一种穿孔斜肋冷却结构以及由其构成的涡轮叶片

1.本发明涉及涡轮叶片内部冷却结构技术领域，具体涉及一种穿孔斜肋冷却结构以及由其构成的涡轮叶片。


背景技术：

2.近年来，许多学者对肋片冷却展开研究，包括肋片形状、角度、肋间距和高度比等。肋片冷却强化换热的原理是冷流体的分离和再附着。当冷却流体流经上游肋片时，首先会冲击肋片的上壁面附近，从而增强换热，之后流经上游肋片，在肋片下游发生冷却流的分离，然后在下游肋片的上游处产生冷却流的再附着现象，从而增强下游肋片上游处的换热效果。虽然肋片冷却结构的布置能够增强上游肋片前缘和下游肋片前缘附近的换热效果，但是在上游肋片的后缘会产生回流，从而削弱该区域的换热，使得该区域的冷却效果较差。
3.对于真实涡轮叶片，考虑到叶片制作工艺难度以及叶片的强度问题，通常以较为简单的内部冷却结构来实现叶片表面温度的降低，例如cn111271133a公开一种布置直肋内部冷却结构的涡轮导向器叶片，将内部冷却腔分为3个冷却通道，组成蛇形冷却通道，在冷却通道内沿垂直于冷却流流向设置若干直肋。冷气流从第一冷却通道流入，沿着带肋蛇形通道流动，最终从尾缘劈缝流出。有直肋结构内冷通道的涡轮导向器叶片虽能增加换热面积，增强冷却流的扰动，提高换热效率，但是直肋是最基础的肋片冷却结构，目前已经针对肋片形状，角度等参数展开优化，斜肋，v型肋，w肋等结构出现，斜肋已经应用于真实涡轮叶片的内部冷却结构中。另外该专利并未考虑叶片前缘的高温区域以及尾缘的冷却，前缘区域受高温气流的侵蚀最为严重，需要更为有效的冷却技术，尾缘区域也需要扰流柱冷却结构来降低该区域的温度。cn111271133a公开一种用于涡轮叶片内部冷却通道的间断肋冷却结构，每排间断肋均由间断肋片和间断区域组成，且沿着冷却流的流动方向，每排间断肋的间断肋片与间断区域的数量逐渐递增，该间断肋冷却结构对气流的扰动作用更强，但是当前排间断肋片与间断区域的数量较少时，无法使得肋片后缘的低换热区域被均匀强化，当间断肋片与间断区域的数量较多时，肋片后缘的低换热区域能够被均匀强化，但肋片结构的强度又会被削弱。


技术实现要素：

4.为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种穿孔斜肋冷却结构以及由其构成的涡轮叶片；
5.本发明目的一，提供新型穿孔斜肋冷却结构，当冷却流流经穿孔斜肋时，少部分流体会进入到斜肋上的冷却孔内，然后从斜肋后缘的冷却孔流出，冲击到内部通道的壁面上，极大地加强了壁面流场的扰动作用，破坏肋片后缘的回流区域，从而达到强化换热的效果，弥补了现有肋片后缘由于产生回流而削弱换热的不足。
6.本发明目的二，提供了一种有复杂内部冷却结构和气膜冷却耦合传热的涡轮叶片结构，该结构不仅在叶片中部吸力面与压力面的内部冷却通道布置了新型穿孔斜肋冷却结
构，还在叶片前缘高温区域布置了冲击与气膜冷却耦合传热结构以及在叶片尾缘内部冷却通道中布置了叉排扰流柱冷却结构。本发明的涡轮叶片结构前缘到尾缘的冷却方式均被设计，较为完整，可用于真实涡轮叶片的设计中，本发明可使得叶片表面的换热被强化且叶片表面温度分布均匀，从而保证涡轮叶片正常工作，并延长使用寿命。
7.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
