冷却组件、叶片及燃气轮机

技术领域

本发明属于燃气轮机技术领域，具体涉及一种冷却组件、叶片及燃气轮机。

背景技术

透平叶片是燃气轮机的重要的部件，相关技术的透平冲击冷却结构中，下游冲击冷却效果随上游积累冷气横流量增加而降低，冷却性能差，影响部件运行的可靠性。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的实施例提出一种冷却组件，能够强化换热效果，提高冲击冷却得冷却效果。

本发明的实施例还提出一种叶片。

本发明的实施例又提出一种燃气轮机。

根据本发明实施例的冷却组件，包括：

第一板体，所述第一板体上设有多个第一孔，所述第一板体和目标板体相对设置，所述目标板体具有朝向所述第一板体的靶面，所述第一孔的轴线方向与所述靶面的法线方向之间具有预设夹角；

多个第一肋，所述多个第一肋布设在所述靶面上，所述多个第一肋分为多组第一肋组，多组所述第一肋组沿第一方向间隔布置，每组所述第一肋组具有多个所述第一肋，位于同一所述第一肋组中的多个所述第一肋沿第二方向间隔布置；以及

多个第二肋，所述多个第二肋布设在所述靶面上，所述多个第二肋分为多组第二肋组，多组所述第二肋组沿所述第一方向间隔布置，每组所述第二肋组具有多个所述第二肋，位于同一所述第二肋组中的多个所述第二肋沿所述第二方向间隔布置；

所述第一肋组和所述第二肋组在所述第一方向上交替布置，相邻的所述第一肋组和所述第二肋组中的所述第一肋和所述第二肋在所述第一方向上错位布置，所述第一方向和所述第二方向正交。

本发明实施例的冷却组件，能够强化换热效果，提高冲击冷却得冷却效果，进而提高部件运行的稳定性。

在一些实施例中，多个所述第一孔分为多组第一孔组，多组所述第一孔组沿第一方向间隔布置，每组所述第一孔组具有多个所述第一孔，位于同一所述第一孔组中的多个所述第一孔沿第二方向间隔布置。

在一些实施例中，所述第一孔的轴线方向与所述靶面的法线方向之间的预设夹角为0度到30度；和/或

所述靶面和所述第一板体之间的距离为d到4d，其中，d为所述第一孔的直径；和/或

相邻两组所述第一孔组在所述第一方向上的间距为3d到15d，其中，d为所述第一孔的直径；和/或

在同一组所述第一孔组中，相邻两个所述第一孔在所述第二方向上的间距为3d到15d，其中，d为所述第一孔的直径。

在一些实施例中，所述第一肋为呈三棱锥形的楔形肋，所述第一肋具有底面和与所述底面对应的顶点，所述第一肋的底面为等腰三角形，所述第一肋的顶点在所述靶面上的投影与所述等腰三角形的两腰的交点重合。

