CN102116179A - 燃气轮机的涡轮转子叶片 - Google Patents

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。在叶片内部，包括用于叶片前缘区域冷却的冲击冷却回路、用于叶片尾缘区域冷却的尾缘柱肋及喷射冷却回路、用于叶片中部区域及叶片顶部区域冷却的蛇形通道强化对流冷却回路；在所述蛇形通道强化对流冷却回路中，靠近叶片叶根的至少一个弯头所在区域内，设置至少一个导流片结构，在具有至少一个导流片结构的所述弯头的壁上设有至少一个通孔；所述至少一个导流片结构及所述至少一个通孔对该强化对流冷却回路而言，能有效降低该冷却回路中的压力损失，同时能有效的强化所述至少一个弯头所在区域以后蛇形通道强化对流冷却回路中的冷却效果。

Description

燃气轮机的涡轮转子叶片

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、强化叶片冷却效果的转子冷却叶片。

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。由于叶片结构上的特点，蛇形通道在布置时，在叶片顶部呈现矩形弯头的形态，而在靠近平台区域呈现圆形弯头的形态。

在叶片冷却系统设计时，一方面要尽量强化冷却气体在通道内部的对流换热效果；另一方面，一般在强化换热性能的同时会带来更大的冷却气体压力损失。因此，在冷却系统设计时应注意控制冷却气体在通道中的压力损失，需保证冷却气体在叶片各个出口(如：气膜冷却孔，尾缘喷射孔等)具有足够的压力喷射出来，并形成良好的气膜冷却覆盖效果。尤其需特别防止冷却气体压力过低而导致高温燃气倒灌至叶片，造成叶片高温烧蚀的极端情况。

对于多流程的冷却回路，压力损失主要出现在弯头区域。导流片是一种有效的减小压损的方式。但该导流片的添加会减小部分弯头区和弯头后的换热能力。从而使得该区域的换热能力差异较大，造成较大的温度差异和热应力。

发明内容

本发明的目的是提供了一种用于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，对蛇形通道冷却系统进行更合理的优化，尤其在减小通道压力损失的同时，增强通道弯头区及弯头后的对流换热能力，以降低弯头区的叶片金属温度差异和热应力。

本发明的技术方案如下：

一种燃气轮机的涡轮转子叶片，所述涡轮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组成，所述吸力面和所述压力面的交界区域形成叶片前缘和叶片尾缘；在叶片内部，包含三个冷却回路：冲击冷却回路、蛇形通道强化对流冷却回路和尾缘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；叶片根部具有至少一个根部冷却通道；

所述冲击冷却回路内设有至少一个冲击冷却孔和至少一个气膜冷却孔；

所述蛇形通道强化对流冷却回路在靠近叶片叶根处具有至少一个弯头，至少一个所述弯头内设置有至少一个导流片结构，同时在具有至少一个导流片结构的所述弯头的壁上设有至少一个通孔，所述通孔连通所述至少一个根部冷却通道和具有至少一个导流片结构的所述弯头内部；

所述通孔布置在具有至少一个导流片结构的所述弯头的壁的顶部的沿冷却气体流动方向的后半部分；所述通孔为铸造后再加工得到的孔结构，或直接利用铸造过程中所需的排泄孔；所述至少一个导流片结构与所述叶片叶型是一体铸造完成；

所述蛇形通道强化对流冷却回路具有通向燃气主流的至少一个开口的横向冷却通道，形成横向冷却通道的部分顶部封盖上设置有至少一个顶部气膜孔，所述横向冷却通道内的冷却气体最终从所述顶部气膜孔及所述横向冷却通道的所述开口流出。所述蛇形通道强化对流冷却回路的每个冷却通道内壁面具有至少一个肋片结构。

所述气膜冷却孔布置在所述叶片前缘的壁上；所述冲击冷却回路内的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。

