6mm，s
x
/d＝5，sy/d＝5，sz/d＝2。圆弧段31所在圆的半径为r＝1.6mm，流向相邻的两个圆弧段31之间的距离为k＝4.0mm，r/k＝0.4。k/s
x
＝1。e/dh＝0.02。
47.展向相邻的两个圆弧段31之间的距离为p＝4.0mm，p/sy＝1。
48.实施例二
49.如图5所示，优选地，每条s型肋片3位于两排冲击中心21之间。
50.优选地，第一方向圆弧段31a朝向流向x相邻的两个冲击中心21之间的区域凸起或者凹陷，第二方向圆弧段31b朝向流向x相邻的两个冲击中心21之间的区域凹陷或者凸起。具体地，第一方向圆弧段31a的对称中心线与一对流向x相邻的两个冲击中心21的对称中心线重合，以及第二方向圆弧段31b的对称中心线与另一对流向x相邻的两个冲击中心21的对称中心线重合。
51.具体地，本实施例的s型肋片3的数量为2条，冲击中心21共3排。每排的冲击中心21的数量为5个，也即冲击孔11共3排，每排的冲击孔11的数量为5个。
52.本实施例s型肋片3与冲击中心21的间距相对于实施例一较远，第一方向直线段32a、第二方向直线段32b对冲击射流在冲击靶板2上的扩散影响较弱。本实施例的冷却效果优于实施例一的冷却效果。
53.本实施例的冲击孔11的直径为d＝0.8mm，流向相邻的两个冲击孔11的之间的流向距离为sx＝4.0mm，展向相邻的两个冲击孔11的之间的展向距离为sy＝4.0mm，冲击孔板1与冲击靶板2之间的距离为sz＝1.6mm，s
x
/d＝5，sy/d＝5，sz/d＝2。圆弧段31所在圆的半径为r＝1.0mm，流向相邻的两个圆弧段31之间的距离为k＝4.0mm，r/k＝0.25。k/s
x
＝1。e/dh＝0.02。
54.展向相邻的两个圆弧段31之间的距离为p＝4.0mm，p/sy＝1。
55.图6是现有的光滑冲击靶板的换热系数分布云图；图7是本发明实施例一的冲击靶板的换热系数分布云图；图8是本发明实施例二的冲击靶板的换热系数分布云图。对流换热系数代表了在相同温差下，单位面积的表面换热能力的大小。图6和图7以及图8的冲击孔阵列的布置相同，且在相同的边界条件下进行仿真计算。
56.对比图6与图7以及对比图6与图8，冲击射流对应的冲击中心21处拥有最高的换热系数，冷气由冲击中心21向外扩散，冷却效果也逐渐的降低。
57.由于实施例一以及实施例二的s型肋片3的阻挡作用，冲击射流在冲击靶板2表面附近的扩散被削弱。相对于现有的光滑靶面，实施例一的冲击射流区域靠近圆弧段31一侧高冷却效率面积明显减小，而另一侧的面积略微增大，尤其是上游区域。沿着冷气流动方向向通道下游发展，对比下游的冲击射流驻点与冲击孔11可以发现，s型肋片3略微削弱了冷气横流对冷气射流的不利影响，冷气射流的偏转有所改善。相对于实施例一，实施例二并未显著影响冲击靶板2表面附近冷气的流动。
58.综上所述，对比图6与图7以及图6与图8，s型肋片3可以增大通道浸润面积，增强换热效果，同时对冲击冷却的冷却效果不会产生明显的负面影响，整体上能够提高冷却效果。
59.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。