在一些实施例中，所述第一肋的底面的顶角为40度到100度；和/或

所述第一肋中底面的等腰三角形的顶角和底边之间的距离为0.5d到3d，其中，d为所述第一孔的直径；和/或

所述第一肋的顶点与所述第一肋的底面之间的距离为0.25d到4d，其中d为所述第一孔的直径；和/或

相邻两组所述第一肋组在所述第一方向上的间距为3d到15d，其中，d为所述第一孔的直径；和/或

在同一组所述第一肋组中，相邻两个所述第一肋在所述第二方向上的间距为3d到15d，其中，d为所述第一孔的直径。

在一些实施例中，所述第一孔与所述第一肋一一对应设置，所述第一孔的气流方向与所述第一肋的顶点对应以使气流沿所述第一肋的三个侧面流动。

在一些实施例中，所述第二肋为呈半球形的凸肋。

在一些实施例中，所述第二肋的直径为d到2.5d，其中，d为所述第一孔的直径；和/或

相邻两组所述第二肋组在所述第一方向上的间距为3d到15d，其中，d为所述第一孔的直径；和/或

在同一组所述第二肋组中，相邻两个所述第二肋在所述第二方向上的间距为3d到15d，其中，d为所述第一孔的直径。

根据本发明实施例的叶片，包括：

叶片本体，所述叶片本体具有内腔；

冷却组件，所述冷却组件为上述任一项实施例中所述的冷却组件，所述冷却组件设在所述叶片本体的内腔中，所述叶片本体的内壁面为所述靶面，所述第一板体与所述叶片本体的内壁面对应设置，所述第一肋和所述第二肋设在所述叶片本体的内壁面上，所述第一方向与气流方向相同。

根据本发明实施例的燃气轮机，包括上述任一项实施例中所述的冷却组件或上述任一项实施例中所述的叶片。

附图说明

图1是本发明实施例的冷却组件的正视结构示意图。

图2是本发明实施例的冷却组件的透视结构示意图。

图3是本发明实施例的冷却组件的俯视结构示意图。

图4是本发明实施例中的第一肋和第二肋在靶面上的布置结构示意图。

图5是本发明另一实施例中的第一肋和第二肋在靶面上的布置结构示意图。

图6是本发明实施例的第一肋正视结构示意图。

图7是本发明实施例的第一肋的俯视结构示意图。

图8是本发明实施例的冷却组件与相关技术中的冷却组件的靶面平均努塞尔数与雷诺数曲线。

图9是本发明实施例的叶片结构示意图。

附图标记：

100、冷却组件；

1、第一板体；11、第一孔；

2、靶面；

3、第一肋；

4、第二肋；

200、叶片。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1-图4所示，本发明实施例的冷却组件100，包括第一板体1，第一板体1上设有多个第一孔11，第一板体1和目标板体相对设置，目标板体具有朝向第一板体1的靶面2，第一孔11的轴线方向与靶面2的法线方向之间具有预设夹角，冷气经过第一孔11流向靶面2，由于第一孔11的轴线方向与靶面2的法线方向具有预设夹角，因此，冷气能够沿一定的角度流向靶面2；冷却组件100布置于透平叶片200上时，目标板体即为透平叶片200的侧壁，靶面2即为透平叶片200的内壁面。

在靶面2上布置有多个第一肋3和多个第二肋4，具体地，多个第一肋3布设在靶面2上，多个第一肋3分为多组第一肋组，多组第一肋组沿第一方向间隔布置，每组第一肋组具有多个第一肋3，位于同一第一肋组中的多个第一肋3沿第二方向间隔布置，多个第二肋4布设在靶面2上，多个第二肋4分为多组第二肋组，多组第二肋组沿第一方向间隔布置，每组第二肋组具有多个第二肋4，位于同一第二肋组中的多个第二肋4沿第二方向间隔布置。

第一肋组和第二肋组在第一方向上交替布置，相邻的第一肋组和第二肋组中的第一肋3和第二肋4在第一方向上错位布置，第一方向和第二方向正交，通过第一孔11冲击至靶面2上的冷气沿第一方向流动，冲击至靶面2上的冷气不仅能够降低边界层气膜的厚度达到强化换热的效果，而且能够破坏边界层气膜，提高内部换热的效果，配合第一肋3和第二肋4能够优化冷气在靶面2的流动效果，提高冷却性能。

本发明实施例的冷却组件100，能够强化换热效果，提高冲击冷却得冷却效果，进而提高部件运行的稳定性，靶面2的法线方向为上下方向，第一孔11与向右倾斜并与靶面2的法线方向呈预设夹角α，第一板体1和靶面2之间的气流方向由右向左流动。

其中，第一方向为图中所示的左右方向，第二方向为图中所示的前后方向。

如图4所示，虚线框A为一个第一肋组，虚线框B为一个第二肋组。

如图1-图4所示，在一些实施例中，多个第一孔11分为多组第一孔11组，多组第一孔11组沿第一方向间隔布置，每组第一孔11组具有多个第一孔11，位于同一第一孔11组中的多个第一孔11沿第二方向间隔布置。

