一种涡轮叶片前缘带凹槽的冷却结构
技术领域
本实用新型涉及燃气轮机涡轮叶片，具体涉及一种涡轮叶片前缘带凹槽的冷却结构。
背景技术
要提高燃气轮机经济运行的效率，一方面需要不断提高涡轮进口温度，另一个方面需要降低用于保护热部件的冷却空气的消耗量，特别是涡轮叶片的冷却空气消耗量。近年来，为了增强涡轮叶片内部冷却的对流换热，已经开发了许多技术，例如湍流器，扰流柱，波纹板，冲击冷却和螺旋室。这些技术的机理都是增加二次流和增强湍流程度以增强流动的混合。在这些冷却技术中，射流冲击对于增加局部传热的潜力巨大。这种最新技术已经被广泛应用在高热负荷燃气轮机叶片前缘的冷却中。
然而在现有的涡轮叶片前缘冷却腔室内，在流体漩涡和冲击点之间区域，边界层重新发展，仍然存在传热效果不如冲击点，温度较高，冷却不均匀的问题，发展一种新的涡轮叶片前缘冷却结构变得十分必要。
实用新型内容
本实用新型为了解决背景技术中所提出的技术问题，提供了一种涡轮叶片前缘带凹槽的冷却结构。
本实用新型的技术方案为：
一种涡轮叶片前缘带凹槽的冷却结构，包括：冷却介质输入通道、设置在叶片前缘中的冷却腔室，所述冷却腔室、所述冷却介质输入通道均沿叶片的长度方向延伸设置；且所述冷却腔室设置有至少一个连通孔与所述冷却介质输入通道连通；
所述冷却腔室与所述连通孔对应的两侧均沿所述连通孔轴心方向向腔内收缩形成凸起部，所述冷却腔室形成双螺旋腔室；
所述冷却腔室的内侧壁上设置有至少一组凹槽部，每组所述凹槽部包括两个凹槽单元，两所述凹槽单元对称设置在所述凸起部的两侧。
进一步优选的，所述凹槽单元的深度小于或等于所述冷却腔室直径的十分之一。
进一步优选的，所述凹槽单元沿叶片的长度方向延伸设置于所述冷却腔室内。
进一步优选的，所述凹槽单元为等间距间断设置的若干短凹槽结构。
进一步优选的，所述冷却腔室内设置有一组所述凹槽部。
进一步优选的，所述冷却腔室内设置有两组所述凹槽部。
进一步优选的，所述冷却腔室内的同一侧壁上的两组所述短凹槽结构之间错位设置。
进一步优选的，所述冷却腔室上延叶片的长度方向设置多个所述连通孔与所述冷却介质输入通道连通，且多个所述连通孔等间距设置。
本实用新型提供了一种，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
本实用新型通过在双螺旋腔室的侧壁上设置凹槽部，其具有以下效果：(1)凹槽部置于冲击点后边界层重新生成处，边界层遇凹槽发生分离，在凹槽前缘形成回流区，而后流体会重新附着于凹槽表面，增强局部热传递；(2)在凹陷后缘附近的流体两侧，会产生成对的涡流，凹槽中产生的涡可以沿两侧壁流动，能够增加流体的扰动和混合，涡流渗透并与核心流体相互作用，可将核心区流体带到表面，在提高整体传热率的同时也能够均匀流动方向和旋转方向的冷却效果；(3)短凹槽结构阵列的存在使流体产生周期性的不稳定；以上所有作用增强了二次流的运动，并增加了凹槽部附近的流动的湍流强度，从而换热效率更高，冷却效果更强。
附图说明
结合附图，通过下文的述详细说明，可更清楚地理解本实用新型的上述及其他特征和优点，其中：
图1为实施例1中涡轮叶片前缘部分带凹槽的冷却结构的正面剖视图；
图2为实施例1中涡轮叶片前缘部分俯视截面图；
图3为图2中A处放大示意图；
图4为图3中B-B截面图；
图5为本实用新型实施例1中的双螺旋腔室内的流体流向示意图；
图6为本实用新型实施例2中涡轮叶片前缘的带凹槽的冷却结构俯视截面图；
图7为图6中C-C截面图；
图8为本实用新型实施例2中的双螺旋腔室内的流体流向示意图。
符号说明：
1-涡轮叶片；2-叶片前缘；3-冷却腔室；4-冷却介质输入通道；5-连通孔；6-凸起部；7-凹槽单元；8-短凹槽结构。
具体实施方式
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本实用新型相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
实施例1
参照图1-5，本实施例提供了一种涡轮叶片前缘带凹槽的冷却结构，包括：
冷却介质输入通道4、设置在叶片前缘中的冷却腔室3，冷却腔室3、冷却介质输入通道4均沿叶片1的长度方向延伸设置；且冷却腔室3上设置有至少一个连通孔5与冷却介质输入通道5连通；
冷却腔室3与连通孔5对应的两侧均沿连通孔5轴心方向向腔内收缩形成凸起部6，冷却腔室3形成双螺旋腔室3；
冷却腔室3的内侧壁上设置有至少一组凹槽部，每组凹槽部包括两个凹槽单元7，两凹槽单元7对称设置在凸起部6的两侧。
