CN102102544A - 燃气轮机的涡轮转子叶片 - Google Patents
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Abstract
燃气轮机的涡轮转子叶片，其包括叶片叶根、叶片平台和叶片叶型。叶片内部采用了蛇形通道的冷却结构，包括了三个流通冷却气体的冷却回路：用于冷却叶片前缘区域的冲击冷却回路；用于冷却叶片顶部区域的强化对流冷却回路；用于冷却叶片尾缘区域的柱肋及喷射冷却回路。对于流向叶片尾缘的这股冷却气体，在靠近叶片尾缘和叶片叶根的弯头区域，添加至少一个导流片结构，使分配有足够的冷却气体来冷却叶片尾缘根部，由此降低叶片尾缘根部的温度。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机的涡轮转子叶片，尤其是带多个冷却回路，强化叶片叶型尾缘根部冷却效果的转子叶片。
背景技术
随着燃气轮机涡轮进口燃气温度的不断提高，涡轮高温部件所面临的热负荷环境更加恶劣。为了保证高温涡轮叶片的合理寿命，需要对其进行有效地冷却，其中，尤其以高温涡轮转子叶片的冷却形式最为复杂。目前世界上最先进的涡轮转子叶片均采用多冷却回路、蛇形通道强化对流冷却的形式，以使叶片本体的温度场和应力分布保持在合理的水平。
由于叶片的结构特点，转子叶片在高速旋转时，叶片叶型与叶片平台交界处(即叶片叶型前缘、叶片尾缘根部)承受的拉伸应力很大。同时，在具有蛇形通道的转子叶片里，冷却气体在经过靠近叶片尾缘根部最后一个弯头后，将沿径向向叶顶方向流动。一方面，由于弯头几何特征，冷却气体经过弯头后较难进入尾缘根部区域的喷射孔，而离心力的作用更加剧了这一效果，大量的冷却气体向叶顶方向流动，而进入叶片尾缘根部区域的冷却气体较少，导致该叶片尾缘根部区域冷却效果较差，其温度和热应力较大。在以上两方面因素作用下，涡轮转子叶片尾缘根部区域极容易由于温度过高或者热应力过大而高温氧化，出现裂纹、甚至烧蚀等失效现象。
因此，需要在不增加总冷却空气量的情况下，对叶型尾缘根部区域进行更加有效合理的冷却，以降低所述叶片尾缘根部区域的温度和热应力水平。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃气轮机的涡轮转子叶片，使其在不增加总冷却空气量的情况下，对叶片尾缘根部区域进行更加有效合理的冷却，以降低叶片尾缘根部区域的温度。
本发明的技术方案如下：
一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于：所述转子叶片包括叶片叶型、叶片叶根以及连接叶片叶型和叶片叶根的叶片平台；叶片叶型外表面由吸力面和压力面构成，吸力面和压力面交界区域分别为叶片前缘和叶片尾缘；
叶片内部包含三个冷却回路：用于所述叶片前缘冷却的冲击冷却回路、用于叶片顶部区域冷却的强化对流冷却回路、用于叶型中部和叶片尾缘冷却的柱肋及喷射冷却回路；每个冷却回路分别具有至少一个冷却通道；所述叶片尾缘内部布置了至少一个柱肋结构，并开有至少两个喷射通孔，每两个喷射通孔之间为一个喷射通孔分隔板；
在柱肋及喷射冷却回路内，在叶片尾缘靠近叶片叶根处具有一个弯头，在所述弯头内设置有至少一个导流片结构，每个导流片结构将所在的弯头区域分成两部分，所述每个导流片结构从所在的弯头区域入口一直延伸连接至所述喷射通孔分隔板中的一个上，将进入所述每个导流片结构所在的弯头区域的冷却气体分成两股。
所述每个导流片结构的厚度能改变，并且能够改变所述每个导流片结构所在的弯头区域内两股冷却气体入口通道的第一宽度d1和第二宽度d2。与所述每个导流片结构连接的喷射通孔分隔板(19)中的一个和叶片平台之间的距离d3能改变。所述至少一个导流片结构与叶片叶型一体铸造。
所述冲击冷却回路、所述强化对流冷却回路或所述柱肋及喷射冷却回路的至少一个冷却通道内壁面具有至少一个肋片结构。
所述叶片前缘布置了至少一个气膜冷却孔，所述冲击冷却回路内设置有至少一个冲击冷却孔；所述冲击冷却回路内冷却气体经过所述冲击冷却孔后，通过所述气膜冷却孔流出。
所述强化对流冷却回路中设有第二叶顶冷却通道，所述第二叶顶冷却通道具有通向燃气主流的至少一个开口。
本发明具有以下优点及突出性效果：在靠近叶片尾缘根部的弯头处，添加了至少一个导流片结构。每个导流片结构从所在的弯头区域的入口一直延伸连接至尾缘喷射通孔分隔板中的一个上，将进入每个导流片结构所在弯头区域的冷却气体分成两股。一股专门用于每个导流片结构所在的叶片尾缘根部区域的冷却，另一股则用于每个导流片结构所在的叶片尾缘其他区域的冷却。通过改变每个导流片结构的厚度或位置，可以改变两股冷气的流量分配，从而达到预想的冷却分配效果。同时，所述导流片结构还能起到减小弯头区损失系数的作用。