进一步地，第一孔11的轴线在靶面2上的投影与第一方向相同，第一方向为冷气在第一板体1和靶面2之间的气流方向，第一孔11相对于靶面2以一定的角度设置，冷气流向靶面2，能够降低流阻，也能够对边界层形成冲击破坏，降低边界层厚度，提高冷气和靶面2的换热效果，使冷气与靶面2能够更有效、更充分的接触。

如图1-图3所示，在一些实施例中，第一孔11的轴线方向与靶面2的法线方向之间的预设夹角α为0度到30度，例如，预设夹角α为0度、10度、14度、22度或30度，靶面2和第一板体1之间的距离Zn为d到4d，例如Zn的取值为d、1.3d、2.2d、3.6d或4d，邻两组第一孔11组在第一方向上的间距Yn为3d到15d，例如，Yn的取值为3d、3.6d、4.5d、11d、14.6d或15d，在同一组第一孔11组中，相邻两个第一孔11在第二方向上的间距Xn为3d到15d，例如，Xn的取值为3d、3.6d、4.5d、11d、14.6d或15d，其中，d为第一孔11的直径。

通过上述参数的布置，能够保障冷气在靶面2上的均匀性，在满足靶面2冷却性能的前提下降低冷气总量，提高冷气与靶面2的换热效率，降低流阻，此外，上述参数的设置通过生产工艺的因素考量，降低加工和生产难度，避免部分结构无法加工和生产。

如图4-图7所示，在一些实施例中，第一肋3为呈三棱锥形的楔形肋，第一肋3具有底面和与底面对应的顶点，第一肋3的底面为等腰三角形，第一肋3的顶点在靶面2上的投影与等腰三角形的两腰的交点重合。应当理解的是，第一肋3的外形近似三棱锥，第一肋3具有底面和三个侧面，底面和三个侧面均为近似三角形。

又或者，可以理解为第一肋3是斜切三棱柱，第一肋3的外形时通过一个斜面对三棱柱进行斜切得到的。

进一步地，第一孔11与第一肋3一一对应设置，第一孔11的气流方向与第一肋3的顶点对应以使气流沿第一肋3的三个侧面流动。当第一孔11的气流冲击至靶面2上时，冷气受到第一肋3的作用进行分散扰流，能够对边界层的气膜进行的破坏，大部分冷气会沿着与第一肋3的底面的两腰对应的侧面分散流动，一部分会沿着与底面的底对应的斜面流动。经过分散的冷气会与进一步受到其他的第一肋3和第二肋4的扰流，从而破坏边界层的气膜，提高换热效果。

如图4-图7所示，在一些实施例中，第一肋3的底面的顶角β为40度到100度，例如顶角β的取值为40度、46度、68度、95度或100度，第一肋3中底面的等腰三角形的顶角和底边之间的距离H1为0.5d到3d，例如，H1的取值为0.5d、1.2d、2.2d、2.8d或3d。

第一肋3的顶点与第一肋3的底面之间的距离H2为0.25d到4d，例如，H2的取值为0.25d、0.75d、d、1.6d、3.3d或4d。

相邻两组第一肋组在第一方向上的间距Yc为3d到15d，；例如，Yc的取值为3d、3.6d、4.5d、11d、14.6d或15d。

在同一组第一肋组中，相邻两个第一肋3在第二方向上的间距Xc为3d到15d，例如Xc的取值为3d、3.6d、4.5d、11d、14.6d或15d。

其中，d为所述第一孔11的直径。

对于第一肋3的结构尺寸的设置，可以更好的确定第一肋3对冷气的气流分布的影响，使得冷气能够在靶面2上更为均匀的分散，与第一孔11的直径、第一孔11的倾斜角度的配合，可以使得冲击至靶面2上的冷气扰动和分散效果优于相关技术中的肋板的扰流效果。能够保障冷气在靶面2分布的均匀性，进一步降低边界层气膜的厚度，破坏边界层的气膜，提高换热效果。当第一肋3的结构尺寸超出上述参数时，容易导致流阻增大，换热效率低和生产加工困难等问题