8.一种穿孔斜肋冷却结构，包括斜肋100，在所述斜肋100开有若干冷却孔结构101，所述斜肋100的长度方向与冷却流流动方向呈一定角度。
9.所述斜肋100的截面是正方形，肋高h与肋宽e相同，且肋间距p与肋宽e的比值范围是7-15。
10.所述冷却孔结构101是在斜肋100上开相同间距的圆孔结构，冷却孔结构101的进口圆孔截面102与斜肋100前缘的上截面103相切，出口圆孔截面104与斜肋100后缘的下截面105相切，进口圆孔截面102与出口圆孔截面104的直径d相同且直径小于斜肋100高度h的一半；冷却孔结构101的流向方向与冷却流的流动方向相同，且孔中心线与冷却流流动方向呈一定夹角，夹角值取决于肋高h与冷却孔的直径d。
11.一种涡轮叶片，包括叶片外表面106、气膜孔113、冲击孔114和扰流柱排115，所述叶片外表面106为e3叶片的中截面叶型；
12.所述叶片内部包含六个内部冷却通道，分别为第一冷却通道107、第二冷却通道108、第三冷却通道109、第四冷却通道110、第五冷却通道111和第六冷却通道112，所述六个内部冷却通道按顺序依次排列；
13.第一冷却通道107位于叶片前缘，第二冷却通道108紧挨着第一冷却通道107，第三冷却通道109、第四冷却通道110、第五冷却通道111组成蛇形冷却通道，位于叶片中部，紧靠第二冷却通道108，第六冷却通道112位于叶片尾缘，连接叶片外表面106的尾缘劈缝结构116；
14.所述气膜孔113有两列，等间距分布，第一列位于叶片外表面106前缘，第二列位于叶片上相应于第四冷却通道110处的压力面；
15.所述冲击孔114连接第一冷却通道107和第二冷却通道108，呈等间距分布；
16.所述扰流柱排115位于第六冷却通道112，呈交叉分布，连接尾缘劈缝116。
17.任意一个或多个内部冷却通道中设置有所述穿孔斜肋冷却结构。
18.在单个内部冷却通道中，所述穿孔斜肋冷却结构与冷却流流动方向的夹角为45度，布置在内部冷却通道的吸力面和压力面侧，且在单侧呈等间距分布，数量由斜肋间距和冷却通道长度决定，同时吸力面和压力面的穿孔斜肋冷却结构呈交错排布；冷却孔结构101等间距布置在穿孔斜肋上，其流向方向与冷却流的流动方向相同，且孔中心线与冷却流流动方向呈一定夹角，夹角值取决于肋高h与冷却孔的直径d。
19.所述冷却流分为三股，从第二冷却通道108、第五冷却通道111和第六冷却通道112流入涡轮叶片内部，第一股冷却流流入第二冷却通道108，经新型穿孔斜肋冷却结构扰流后，通过冲击孔114流入第一冷却通道107，之后部分冷却流从叶片前缘气膜孔113流出，覆盖在叶片表面，形成隔热气膜，其余冷却流从叶片的叶顶圆孔流出；第二股冷却流通过第五冷却通道111流入蛇形通道，经穿孔斜肋冷却结构扰流后，部分气流流经第四冷却通道110后，从叶片压力面上的气膜孔113流出，剩余气流从第三冷却通道109的叶顶圆孔流出；第三
股冷却流流入第六冷却通道112，经扰流柱排115扰流后，从尾缘劈缝冷却结构116流出。
20.本发明的有益效果：
21.1、本发明的穿孔斜肋冷却结构，是一个在斜肋上开等距冷却孔的肋片结构，当冷却流流经穿孔斜肋时，少部分流体会进入到斜肋上的冷却孔内，然后从斜肋后缘的冷却孔流出，冲击到内部通道的壁面上，极大地加强了壁面流场的扰动作用，破坏肋片后缘的回流区域，从而达到强化换热的效果，弥补了现有肋片后缘由于产生回流而削弱换热的不足。
