CN101813005A - 一种大小肋片交替结构的强化传热装置 - Google Patents

Abstract

一种大小肋片交替结构的强化传热装置，用于流体对流换热的强化换热，在强化换热壁面上的大肋片之间，间隔地设置有尺寸较小的相同形状的小肋片，且大肋片与小肋片相互平行，小肋片的高度为大肋片高度的0.3～0.5倍，在换热壁面上形成周期性布置的交替大、小肋片结构，气流流过大肋片时，小肋片使气流受到的流动阻力减小。该结构具有结构简单、易于制造的特点，适合应用于燃气轮机叶片的内部冷却之中。

Description

一种大小肋片交替结构的强化传热装置

技术领域

本发明涉及一种具有交替大、小肋片结构的强化传热装置，针对燃气轮机叶片内部冷却技术而研发，用于布置在透平叶片内部冷却通道之中，实现对叶片的有效冷却。

背景技术

带肋通道结构是一种简单、有效的燃气轮机叶片内部冷却方式，将肋片以一定形式布置在内流通道之中，通过对壁面附近流体的扰流并增大有效换热面积的方式使得换热性能得到强化。对于带肋通道来说，要获得更高的换热系数通常需要以更大的流动阻力为代价，而更大的流动阻力意味着更多的能量损失，因此，强化换热的性能好坏需要通过换热系数与流动阻力系数来综合判断。要得到更好的燃气轮机整体性能，就要设计出同时具有更大换热系数与更小流动阻力系数的换热结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大小肋片交替结构的强化传热装置，即在常见的带肋通道结构基础上采用交替大、小肋片结构的强化传热装置，使其换热系数较带有单一尺寸肋片结构的通道具有更高的换热系数并具有更小的流动阻力系数。这种结构形式简单，易于制造。

为实现上述目的，本发明提供的大小肋片交替结构的强化传热装置，是在强化换热壁面上的大肋片之间，间隔地设置有尺寸较小的相同形状的小肋片，且大肋片与小肋片相互平行，小肋片的高度为大肋片高度的0.3～0.5倍，在换热壁面上形成周期性布置的交替大、小肋片结构，气流流过大肋片时，小肋片使气流受到的流动阻力减小。

本发明的大、小肋片的形状可以为直型或V型。

本发明的交替大小肋片结构的换热性能明显优于单一大肋片结构，另外，制造交替大小肋片结构的工艺简单，难度较低，与单一大肋片结构相当，均易于制造。

附图说明

图1是采用单一尺寸肋片的带肋通道的换热表面示意图；

图2是气流在肋片扰流作用下的流动示意图；

图3是本发明的交替大小直型肋片换热结构图。

图4(a)、(b)、(c)是不同带肋通道壁面换热系数分布(数值模拟，雷诺数为6×10⁴)。

图5表示了图4中的3种情况不同雷诺数下的努塞尔数。

图6表示了图4中3利情况不同雷诺数下的流动阻力系数。

图7表示了图4中3种不同雷诺数下的综合强化换热系数。

图8是具有单一尺寸肋片的V形肋强化换热结构。

图9是本发明具有大小肋片的V形肋强化换热结构。

图10(a)表示图8带V型肋通道的壁面换热系数(数值模拟，Re＝6×10⁴)；图10(b)表示图9带V型肋通道的壁面换热系数(数值模拟，Re＝6×10⁴)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

图1是公知技术中内部带有单一尺寸肋片的通道中，典型的大肋片高度e在0.05D～0.1D之间，肋片间距p与肋片高度e之比在7～15之间。

图2是气流在肋片扰流作用下的流动示意情况，在肋片上游形成前台阶回流，此区域具有较低的换热系数，气流冲击到肋片前缘时有较大的压力损失。

图3是本发明在p₂/p₁为0.5～0.8之间的位置，即大肋片前台阶回流区域附近，加入小肋片(小肋片的高度为大肋片的0.3～0.5倍之间)。采用大小肋片结构之后，大肋片前台阶回流区域的换热能力有所增强，在流动上，小肋片起到引导、过渡的作用，使流动阻力有所减小。