如图1-图4所示，在一些实施例中，第二肋4为呈半球形的凸肋。应当理解的是，第二肋4可以为近似半球形，第二肋4具有球面，当靶面2上的冷气流经第二肋4时，能够利用第二肋4的球面对气流进行扰动和分散，进而破坏边界层的气膜，增加对气流的扰动效果，提高换热效率。

如图1-图4所示，在一些实施例中，第二肋4的直径D为d到2.5d，例如，D的取值为d、1.2d、1.8d、2.3d或2.5d。

相邻两组第二肋组在第一方向上的间距Yb为3d到15d，例如，Yb的取值为3d、3.6d、4d、4.6d、6.8d、11d、13.3d或15d。

在同一组第二肋组中，相邻两个第二肋4在第二方向上的间距Xb为3d到15d，例如，Xb的取值为3d、3.6d、4d、4.6d、6.8d、11d、13.3d或15d。

其中，d为所述第一孔11的直径。

对于第二肋4的结构尺寸的设置，第二肋4对经过第一肋3分散和扰流后的冷气进一步的分散和扰流，破坏边界层的气膜，提高换热效果。其中，第一肋3和第二肋4的相互作用能够充分利用各自的结构特征，降低第二孔的布置数量，提高冲击冷却效果，提高靶面2上冷气的扰流效果，具体地，第一肋3能够利用三个侧面对第一孔11流向靶面2的冲击气流进行多方向的分散，对靶面2形成多个方向的冲击，提高靶面2冷气的扰流效果，第二肋4借助其自身的球面能够对靶面2的边界层气膜进行破坏，强化靶面2的冷气的扰流效果和换热效果。此外，当第二肋4的结构尺寸超过上述参数范围后，容易导致流阻增加，换热效率低，生产加工困难等问题。

选取典型雷诺数工况对相关技术中的冲击冷却组件和本发明实施例中的冷却组件100二者的流动结构与努塞尔数分布进行了对比，本发明实施例中的冷却组件100的线扰动明显强于相关技术中的冷却组件。

如图8所示，后续计算了冷却空气雷诺数1e5～1e6范围内，靶面平均努塞尔数的对比，本发明实施例的冷却组件100的努塞尔数比相关技术中的冲击冷却组件高于16％～20％，增长趋势随雷诺数增加而增加。

如图9所示，根据本发明实施例的叶片200，包括叶片本体和冷却组件100，叶片本体具有内腔；冷却组件100为上述任一项实施例中的冷却组件100，冷却组件100设在叶片本体的内腔中，叶片本体的内壁面为靶面2，第一板体1与叶片本体的内壁面对应设置，第一肋3和第二肋4设在叶片本体的内壁面上，第一方向与气流方向相同，气流方向为冷气在第一板体1和叶片本体的内壁面之间的流动的主方向，而并不是冷气在第一孔11中的流动方向、或者冷气受到第一肋3或者第二肋4的扰流后少部分冷气的瞬时流动方向，应当理解的是，叶片本体具有长度方向，通常情况下，冷气由位于叶片本体的长度方向的一端的进气端进入内腔后，从叶片本体的长度方向的另一端的出气端(尾缘)流出，叶片本体的气流方向即为叶片本体的长度方向，也即图中所示的左右方向。

根据本发明实施例的燃气轮机，包括上述任一项实施例中的冷却组件100或上述任一项实施例中的叶片200。

上述实施例中的叶片和燃气轮机所取得的至少部分有益效果与上述实施例中的冷却组件所取得的有益效果相同，故不再赘述。

在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。