22.2、本发明的涡轮叶片，将若干穿孔斜肋冷却结构等间距设置与叶片内部冷却通道壁面上，且叶片吸力面和压力面的穿孔斜肋结构交错排布。穿孔斜肋冷却结构与冷却流流动方向的夹角为45度，且冷却孔的方向与冷却流流动方向相同。当冷却流流入内部冷却通道时，壁面上的每一个穿孔斜肋结构均会对流体产生扰动作用，与传统肋片冷却结构相比，肋片上的冷却孔结构会破坏肋片后缘产生的回流区域，所以每一个肋片后缘附近的内部通道壁面的换热均被强化，从而极大的增强了壁面冷却效果的均匀性。此外，叶片前缘受到主流的侵蚀最为严重，因此在叶片前缘布置气膜孔以及在第一二通道之间布置冲击孔，气膜冷却与冲击冷却的耦合作用会使冷却流从叶片前缘气膜孔流出，覆盖在叶片表面，形成隔热气膜，从而保护叶片前缘表面被主流高温气体侵蚀。另外，叶片压力面也会受到高温主流的影响，因此在叶片压力面第四冷却通道处布置气膜孔，冷却流经内部穿孔斜肋扰流后，从压力面上气膜孔流出，覆盖在叶片表面，形成隔热气膜，从而保护叶片压力面被主流高温气体侵蚀。最后第三股冷却流流入第六冷却通道，经扰流柱排扰流后，从尾缘劈缝冷却结构流出，增强叶片尾缘的换热效果。本发明提供了一种有复杂内部冷却结构和气膜冷却耦合传热的涡轮叶片结构，该结构不仅在叶片中部吸力面与压力面的内部冷却通道布置了新型穿孔斜肋冷却结构，还在叶片前缘高温区域布置了冲击与气膜冷却耦合传热结构以及在叶片尾缘内部冷却通道中布置了叉排扰流柱冷却结构，本发明的涡轮叶片结构前缘到尾缘的冷却方式均被设计，较为完整，可用于真实涡轮叶片的设计中，使得叶片表面的换热被强化且叶片表面温度分布均匀，从而保证涡轮叶片正常工作，并延长使用寿命。
附图说明：
23.图1是本发明一种穿孔斜肋冷却结构的三维结构示意图。
24.图2是本发明一种穿孔斜肋冷却结构局部放大的俯视图。
25.图3是本发明一种穿孔斜肋冷却结构的侧视图。
26.图4是本发明一种涡轮叶片的俯视图。
27.图5是本发明涡轮叶片内部冷却结构排列的三维示意图。
28.图6为本发明一种涡轮叶片的侧视图。
29.图7为本发明侧视图中局部区域放大图。
30.附图说明：
31.新型穿孔斜肋冷却结构；100-斜肋；101-冷却孔；102-冷却孔进口截面；103-斜肋前缘的上截面；104-冷却孔出口截面；105-斜肋后缘的下截面；106-叶片外表面；107-内部第一冷却通道；108-内部第二冷却通道；109-内部第三冷却通道；110-内部第四冷却通道；111-内部第五冷却通道；112-内部第六冷却通道；113-气膜孔；114-冲击孔；115-扰流柱排；116-尾缘劈缝。
具体实施方式
32.下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
33.实施例一：
34.如图1所示，本发明实施例提供的一种用于涡轮叶片内部冷却通道的新型穿孔斜肋冷却结构的三维结构示意图。如图所示，本实施例的穿孔斜肋冷却结构，包括斜肋100以及在肋片上开的冷却孔结构101。
35.具体的，肋片冷却是目前涡轮叶片内部冷却通道内最常用的内部冷却技术，该技术通过增强内部通道内冷却流的扰动作用同时增大换热面积，从而达到强化换热的目的。其中，斜肋100是指肋与冷却流流动方向呈一定角度。肋高h与肋宽e相同，肋间距p与肋宽e的比值范围是10。
