【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃气轮机，尤其是涉及一种强化换热的柱肋、透平叶片和燃气轮机。
技术介绍
1、燃气轮机在航空推进、船舶推进、发电等诸多领域都有其重要应用。目前燃气轮机的透平进口温度已远高于高温合金的耐热极限温度，必须采取相应措施来降低叶片运行温度，所以叶片冷却成为保障叶片安全可靠运行的燃机重大关键技术之一。透平高温叶片普遍采用空心结构，通过从压气机抽取的高压气体来对叶片内部进行冷却。在传统叶片尾缘通道和新型双层壁叶片内部通道，普遍使用柱肋结构进行冷却。柱肋一方面可以增强通道内壁面换热强化能力，另一方面还可增强结构强度，因此柱肋结构在叶片内部冷却结构设计中得到了广泛使用。但是，随着透平入口温度的不断提升，传统的圆柱形柱肋结构的冷却效果有限，已无法满足冷却设计需求。
技术实现思路
1、本专利技术是基于专利技术人对以下事实和问题的发现和认识做出的：
2、专利技术人发现，在设置有柱肋的透平叶片的冷却通道中，主要发生冷却换热效应的位置是在靠近冷却通道的两侧壁面处，这是由于：冷却通道的两侧壁面的外侧即为透平叶片的外壁面，透平叶片的外壁面与高温燃气接触，壁面温度较高，因此需要进行高效冷却，柱肋的设置会在冷却通道内产生柱肋扰流，柱肋扰流引发冷却气流在邻近冷却通道的壁面处发生较强的气流扰动，进而显著增强局部换热强度。基于上述发现，可以认为柱肋的中间柱身部分的换热量明显少于邻近冷却通道的壁面的部分的换热量，而由于柱身部分占据的空间较大，柱身部分造成冷却通道中的主要压力损失，因此需要对传统的柱肋
3、专利技术人对不同截面形状的柱肋结构进行了仿真测试，图1示出透平叶片的冷却通道中分别设置圆柱形柱肋阵列、等边菱形柱肋阵列和椭圆形柱肋阵列时，换热强化能力(nu/nu0)分布云图，即设有柱肋的通道相比于光滑通道的努塞尔数提升系数。图2为三种形状的柱肋阵列的摩擦系数随雷诺数的变化曲线。通过图1的结果可知，菱形柱肋的换热强化能力明显高于传统的圆柱形柱肋，通过图2的结果可知，椭圆形柱肋产生的压力损失明显低于传统的圆形柱肋。
4、本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一，期望得到换热效率更高且压力损失更小，且易于制造的柱肋结构。为此，本专利技术的实施例提出一种强化换热的柱肋，具有更强的换热效率，以及更小的压力损失，并且易于制造。
5、本专利技术的实施例还提出具有本专利技术实施例的柱肋的透平叶片。
6、本专利技术的实施例还提出具有所述透平叶片的燃气轮机。
7、本专利技术实施例强化换热的柱肋，所述柱肋在其轴向上相对的两个端部用于分别支撑在冷却通道的两个侧壁面上，所述柱肋包括：第一段和第二段，所述第一段在其轴向上的具有相对的第一端和第二端，所述第一端的形状为菱形，所述第二端的形状为椭圆形，所述第一段的形状从第一端向第二端平滑过渡，所述第二段在其轴向上具有相对的第三端和第四端，所述第三端的形状为椭圆形，所述第四端的形状为菱形，所述第二段的形状从第四端向第三端平滑过渡，所述第一段的第二端邻近所述第二段的第三端并与其相连，所述第一端和第四端的一个对角线与冷却气流的来流方向相互平行，所述第二端和所述第三端的长轴与冷却气流的来流方向相互平行。
8、将本专利技术实施例的柱肋支撑在透平叶片的冷却通道内，可以在一定程度上提升透平叶片的结构强度，向冷却通道内通入冷却气流，冷却气流冲击柱肋产生柱肋扰流作用，引起气流扰动，气流扰动能够显著增强局部换热强度，实现高效冷却。由于冷却通道中，主要发生冷却换热的位置是在靠近冷却通道的两侧壁面处，也就是邻近柱肋的两个端部的位置，柱肋也主要用于强化通道内靠近壁面处的换热能力，远离壁面处的主流区换热效率偏低，而主要压力损失发生在主流区中，由柱肋的柱身部分造成。
