[0001] 本发明涉及燃气轮机涡轮叶片冷却结构领域，具体涉及一种涡轮叶片近壁管阵冷却结构。

[0002] 燃气轮机为追求高效率和高功率而不断的提高涡轮进口温度。目前先进重型燃气轮机涡轮入口温度已经达到1700K以上，已远远超过金属材料的许用温度，为了保证涡轮的安全运行，对高效冷却技术提出了更高的要求。

[0003] 现有的涡轮冷却技术，追求在有限的冷气流量下，实现更高的冷却效率。

[0004] 其中，微细管阵是一种增加换热面积的方法。微细通道结构已经被广泛应用于微电子、生物工程等领域。在涡轮叶片薄壁的有限空间内布设大量微细通道，在冷气总流量不变的情况下，有效增大换热面积，提升换热性能。

[0005] 而涡轮叶片中提高换热系数的冷却方式多种多样，如肋化通道、柱肋扰流、冲击靶面扰流结构等，其原理均是通过提高湍流度从而提高换热系数。旋流冷却同样是一种提高换热系数的方式。冷气进入旋流腔后，贴附壁面产生旋涡，提高了流动的湍流度，增大了换热系数，使冷却性能得到提升。

[0006] 随着加工技术的进步，复杂的新概念冷却结构应用于涡轮叶片冷却逐渐成为可能。本申请提出一种新的微通道结构在涡轮叶片上的应用。

[0035] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

[0036] 本申请为了更好的实现涡轮叶片中靠近燃气表面的壁体的冷却效果，故采用两个实施例分别进行说明。

[0037] 实施例1：

[0038] 参见图1，本申请实施例提供一种涡轮叶片近壁管阵冷却结构，所述的涡轮叶片为中空结构，涡轮叶片中间的中部冷却介质腔2通入有冷却介质；

[0039] 在涡轮叶片且靠近燃气表面的壁体内布置有若干条冷却通道1，若干条所述的冷却通道1以阵列的形式进行排布，并形成微细管阵；相邻的两条冷却通道1采用正、反布置，且介质流动方向相反；每条冷却通道1为竹竿状结构，其包括有交替设置的N+1个圆形管道11和N个旋流竹节12，所述的圆形管道11和旋流竹节12首尾依次相连并相通。

[0040] 进一步的，若干条所述的冷却通道1沿着涡轮叶片的叶片前缘至叶片尾缘的方向进行排布，每条冷却通道1的介质流动方向与涡轮叶片上中部冷却介质腔2内介质的流动方向相同或相反；与中部冷却介质腔2内介质的流动方向相同的冷却通道1为正向冷却通道，并采用单独进气；与中部冷却介质腔2内介质的流动方向相反的冷却通道1为反向冷却通道，并与中部冷却介质腔2相连通，中部冷却介质腔2为反向冷却通道提供冷却介质。

[0041] 进一步的，如图3所示，所述中部冷却介质腔2的横截面形状与涡轮叶片的横截面形状相同。

[0042] 进一步的，如图8中(b)所示，所述的旋流竹节12为“灯笼”形。

[0043] 本实施例中，向涡轮叶片的冷却通道1以及中部冷却介质腔2内通入冷却介质，中部冷气腔主要为反向冷却通道供气，其中所述的冷却介质为低温流体，可以是气体或液体。

[0044] 本实施例中，所述的圆形管道11为圆形微细管，多条冷却通道1形成微细管阵，并布置在靠近燃气的表面，在有限的冷却介质流量下，强化内部对流换热，增加了冷却通道的换热面积，提高了冷却效果。同时相邻的两条冷却通道1采用介质流动方向相反的方式进行设置，使得涡轮叶片中靠近燃气表面的壁体冷却效果更加均匀。

[0045] 本实施例中，所述的旋流竹节12内形成旋流腔体，在低温流体进入到旋流竹节12内时，流体冲击着旋流腔体的内壁并产生回流，形成逆时针旋涡，提升了流体流动的湍流度，增大了对流换热系数，提高了冷却效果。所述的圆形管道11与旋流竹节12采用交替的布置形式，且相邻的两条冷却通道1之间旋流竹节12采用反向、交错布置，也可以使得涡轮叶片中靠近燃气表面的壁体冷却效果更加均匀。