36.如图2、图3所示，图2是本发明实施例局部放大的俯视图，图3是本发明实施例的侧视图，本发明实施例中斜肋与冷却流流动方向的夹角为45度，肋高是0.335mm，肋间距与肋高的比值为10，斜肋等间距分布。值得说明的是，以上数值仅针对本实施案例，斜肋的角度、肋高和肋间距与肋高的比值需按照涡轮叶片的冷却通道的尺寸进行设置，并不是唯一的。
37.进一步的，常用肋片冷却结构在肋片后缘会产生回流区域，从而削弱该区域的换热。为弥补常用肋片的不足，本发明实施例是在斜肋上开相同间距的冷却孔，当冷却流流经穿孔斜肋时，少部分流体会进入到斜肋上的冷却孔内，然后从斜肋后缘的冷却孔流出，冲击到内部通道的壁面上，极大地加强了壁面流场的扰动作用，破坏肋片后缘的回流区域，从而达到强化换热的效果。如图2、图3所示，图2是本发明实施例局部放大的俯视图，图3是本发明实施例的侧视图，本发明实施例中冷却孔结构101的进口截面102与斜肋前缘的上截面103相切，出口截面104与斜肋后缘的下截面105相切。冷却孔结构101的直径d是0.15mm，沿着肋片方向等间距分布5个冷却孔，两个冷却孔之间的间距l为1mm，且冷却孔结构101的方向与冷却流流动方向相同。值得说明的是，以上数值仅针对本实施案例，冷却孔的半径、个数孔间距需按照斜肋的尺寸进行设置，并不是唯一的。
38.实施例二：
39.本实施例提供了一种涡轮叶片，如图4-图7，图4是本发明实施例提供的一种涡轮叶片的俯视图，图5是本发明实施例提供的涡轮叶片内部冷却结构排列的三维示意图，图6是涡轮叶片的侧视图；图7是本发明实施例侧视图中局部区域放大图。
40.如图所示，本实施例的涡轮叶片，包括叶片外表面106、内部冷却通道107-112以及若干新型穿孔斜肋冷却结构、气膜孔113、冲击孔114、扰流柱排115和尾缘劈缝116。叶片外表面106的叶型来源于e3叶片的中截面叶型。其中，涡轮叶片包含六个内部冷却通道107-112以及尾缘劈缝结构116，第三、四、五冷却通道109-111组成蛇形冷却通道。
41.如图6冷却流的流动箭头所示，冷却流分为三股，从第二冷却通道108、第五冷却通道111和第六冷却通道112流入涡轮叶片内部。第一股冷却流流入第二冷却通道108，经新型穿孔斜肋冷却结构扰流后，通过冲击孔114流入第一冷却通道107，之后部分冷却流从叶片前缘气膜孔113流出，覆盖在叶片表面，形成隔热气膜，其余冷却流从叶片的叶顶圆孔流出；第二股冷却流通过第五冷却通道111流入蛇形通道，经新型穿孔斜肋冷却结构扰流后，部分气流流经第四冷却通道110后，从叶片压力面上的气膜孔113流出，剩余气流从第三冷却通道109的叶顶圆孔流出；第三股冷却流流入第六冷却通道112，经扰流柱排115扰流后，从尾
缘劈缝冷却结构116流出。
42.具体的，如图4-图7，穿孔斜肋冷却结构位于涡轮叶片内部冷却通道107-112中，若干穿孔斜肋冷却结构呈等间距分布，且吸力面和压力面的穿孔斜肋冷却结构交错排布；穿孔斜肋冷却结构与冷却流流动方向的夹角为45度，且冷却孔结构101的方向与冷却流流动方向相同。
