[发明专利]一种适用于涡轮叶片内部冷却的分形间断肋结构

说明书

本发明一种适用于涡轮叶片内部冷却的分形间断肋结构，属于燃气轮机高温涡轮叶片冷却技术领域；在叶片内部冷却通道内设置有分形间断肋，所述分形间断肋包括多个沿冷却通道底部壁面长度方向均布的分形周期；每个分形周期由四排间断肋组成，每排间断肋均由间断肋片和间断区域组成；在一个分形周期内沿着气流方向，每排间断肋的间断肋片和间断区域的数量逐渐递增。间断肋可以减小对流体的阻塞率，降低通道内的压力损失；其次，间断肋的间断区域可以产生横向涡，对气流的扰流作用增强，加强了主流与边界层流体的掺混，增大了流体的湍流度，从而强化了换热；再次，间断区域诱导的横向涡出现在肋片的下游区域，从而减小了肋后回流区，强化了换热。

技术领域

本发明属于燃气轮机高温涡轮叶片冷却技术领域，具体涉及一种适用于涡轮叶片内部冷却的分形间断肋结构。

背景技术

燃气轮机是一种热动力装置，它凭借体积小、功率大、高效、清洁、经济性好等一系列优点被广泛应用于航空推进、舰船动力、陆用发电、工业驱动及分布式供能等领域，在国民经济和安全方面起着至关重要的作用。随着我国社会经济的高速发展，燃气轮机具有巨大的市场潜力，大力发展燃气轮机产业不仅对我国基础工业和高端制造业有显著影响，对增强我国经济实力、科技实力、国防实力和民族凝聚力有重要意义。

燃气轮机的热效率和输出功率是评价燃气轮机工作性能的重要指标，随着燃气轮机的广泛应用，提高燃气轮机的热效率和输出功率变得更为迫切。为了提高燃气轮机的效率和稳定性，提高涡轮前进口燃气温度是改善燃气轮机性能的关键指数之一。研究表明，涡轮前进口燃气温度每提高56℃，燃气轮机的推力可提高8％至13％，其循环效率可提高2％至4％。然而，提高涡轮前进口燃气温度与延长涡轮叶片的服役时间这两个要求相互矛盾。现代先进燃气轮机涡轮前进口燃气温度已高达2000K，远远超过了制造涡轮叶片高温材料的熔点。此外，涡轮前进口燃气温度随燃气轮机使用性能的要求逐年提高。尽管随着材料科学的发展，材料的耐热性能日渐优异，但仍不能弥补燃气轮机燃气进口温度的提高。因此，发展高效的涡轮叶片冷却技术以降低叶片温度，延长其服役时间势在必行。

内部对流冷却是涡轮叶片内部通道的主要冷却方式。肋片是应用于内部通道的主要强化换热结构，使用肋片可以增大传热面积，降低对流换热热阻，增强换热性能。间断肋由于能够减小连续肋片通道的压力损失而被广泛的研究和应用。经过对现有技术文献的检索发现，中国专利号申请号201910344045.3，专利公开日期2019年7月23日，专利名称：一种用于燃气轮机涡轮叶片的间断肋内部冷却结构，该专利在叶片主体结构设置U型叉壁，在左右侧壁与U型叉壁间均设置间断肋，并且间断肋成对设置。这种冷却方式对气流产生的扰动增强，使气体流动产生分离的程度变大，增强了流体的湍动度，强化了换热，降低了压损。但是，由于该结构中间断肋成对布置，并未对内部通道中间区域的流体产生扰动，因此在通道中间会形成一条低换热区域，降低了通道内换热的均匀性。

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，本发明提出一种适用于涡轮叶片内部冷却的分形间断肋结构，通过在冷却通道内设置分形间断肋，并对间断肋的布局进行优化，使得该结构具有高且均匀的对流换热性能、低压力损失及高整体热性能。

本发明的技术方案是：一种适用于涡轮叶片内部冷却的分形间断肋结构，其特征在于：在叶片内部冷却通道内设置有分形间断肋，所述分形间断肋包括多个沿冷却通道底部壁面长度方向均布的分形周期；每个分形周期由四排间断肋组成，每排间断肋均由间断肋片和间断区域组成，间断区域为相邻两个间断肋片之间的缺口；在一个分形周期内沿着气流方向，每排间断肋的间断肋片和间断区域的数量逐渐递增。

本发明的进一步技术方案是：每排所述间断肋的两端均是由间断肋片紧贴冷却通道的侧壁面，间断区域位于冷却通道中。

本发明的进一步技术方案是：所述分形周期的四排间断肋的间断区域沿气流方向组成分形结构，且四排间断肋的间断区域的数量依次为20，2¹，2²，2³。