所述叶片尾缘内部布置了至少一个柱肋结构；所述叶片尾缘开有至少一个喷射通孔，以使所述尾缘柱肋及喷射冷却回路内冷却气体流出。

本发明具有以下优点及突出性效果：本发明在叶片中部的蛇形通道强化对流冷却回路中，在靠近叶片叶根具有至少一个弯头，至少一个所述弯头内布置了至少一个导流片结构，同时在具有至少一个导流片结构的所述弯头的壁上设有至少一个通孔，所述通孔连通所述至少一个根部冷却通道和具有至少一个导流片结构的所述弯头内部。所述至少一个导流片结构能通过有效减弱具有至少一个导流片结构的所述弯头内的大分离流动，对原有的剧烈加速、减速流动起到了很好的抑制作用，从而有效减小蛇形通道冷却系统中的压力损失。所述通孔布置在所述具有至少一个导流片结构的所述弯头的壁的顶部的沿冷却气体流动方向的后半部分，并连通叶片根部冷却通道和具有至少一个导流片结构的所述弯头内，通过从叶片根部引入温度较低的冷却气体，一方面强化了具有至少一个导流片结构的所述弯头的沿冷却气体流动方向的后半部分的换热能力，另一方面，降低具有至少一个导流片结构的所述弯头后冷却气体的温度，从而提高具有至少一个导流片结构的所述弯头后冷却气体的换热能力。

附图说明

图1是燃气轮机涡轮转子叶片的三维视图。

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是靠近平台区域的圆形弯头放大视图。

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-叶顶气膜孔；11-叶片叶根；12-叶片平台；13-叶片叶型；14-顶部封盖；15-凸起结构；16-肋片结构；17-柱肋结构；18-分隔板；19-导流片结构；191-第一弯头区域；192-第二弯头区域；20-通孔；22-冲击第一冷却通道；21-冲击第二冷却通道；23-强化对流第三冷却通道；24-横向冷却通道；25-强化对流第二冷却通道；26-强化对流第一冷却通道；27-尾缘冷却通道；28-冲击冷却回路分隔板；31-吸力面；32-压力面；33-叶片前缘；34-叶片尾缘；41-叶片叶型中弧线。

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。沿叶片叶型中弧线41将叶片剖开，可以获得叶片内部的结构(如图2所示)。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。

本转子叶片内部有三个冷却回路，即冲击冷却回路、蛇形通道强化对流冷却回路和尾缘柱肋及喷射冷却回路，这三个冷却回路在叶片内互不连通。其中，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；一股冷却气体用于进行叶片尾缘的柱肋冷却和叶片尾缘喷射，形成尾缘柱肋及喷射冷却回路；第三股冷却气体用于叶片中部的对流冷却以及叶片顶部区域的冷却，形成蛇形通道强化对流冷却回路。冷却气体在叶片顶部区域为从叶片前缘向叶片尾缘方向流动，最终从设置在顶部封盖14上的至少一个顶部气膜孔5及与燃气主流连通的横向冷却通道24的一个开口流出。

本实施例中，所述冲击冷却回路包括冲击第一冷却通道22和冲击第二冷却通道21，两个冷却通道由冲击冷却回路分隔板28分开；所述冲击冷却回路分隔板28上布置了至少一个冲击冷却孔3。冲击第一冷却通道22壁面布置有强化对流冷却效果的至少一个肋片结构16，冷却气体在冲击第一冷却通道22内向叶片顶部方向流动时，沿程会通过所述冲击冷却孔3对冲击第二冷却通道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，将从所述气膜冷却孔喷出，形成气膜覆盖在叶片的吸力面31和压力面32，从而将高温燃气隔开。所述气膜冷却孔的角度、孔径等几何尺寸和数量根据叶片气动、传热等综合影响效果来进行确定。

所述尾缘柱肋及喷射冷却回路包括尾缘冷却通道27。所述尾缘冷却通道27内布置了至少一个柱肋结构17，以强化所述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一个喷射通孔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。

所述蛇形通道强化对流冷却回路包括强化对流第一冷却通道26、强化对流第二冷却通道25、强化对流第三冷却通道23和横向冷却通道24；其中强化对流第一冷却通道26、强化对流第二冷却通道25和强化对流第三冷却通道23为径向方向布置，而横向冷却通道24为从叶片前缘至叶片尾缘的横向方向设置。各冷却通道之间均由分隔板18分开，使得冷却气体在各冷却通道中蜿蜒流动。所述蛇形通道强化对流冷却回路的各冷却通道壁面均布置了至少一个肋片结构16，以强化冷却通道壁面的对流冷却效果。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横向冷却通道24的所述开口以及所述顶部气膜孔5喷出。