43.斜肋的肋高是0.335mm，肋间距与肋高的比值为10。其中，第二冷却通道108中压力面布置17个穿孔斜肋冷却结构，吸力面布置18个穿孔斜肋冷却结构，且每个穿孔斜肋冷却结构上等间距布置了3个冷却孔结构101；第三、四冷却通道109中吸力面和压力面布置17个穿孔斜肋冷却结构，且每个穿孔斜肋冷却结构上等间距布置了5个冷却孔结构101；第五冷却通道111中压力面布置16个穿孔斜肋冷却结构，且每个穿孔斜肋上等间距布置了9个冷却孔结构101，吸力面布置14个穿孔斜肋冷却结构，且每个穿孔斜肋上等间距布置了13个冷却孔结构101。
44.气膜孔113有两列，第一列位于叶片前缘，每排有10个气膜孔，呈等间距分布，且孔间距为3.1mm，孔直径为0.36mm。第二列位于叶片第四冷却通道的压力面每排有18个气膜孔，呈等间距分布，且孔间距为3.35mm，孔直径为0.36mm。
45.冲击孔114连接第一冷却通道107和第二冷却通道108。每排有9个冲击孔114，呈等间距分布，且孔间距为6.7mm，孔直径为0.84mm。
46.扰流柱排115位于叶片第六冷却通道，共有5排，每排个数分别为25/26，呈交叉分布，扰流柱截面直径为0.4mm，流向间距为1mm，展向间距为1.2mm。扰流柱排连接尾缘劈缝116，尾缘布置了41个劈缝结构。
47.以上数值仅针对本实施案例，穿孔斜肋冷却结构、气膜孔113、冲击孔114和扰流柱排115的间距，个数，排布方式以及在内部冷却通道中的位置需按照涡轮叶片的冷却通道的尺寸进行设置，并不是唯一的。
48.本实施例的涡轮叶片在工作过程中，当冷却流流入内部冷却通道时，壁面上的每一个穿孔斜肋结构均会对流体产生扰动作用，与传统肋片冷却结构相比，肋片上的冷却孔结构会破坏肋片后缘产生的回流区域，所以每一个肋片后缘附近的内部通道壁面的换热均被强化，从而极大的增强了壁面的冷却效果的均匀性。此外，叶片前缘受到主流的侵蚀最为严重，因此在叶片前缘布置气膜孔以及在第一二通道之间布置冲击孔，气膜冷却与冲击冷却的耦合作用会使冷却流从叶片前缘气膜孔流出，覆盖在叶片表面，形成隔热气膜，从而保护叶片前缘表面被主流高温气体侵蚀。另外，叶片压力面也会受到高温主流的影响，因此在叶片压力面第四冷却通道处布置气膜孔，冷却流经内部穿孔斜肋扰流后，从压力面上气膜孔流出，覆盖在叶片表面，形成隔热气膜，从而保护叶片压力面被主流高温气体侵蚀。最后第三股冷却流流入第六冷却通道，经扰流柱排扰流后，从尾缘劈缝冷却结构流出，增强叶片尾缘的换热效果，保证涡轮叶片正常工作，并延长使用寿命。

技术特征：
1.一种穿孔斜肋冷却结构，其特征在于，包括斜肋(100)，在所述斜肋(100)上开有若干冷却孔结构(101)，所述斜肋(100)的长度方向与冷却流流动方向呈一定角度。2.根据权利要求1所述的一种穿孔斜肋冷却结构，其特征在于，所述斜肋(100)的截面是正方形，肋高h与肋宽e相同，且肋间距p与肋宽e的比值范围是7-15。3.根据权利要求1所述的一种穿孔斜肋冷却结构，其特征在于，所述冷却孔结构(101)是在斜肋(100)上开相同间距的圆孔，冷却孔结构(101)的进口截面(102)与斜肋(100)前缘的上截面(103)相切，进口圆孔截面(102)与出口圆孔截面(104)的直径d相同且直径小于斜肋(100)高度h的一半；冷却孔结构(101)的流向方向与冷却流的流动方向相同，且孔中心线与冷却流流动方向呈一定夹角，夹角值取决于肋高h与冷却孔的直径d。