增加的小肋片的高度在0.3e～0.5e之间，小肋片位于两大肋片之间靠近下游大肋片一端，与下游大肋片的距离在0.2p～0.5p之间。

从上述内容和附图中可以看出，在采用单一大肋片的结构中，当气流流过肋片时，在肋片上、下游都会产生回流(前台阶回流与后台阶回流)，在肋片下游的后台阶回流之后气流会再附着，再附着区域的换热系数很高，而这个高换热系数区域一直延伸到紧邻的下一个肋片的前台阶回流位置的上游附近，有回流区域的换热系数较低。加入小肋片之后，大肋片前台阶回流区域的换热能力得到了改善，小肋片在增大带肋通道有效换热面积的同时，对于气流流过下游大肋片起到一个过渡的作用，使气流在整个通道中的流动阻力有所减小。

图4给出了两种大、小肋片结构与原始单一尺寸肋片等三种结构在来流基于通道进口水力直径与进口处流动参数的雷诺数(Re)为60000时的换热系数结果。其中，图4a是原始单一尺寸肋片结构，图4b是在原始结构的大肋片下游0.5倍肋间距位置设置一个小肋片，图4c是在原始结构的大肋片下游0.6倍肋间距位置设置一个小肋片，所有的小肋片均为大肋片尺寸的一半。图中显示，使用小肋片之后，大肋片上游附近的换热能力有明显改善。

图5给出了图4的三种结构在不同雷诺数条件下的努塞尔数(Nu)。图中显示使用大、小肋片结构的两种方案的无量纲换热能力有所提升。

图6给出了图4的三种结构在不同雷诺数条件下的流动阻力系数(c_f)。结果显示在原始大肋片下游0.6倍肋间距位置加入小肋片之后，冷却通道的流动阻力系数有所下降。

图7给出了图4的三种结构在不同雷诺数条件下的综合强化换热系数(η)，其中，综合强化换热系数η＝(Nu/Nu_s)/(C_f/C_fs)^1/3。图中显示，在雷诺数(Re)高于20000时，采用大、小肋片结构之后，通道的综合换热能力可以得到提高。

从上述图4-图7的结果显示，交替大、小肋片结构使通道的换热性能得到了改善。

交替大、小肋片结构同样适用于带有V型肋片的结构，请参阅图8和图9所示，其中图8给出了具有单一尺寸V型肋片，图9给出了具有交替大、小V型肋片的结构，图10(a)表示图8单一尺寸V型肋通道在来流基于通道进口水力直径与进口处流动参数的雷诺数(Re)为60000(数值模拟，Re＝6×10⁴)时的换热系数结果。图10(b)表示图9带有交替大小V型肋通道在来流基于通道进口水力直径与进口处流动参数的雷诺数(Re)为60000(数值模拟，Re＝6×10⁴)时的换热系数结果(对其结果不再做分析)。

本发明不局限于上述方腔通道强化换热壁面，同样适用于圆管、板式或其他形状的强化换热壁面，只要在周期性的肋片之间周期性的安置小肋片，均属于本发明的范围。

Claims (4)

1.一种大小肋片交替结构的强化传热装置，用于流体对流换热的强化换热，在强化换热壁面上的大肋片之间，间隔地设置有尺寸较小的相同形状的小肋片，且大肋片与小肋片相互平行，小肋片的高度为大肋片高度的0.3～0.5倍，在换热壁面上形成周期性布置的交替大、小肋片结构，气流流过大肋片时，小肋片使气流受到的流动阻力减小。

2.根据权利要求1所述的强化换热结构，其中，大、小肋片的形状为直型或V型。

3.根据权利要求1所述的强化换热结构，其中，设相邻大肋片之间的间距为p，则小肋片设置在大肋片下游0.5～0.8p之间的位置。

4.根据权利要求1所述的强化换热结构，其中，强化换热壁面为方腔通道、圆管通道或板式通道。

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