9、菱形柱肋与圆形柱肋相比有着更高的强化换热能力(如图1所示)，椭圆形柱肋与圆形柱肋相比，引起的流动损失也较小(如图2所示)。因此，本专利技术实施例的柱肋采用渐变截面形状，将菱形柱肋与椭圆形柱肋的优势相结合，使得柱肋与冷却通道的两个侧壁面相连的两个端部为菱形，柱肋在主流区中的至少部分结构为椭圆形，增强了柱肋的换热能力的同时，使得冷却通道中的压力损失明显降低。并且，柱肋的第一段和第二段均从近壁菱形向中心椭圆形光滑过渡，第一段和第二段光滑的外周面进一步降低了柱肋在冷却流道中造成的流动损失，并且，柱肋的拔模较为方便，制造难度较低。
10、在一些实施例中，柱肋还包括：连接段，所述连接段在所述柱肋的轴向上位于所述第一段和所述第二段之间，所述连接段的两端分别与所述第一段的第二端和所述第二段的第三端相连，所述连接段为椭圆形段，并与所述第二端和所述第三端形状相适配。
11、在一些实施例中，所述第一段和所述第二段采用可拆卸连接。
12、在一些实施例中，所述第一段的横截面积向靠近所述第二端的方向逐渐增大；和/或，第二段的横截面积向靠近所述第三端的方向组件逐渐增大。
13、在一些实施例中，所述第一段的中心轴线所在直线与所述第二段的中心轴线所在直线重合；和/或，所述第一段和所述第二段相对所述柱肋结构对称。
14、在一些实施例中，所述第一端的一个对角线与所述第二端的长轴相互平行，所述第一端的另一个对角线与所述第二端的短轴相互平行并与其等长；和/或，所述第四端的一个对角线与所述第三端的长轴相互平行，所述第四端的另一个对角线与所述第三端的短轴相互平行并与其等长。
15、在一些实施例中，所述第一端的与所述第二端的长轴相互平行的对角线与所述第二端的长轴等长；和/或，所述第四端的与所述第三端的长轴相互平行的对角线与所述第三端的长轴等长。
16、在一些实施例中，所述第一端和所述第四端的横截面均为对称的菱形；
17、和/或，所述第一端的长度较长的一个对角线正交于来流方向；
18、和/或，所述第四端的长度较长的一个对角线正交于来流方向。
19、和/或，所述第二端的长轴和短轴之比为1.5:1-3:1；
20、和/或，所述第三端的长轴和短轴之比为1.5:1-3:1。
21、本专利技术另一方面实施例中的透平叶片，包括：壳体，所述壳体内限定出冷却通道；柱肋阵列，所述柱肋阵列位于所述冷却通道内，所述柱肋阵列包括呈阵列间隔排布的若干柱肋，所述柱肋为根据上述任一项实施例中所述的强化换热的柱肋。
22、本专利技术再一方面实施例中的燃气轮机，包括本专利技术实施例中的透平叶片。
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1.一种强化换热的柱肋，其特征在于，所述柱肋在其轴向上相对的两个端部用于分别支撑在冷却通道的两个侧壁面上，所述柱肋包括：
2.根据权利要求1所述的强化换热的柱肋，其特征在于，还包括：
3.根据权利要求1所述的强化换热的柱肋，其特征在于，
4.根据权利要求1所述的强化换热的柱肋，其特征在于，
5.根据权利要求1所述的强化换热的柱肋，其特征在于，
6.根据权利要求1-5中任一项所述的强化换热的柱肋，其特征在于，
7.根据权利要求6所述的强化换热的柱肋，其特征在于，
8.根据权利要求1所述的强化换热的柱肋，其特征在于，
9.一种透平叶片，其特征在于，包括：
10.一种燃气轮机，其特征在于，所述燃气轮机包括权利要求9所述的透平叶片。
【技术特征摘要】
1.一种强化换热的柱肋，其特征在于，所述柱肋在其轴向上相对的两个端部用于分别支撑在冷却通道的两个侧壁面上，所述柱肋包括：
2.根据权利要求1所述的强化换热的柱肋，其特征在于，还包括：
3.根据权利要求1所述的强化换热的柱肋，其特征在于，
4.根据权利要求1所述的强化换热的柱肋，其特征在于，
5.根据权利要求1所述的强化换...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐进，
申请(专利权)人：中国联合重型燃气轮机技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
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