4.一种包含权利要求1-3任一项所述穿孔斜肋冷却结构的涡轮叶片，包括叶片外表面(106)、气膜孔(113)、冲击孔(114)和扰流柱排(115)，所述叶片外表面(106)为e3叶片的中截面叶型；所述叶片内部包含六个内部冷却通道，分别为第一冷却通道(107)、第二冷却通道(108)、第三冷却通道(109)、第四冷却通道(110)、第五冷却通道(111)和第六冷却通道(112)，所述六个内部冷却通道按顺序依次排列；第一冷却通道(107)位于叶片前缘，第二冷却通道(108)紧挨第一冷却通道(107)，第三冷却通道(109)、第四冷却通道(110)、第五冷却通道(111)组成蛇形冷却通道，位于叶片中部，紧靠第二冷却通道(108)，第六冷却通道(112)位于叶片尾缘，连接叶片外表面(106)的尾缘劈缝结构(116)；所述气膜孔(113)有两列，等间距分布，第一列位于叶片外表面(106)前缘，第二列位于叶片上相应于第四冷却通道(110)处的压力面；所述冲击孔(114)连接第一冷却通道(107)和第二冷却通道(108)，呈等间距分布；所述扰流柱排(115)位于第六冷却通道(112)，呈交叉分布，连接尾缘劈缝(116)；任意一个或多个内部冷却通道中设置有所述穿孔斜肋冷却结构。5.根据权利要求4所述的涡轮叶片，其特征在于，在单个内部冷却通道中，所述穿孔斜肋冷却结构与冷却流流动方向的夹角为45度，布置在内部冷却通道的吸力面和压力面侧，且在单侧呈等间距分布，数量由斜肋间距和冷却通道长度决定，同时吸力面和压力面的穿孔斜肋冷却结构呈交错排布；冷却孔结构(101)等间距布置在穿孔斜肋上，其流向方向与冷却流的流动方向相同，且孔中心线与冷却流流动方向呈一定夹角，夹角值取决于肋高h与冷却孔的直径d。6.根据权利要求5所述的涡轮叶片，其特征在于，所述冷却流分为三股，从第二冷却通道(108)、第五冷却通道(111)和第六冷却通道(112)流入涡轮叶片内部，第一股冷却流流入第二冷却通道(108)，经新型穿孔斜肋冷却结构扰流后，通过冲击孔(114)流入第一冷却通道(107)，之后部分冷却流从叶片前缘气膜孔(113)流出，覆盖在叶片表面，形成隔热气膜，其余冷却流从叶片的叶顶圆孔流出；第二股冷却流通过第五冷却通道(111)流入蛇形通道，经穿孔斜肋冷却结构扰流后，部分气流流经第四冷却通道(110)后，从叶片压力面上的气膜孔(113)流出，剩余气流从第三冷却通道(109)的叶顶圆孔流出；第三股冷却流流入第六冷却通道(112)，经扰流柱排扰流(115)后，从尾缘劈缝冷却结构(116)流出。

技术总结
本发明公开了一种穿孔斜肋冷却结构以及由其构成的涡轮叶片，新型穿孔斜肋冷却结构，包括斜肋，在所述斜肋上开有若干冷却孔结构，所述斜肋的长度方向与冷却流流动方向呈一定角度。涡轮叶片，包括叶片外表面、气膜孔、冲击孔和扰流柱排，所述叶片外表面为E3叶片的中截面叶型；本发明可使得叶片表面的换热被强化且叶片表面温度分布均匀，从而保证涡轮叶片正常工作，并延长使用寿命。并延长使用寿命。并延长使用寿命。


技术研发人员：武俊梅 靳伟 李隆文 贾奕轩 雷蒋 冀文涛
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.02.16
技术公布日：2023/6/28