本实用新型通过将凹槽单元7对称设置在双螺旋腔室3内的两侧壁上，流体流经凹槽单元7时，流体边界层遇凹槽发生分离，在凹槽前缘形成回流区，而后流体会重新附着于凹槽单元表面，增强局部热传递；在凹槽单元后缘附近的两侧流体，会产生成对的涡流，凹槽单元中产生的涡可以沿两侧壁流动，能够增加流体的扰动和混合，涡流渗透并与核心流体相互作用，可将核心区流体带到表面，在提高整体传热率的同时也能够均匀流动方向和旋转方向的冷却效果；整体上增强了二次流的运动，并增加了凹槽单元7附近的流体的湍流强度，冷却效果更强。
进一步的，在本实施例中，优选的将凹槽单元7设置在连通孔5对面一侧的凸起部6的两侧，该凸起部6附近存在设置凹槽单元7的最优点，在最优点处冷却效果最佳，具体的位置需要根据实际测量确定凹槽单元7的最优位置；当然在其他的实施例中，凹槽单元7除了不能设置在凸起部6处外，可以设置在双螺旋腔室3的两侧壁上的任何一处，设置的位置不同，冷却效果不同。可根据实际需求选择凹槽单元的设置点，此处不做限制。
具体的，在本实用新型中采用的冷却介质为空气，空气从涡轮叶片1的叶根处进入冷却介质输入通道4，冷却介质输入通道4中的空气经过连通孔5形成射流进入至双螺旋腔室3中，在连通孔5对面一侧的凸起部6处形成冲击点，气流向冷却腔室3的侧壁扩散，遇到凹槽单元7，流体边界层发生分离，在凹槽单元7前缘形成回流区，而后流体会重新附着于凹槽单元7表面，增强局部热传递；在凹槽单元7后缘附近的两侧流体，会产生成对的涡流，凹槽单元7中产生的涡可以沿两侧壁流动，能够增加流体的扰动和混合，涡流渗透并与核心流体相互作用，可将核心区流体带到表面，在提高整体传热率的同时也能够均匀流动方向和旋转方向的冷却效果。从而增强了流体的扰动和混合，提高传热效率，增强冷却效果。
在本实施例当中，参照图1-5，凹槽单元7的深度小于或等于冷却腔室3直径的十分之一。
在本实施例当中，参照图1，凹槽单元7沿叶片的长度方向延伸设置于冷却腔室3内。
在本实施例当中，参照图2、3，优选的设置一组凹槽部，即两个凹槽单元7，两凹槽单元7分别对称设置在双螺旋腔室3的两侧壁上，当然在其他的实施例中，凹槽部设置的数量不限制，例如可以设置两组或多组凹槽部，具体数目可以根据冷却腔室的实际形状、尺寸和流动参数进行优化。
在本实施例中，参阅图3，凹槽单元7的横截面为半圆形，当然在其他的实施例中，凹槽单元7的横截面形状不局限于以上的描述及图片中给出的形状，例如也可以是矩形或其他不规则的形状。
在本实施例中，参阅图1-4，优选的在冷却腔室上延叶片的长度方向设置多个连通孔5与冷却介质输入通道4连通，且多个连通孔5等间距设置。设置多个连通孔5，使得冷却介质从多处连通孔5形成射流进入冷却腔室3中，在连通孔5对面的凸起部6处形成冲击点，增加腔室内冷却介质的对流换热。
实施例2
在本实施例中，涡轮叶片前缘中的冷却腔室3和冷却介质输入通道4，连通孔5，凸起部6的结构及相互之间的位置关系和连接关系如实施例1中所述，这里不再复赘，而本实施与实施例1的区别在于：
在本实施例当中，参照图6-8，优选的凹槽单元7为等间距间断设置的若干短凹槽结构8。沿叶片1的长度方向延伸设置于冷却腔室内3的凹槽单元7等间距间断形成为多个短凹槽结构8，冷却介质沿叶片1的长度方向流经凹槽单元7时，由于各个短凹槽结构8之间存在间隔，冷却腔室内侧壁上的流体产生周期性的不稳定，增强了二次流的运动，并增加了短凹槽结构附近的流体流动的湍流强度，提高了局部传热率。当然在其他的实施例中，凹槽单元的具体结构不局限于以上所述，例如可以是不间断的凹槽结构，例如也可以不是等间距间断的凹槽单元。
在本实施例当中，参照图6、7，优选的在冷却腔室内设置有两组凹槽部，即在冷却腔室的凸起部两侧各设置两个凹槽单元7，且两个凹槽单元7有多个等间隔间断的短凹槽结构8组成，冷却腔室3的同一侧壁上的两组短凹槽结构8之间错位设置，错位设置的短凹槽结构8对流经双螺旋腔室3内的流体阻碍效果更明显，从而增加了破坏边界层发展的次数，增加了流体的扰动，进一步提高传热效率。当然在其他的实施例中，短凹槽结构8设置的组数不局限于以上所述，例如可以只设置一组短凹槽单元。
参阅图5、8，本实施相比于实施例1，短凹槽结构8使流体产生周期性的不稳定，增强了二次流的运动，增加了破坏边界层发展的次数，增加了流体的扰动和混合，局部传热率更好，在流体的流动方向上冷却更加均匀。上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。