在叶片冷却系统设计时，对于多流程冷却系统，除了关注冷却气体的换热效果，还应着重关注其中的压力损失，以防止高温燃气倒灌导致叶片烧蚀的极端情况。而冷却系统中压力损失的大部分出现在弯头区域。导流片结构是一种较为有效的减小弯头区域损失系数的方式，但由于冷却气体在弯头区域内换热能力分布不均匀，尤其弯头区域后半段及弯头区域的后部分传热能力被削弱，导致弯头区域温度差异较大，使弯头区域的叶片金属产生较大的热应力，因此本实施例在所述蛇形通道强化对流冷却回路中，在靠近叶片叶根的一个弯头所在区域内，设置有一个导流片结构19及一个通孔20，该导流片结构19将所述弯头所在区域分为第一弯头区域191和第二弯头区域192两部分；冷却气体流经该弯头所在区域时，对原来的剧烈加速、减速流动得到了很好的抑制。同时，第一弯头区域191的大分离也得到较好的抑制，从而有效减小所述弯头所在区域的压力损失。

所述通孔20布置在所述弯头的壁上，并且布置在沿冷却气体流动方向的所述弯头顶部的后半部分；该通孔连通与冲击冷却回路连通的叶片根部冷却通道和第二弯头区域。通过从叶片根部引入温度较低的冷却气体，一方面强化了第二弯头区域后半部分的换热能力；另一方面，降低第二弯头区域后冷却气体的温度，从而提高第二弯头区域后冷却气体的换热能力。该导流片结构与叶片叶型一起铸造出来。通孔可通过铸造后再加工出来，也可以直接利用铸造过程中所需的排泄孔。

作为一种特例，本发明给出了一种圆弧形导流片结构19，和圆形通孔结构20。但具体实施时，是需要根据实际叶片在此处的弯头区域几何形状进行合理的优化配置。

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 (9)

1.一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于：所述涡轮转子叶片包括叶片叶型(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，所述吸力面和所述压力面的交界区域形成叶片前缘(33)和叶片尾缘(34)；在叶片内部，包含三个冷却回路：冲击冷却回路、蛇形通道强化对流冷却回路和尾缘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；叶片根部具有至少一个根部冷却通道；

所述蛇形通道强化对流冷却回路在靠近叶片叶根处具有至少一个弯头，至少一个所述弯头内设置有至少一个导流片结构(19)，同时在具有至少一个导流片结构的所述弯头的壁上设有至少一个通孔(20)，所述通孔(20)连通所述至少一个根部冷却通道和具有至少一个导流片结构的所述弯头内部。

2.如权利要求1所述一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于：所述通孔(20)布置在具有至少一个导流片结构的所述弯头的壁的顶部的沿冷却气体流动方向的后半部分。

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：所述通孔(20)为铸造后再加工得到的孔结构或直接利用铸造过程中所需的排泄孔。

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(19)与所述叶片叶型(13)是一体铸造完成。

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：所述蛇形通道强化对流冷却回路具有通向燃气主流的至少一个开口的横向冷却通道(24)，形成横向冷却通道的部分顶部封盖(14)上设置有至少一个顶部气膜孔(5)，所述横向冷却通道内的冷却气体最终从所述顶部气膜孔(5)及所述横向冷却通道(24)的所述开口流出。

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：所述冲击冷却回路内设有至少一个冲击冷却孔(3)和至少一个气膜冷却孔(2)。

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：所述蛇形通道强化对流冷却回路的每个冷却通道内壁面具有至少一个肋片结构(16)。

8.如权利要求6所述的一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于：所述的气膜冷却孔(2)设置在所述叶片前缘(33)的壁上；所述冲击冷却回路内的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。

9.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：所述叶片尾缘(34)内部布置了至少一个柱肋结构(17)；所述叶片尾缘(34)开有至少一个喷射通孔(4)，以使所述尾缘柱肋及喷射冷却回路内冷却气体流出。

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