[0046] 本实施例中，所述旋流竹节12的数量由冷却通道1的长度和热负荷而定，热负荷越大，旋流竹节12布置的越密，同时热负荷越大，微细管阵越靠近涡流叶片的燃气壁面。冷却通道1的数量及相邻的两条冷却通道1之间的距离按照燃气侧壁体的容积大小及燃气侧热负荷大小设置，燃气侧热负荷越大，冷却通道1的数量越多，排布越紧密；反之，燃气侧热负荷越小，冷却通道1的数量越少，排布越稀松。

[0047] 本实施例中，冷却介质从冷却通道1的介质入口进入，依次流经交替设置的圆形管道11和旋流竹节12，并从冷却通道1的介质出口流出；如图8(b)所示，在流体流经旋流竹节12时，流体会先冲击旋流腔体距离相对较远的弧形段，并沿弧形段的圆弧壁面形成回流，回流的流体再沿弧形壁面继续流动(回流流体的流动方向与主流方向相反)，最后汇入主流流体中，流出旋流竹节12；图8(b)中，红色代表高速区，蓝色代表低速区。

[0048] 实施例2：

[0049] 本实施例与实施例1不同的是，所述的旋流竹节12为类“圆台”形，旋流竹节12内的旋流腔体是由同轴依次设置的圆锥段121和弧形段122组成，所述圆锥段121和弧形段122的连接处切向过度；同时，圆锥段121主流介质入口的口径等于圆形管道11主流介质出口的口径，圆锥段121主流介质出口的口径等于弧形段122主流介质入口的口径。

[0050] 进一步的，相邻的两条冷却通道1之间旋流竹节12采用反向、交错布置，以保证涡轮叶片中靠近燃气表面的壁体冷却效果更加均匀。

[0051] 进一步的，所述旋流腔体中的弧形段122采用等曲率设计，弧形段122的圆心处于圆形管道11内壁的延长线上。

[0052] 更进一步的，所述圆锥段121的壁面与圆形管道11延长线之间的夹角角度为α，α的取值范围为30°～45°，优选为30°。

[0053] 进一步的，设所述圆形管道11的内径为d，设每条冷却通道1上，相邻的两个旋流竹节12之间的间距为p，p＝5d；设每条冷却通道1的中轴线与涡轮叶片靠近燃气侧的壁面距离为h，h＝2d；相邻的两条冷却通道1的中轴线之间的距离为b，b＝5d，相邻冷却通道1中旋流竹节弧形段的横向投影间距为f，f＝3d；设弧形段122的半径为r，r/d＝0.3～0.5，弧形段122的半径r优选为0.5d。

[0054] 本实施例中，冷却介质从冷却通道1的介质入口进入，依次流经交替设置的圆形管道11和旋流竹节12，并从冷却通道1的介质出口流出；如图8(a)所示，在流体流经旋流竹节12时，流体会先冲击旋流腔体的弧形段122，并沿弧形段122的圆弧壁面形成回流，回流的流体再沿圆锥段121的壁面继续流动(回流流体的流动方向与主流方向相反)，最后汇入主流流体中，流出旋流竹节12；图8(a)中，红色代表高速区，蓝色代表低速区。

[0055] 本实施例中，旋流竹节12内弧形段122的设计，是为了产生回流效应，提升流动湍流度，从而提高换热系数；而圆锥段121的设计是为了减小回流流动的阻碍，向内收缩的圆锥面有助于减小回流旋涡的低速区，避免局部高温，如图9中的(a)与(b)所示。

[0056] 实施例2与实施例1相比，如图8和图9所示，实施例2中带有圆锥面和弧形面的旋流腔体比实施例1中仅带有弧形面的旋流腔体流体回流速度更高，阻碍更小；且实施例2的管道壁面及管内流体的温度分布更均匀，避免了局部高温。

[0057] 虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。