附图说明
图1是叶片三维视图。
图2是本发明的燃气轮机涡轮转子叶片内部冷却系统截面示意图。
图3是图2的A向视图。
图4是叶片尾缘根部的放大视图。
图5是图2的B-B剖视图。
图6是图2的C-C剖视图。
图中：1-根部冷却通道入口；2-气膜冷却孔；3-冲击冷却孔；4-喷射通孔；5-顶部气膜孔；11-叶片叶根；12-叶片平台；13-叶片叶型；14-顶部封盖；15-肋片结构；16-柱肋结构；17-冷却通道分隔板；18-导流片结构；181-导流片上方区域；182-导流片下方区域；19-喷射通孔分隔板；20-叶型中弧线；21-第二冲击冷却通道；22-第一冲击冷却通道；23-第一叶顶冷却通道；24-第二叶顶冷却通道；25-第一柱肋及喷射冷却通道；26-第二柱肋及喷射冷却通道；27-第三柱肋及喷射冷却通道；28-冲击冷却分隔板；31-吸力面；32-压力面；33-叶片前缘；34-叶片尾缘；181-导流片上方区域；182-导流片下方区域。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理、具体实施和工作过程做进一步的说明。
附图给出了本发明的一个具体的实施例。图1是燃气轮机高温转子叶片的三维视图，其包括叶片叶型13、叶片叶根11以及在叶片叶型和叶片叶根之间的叶片平台12。沿叶型中弧线20将叶片剖开，可以获得叶片内部的结构，如图2所示。叶片内部具有用于冷却气体流动的多个冷却通道。冷却气体从压气机的合适位置抽出，沿燃气轮机转子轴系输送到转子叶片的根部冷却通道入口1，根部冷却通道入口的大小和数目根据所需冷却气体流量及叶片强度综合考虑进行选定。
在叶片内部有三个冷却回路，其包括：用于叶片前缘冷却的冲击冷却回路、用于叶片顶部区域冷却的强化对流冷却回路，以及用于叶片中部和叶片尾缘冷却的柱肋及喷射冷却回路；这三个冷却回路在叶片内互不连通。一股冷却气体用于进行叶片前缘的冲击冷却和气膜冷却，形成冲击冷却回路；一股冷却气体用于叶片顶部的冷却，形成强化对流冷却回路；第三股冷却气体先经过叶片叶型中部的强化对流冷却，再流向叶片尾缘区域进行叶片尾缘的柱肋冷却和叶片尾缘喷射，形成柱肋及喷射冷却回路。
本实施例中，所述的冲击冷却回路包括第一冲击冷却通道22和第二冲击冷却通道21，所述两个冲击冷却通道由冲击冷却分隔板28分开；所述冲击冷却分隔板上布置了至少一个冲击冷却孔3。第一冲击冷却通道22壁面布置了具有强化对流冷却效果的至少一个肋片结构15，冷却气体在第一冲击冷却通道22向叶片顶部方向流动时，沿程会通过布置在冲击冷却分隔板28上的至少一个冲击冷却孔3对第二冲击冷却通道21中的部分叶片前缘内壁面进行冲击冷却。在叶片前缘33的壁上，布置了至少一个气膜冷却孔2，冷却气体经过所述冲击冷却孔后，从所述气膜冷却孔2喷出，形成气膜覆盖在叶片吸力面31和叶片压力面32上，从而将高温燃气隔开。所述气膜冷却孔2的角度、孔径等几何尺寸以及数量根据叶片气动、传热等综合影响效果来进行确定。
用于叶片中部对流冷却和叶片尾缘冷却的柱肋及喷射冷却回路包括第一柱肋及喷射冷却通道25、第二柱肋及喷射冷却通道26和第三柱肋及喷射冷却通道27。在第三柱肋及喷射冷却通道27内布置了至少一个柱肋结构16，以强化叶片尾缘的对流冷却效果。同时，所述柱肋结构连接叶片的吸力面31和压力面32，起到强化叶片结构强度的效果。所述柱肋结构的几何尺寸同样需要根据冷却效果和强度要求来综合选定。在叶片尾缘布置了至少两个喷射通孔4，通常会使得冷却气体在所述喷射通孔中加速，从而增强对流冷却效果。
用于叶片顶部冷却的强化对流冷却回路包括第一叶顶冷却通道23和第二叶顶冷却通道24，其中第一叶顶冷却通道23为径向方向布置，而第二叶顶冷却通道24为从叶片前缘到叶片尾缘的横向方向布置。在强化对流冷却回路的各冷却通道中，均在壁面布置了至少一个肋片结构15，以强化各冷却通道壁面的对流冷却效果。强化对流冷却回路内的所述肋片结构的几何结构和布置形式需根据对传热和压力损失的要求进行选定。冷却气体应保证足够的压力能从第二叶顶冷却通道24的通向燃气主流的至少一个开口以及布置在叶片顶部的至少一个顶部气膜孔5喷出。
在转子叶片通道设计时，由于要考虑离心力对冷却气体的影响，需保证冷却气体在最靠近叶片尾缘通道中是由叶片根部向叶片顶部流动。因此冷却气体在经过靠近叶片尾缘根部的弯头后，将沿径向向叶片顶部方向流动。一方面，由于弯头几何特征，冷却气体经过所述弯头后较难进入叶片尾缘根部区域的喷射通孔4；而离心力的作用更加剧了这一效果，大量的冷却气体向叶片顶部方向流动，而进入叶片尾缘根部区域的冷却气体较少，导致该叶片尾缘根部区域冷却效果较差，温度较大，极容易被高温氧化，出现裂纹。正因为如此，本发明希望在不引入多余冷却气体的情况下，降低叶片尾缘根部区域的温度。
针对前述特定冷却结构形式的叶片，本实施例在叶片尾缘靠近叶片叶根的弯头处，设置了一个导流片结构18，该导流片结构从弯头入口一直延伸连接至喷射通孔分隔板19中的一个上，将上述弯头区域分成导流片上方区域181和导流片下方区域182两部分，从而将进入叶片尾缘通道的冷却气体分成两股。一股冷却气体专门用于叶片尾缘根部区域的冷却，另一股冷却气体则用于叶片尾缘其他区域的冷却。通过改变所述导流片结构的厚度，或者改变该所述导流片结构所在的弯头区域内两股冷却气体入口通道的第一宽度d1和第二宽度d2，进而改变两股冷却气体的流量分配关系。并且，与所述导流片结构连接的所述喷射通孔分隔板19中的一个和叶片平台之间的距离d3能改变。通过改变距离d3，确定由流经导流片下方区域182的冷却气体所需要冷却的叶片尾缘区域。所述导流片结构与所连接的所述喷射通孔分隔板19中的一个的连接处应过渡平滑，减少流动损失。该导流片结构除了分配冷却气体流量外，对于减小弯头处压力损失也有明显的效果。所述导流片结构可以与叶片叶型13一体铸造。
尽管本发明描述的是申请人认为是最实用且经过优化选择的案例，但是本发明不限于上述详细描述的结构特点。而是覆盖权利要求书来限定的内容，以及由此引申和变型的等效结构。
Claims (7)
1.一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于：所述转子叶片包括有叶片叶型(13)、叶片叶根(11)以及连接叶片叶型和叶片叶根的叶片平台(12)；叶片叶型外表面由吸力面(31)和压力面(32)构成，吸力面和压力面交界区域分别为叶片前缘(33)和叶片尾缘(34)；
叶片内部包含三个冷却回路：用于所述叶片前缘冷却的冲击冷却回路、用于叶片顶部冷却的强化对流冷却回路，以及用于叶片中部和叶片尾缘冷却的柱肋及喷射冷却回路；每个冷却回路分别具有至少一个冷却通道；
所述叶片尾缘(34)内部布置了至少一个柱肋结构(16)，并开有至少两个喷射通孔(4)，每两个喷射通孔之间为一个喷射通孔分隔板(19)；
在柱肋及喷射冷却回路内，在叶片尾缘靠近叶片叶根处具有一个弯头，在所述弯头内设置有至少一个导流片结构(18)，每个导流片结构将所在的弯头区域分成两部分；所述每个导流片结构从所在的弯头区域入口一直延伸连接至位于叶片尾缘的所述喷射通孔分隔板(19)中的一个，并将进入所述每个导流片结构所在的弯头区域的冷却气体分成两股。
2.如权利要求1所述的一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于：所述每个导流片结构(18)的厚度能够改变，或能够改变所述每个导流片结构所在的弯头区域内两股冷却气体入口通道的第一宽度d1和第二宽度d2。
3.如权利要求1所述的一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于：与所述每个导流片结构连接的所述喷射通孔分隔板(19)中的一个和叶片平台之间的距离d3能改变。
4.如权利要求1所述的一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于：所述至少一个导流片结构(18)与叶片叶型(13)一体铸造。
5.如权利要求1所述的一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于：所述冲击冷却回路、所述强化对流冷却回路或所述柱肋及喷射冷却回路的至少一个冷却通道的内壁面具有至少一个肋片结构(15)。
6.如权利要求1所述的一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于：所述叶片前缘(33)的壁上布置了至少一个气膜冷却孔(2)，所述冲击冷却回路内设置有至少一个冲击冷却孔(3)；所述冲击冷却回路内冷却气体经过所述冲击冷却孔(3)后，通过所述气膜冷却孔(2)流出。
7.如权利要求1所述的一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于：所述强化对流冷却回路中设有第二叶顶冷却通道(24)，所述第二叶顶冷却通道具有通向燃气主流的至少一个开口。
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