CN102182518B - 一种涡轮冷却叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮冷却叶片，包括叶片本体，叶片本体内具有冷却通道，叶片本体的叶顶顶板上设置有围带结构，所述冷却通道内靠近叶顶顶板的上部设置有由叶片本体的压力面侧延伸到吸力面侧的将冷却通道横向分为下侧的主冷却通道与上侧的微冷却通道的隔板，隔板上于吸力面侧设置有连通主冷却通道与微冷却通道的连通缺口，叶顶顶板上由叶片本体的前缘至尾缘布设有一个以上的与微冷却通道连通的射流孔。微冷却通道的横截面较小，来自主冷却通道的冷气在微冷却通道内的流动速度增大，提高了冷却效率，另外，微冷却通道的设置增大了冷气在叶顶流动的行程，提高了冷气对叶顶的冷却，改善了叶顶的工作环境，提高了涡轮叶片运行的安全性与可靠性。

Description

一种涡轮冷却叶片

技术领域

本发明涉及一种用在燃气轮机上的涡轮冷却叶片。

背景技术

涡轮叶片是燃气轮机的重要部件，现有的涡轮叶片包括叶片本体，叶片本体的内部具有冷却通道，在工作中，燃气涡轮叶片的叶顶顶板和机匣封严结构配合，两者之间的间隙引起的高温燃气泄漏是涡轮效率损失的最主要因素，这是由于涡轮叶片工作的高温、高压和高转速的恶劣环境，导致涡轮盘、叶片和机匣由于离心力、温度应力等产生的变形难以实现各工况下的最佳配合设计，涡轮叶片和封严结构之间总是存在一定间隙，而这个间隙会造成高温燃气的泄露，致使涡轮的效率损失。因此，如何最大限度地降低涡轮的叶顶间隙泄漏是燃气轮机设计的焦点之一。目前，常用叶顶结构是在叶顶顶板上增加沿叶片外表面排布的具有一定厚度和高度的围带结构，形成叶顶凹槽结构，与平顶叶片相比可以较大程度地减少叶顶间隙燃气损失。

在工作时，叶顶顶板一直承受着从压力面向吸力面高速流动的高温燃气的冲刷力，因此，需要对涡轮叶片进行冷却，也就是在涡轮叶片的冷却通道内设置冷气，而普通冷却叶片的叶顶结构主要依靠冷却通道内冷却气体的热传导实现冷却，冷却效果不佳。目前先进燃气轮机涡轮的进口燃气温度已达到2000K以上，现有高温合金材料的最高耐受温度远小于涡轮进口温度，而围带结构的设置则进一步恶化了叶顶的工作环境。叶顶围带结构往往由于高温燃气的持续冲刷产生氧化腐蚀或剥落现象，引起涡轮叶片叶顶间隙的逐渐增大，从而导致高压涡轮工作效率降低甚至失效，严重威胁燃气轮机运行的安全性，需要定期对涡轮叶片进行维修或更换，代价高昂。

对涡轮叶片的冷却方式有强化换热冷却、气膜冷却和冲击冷却等，目前在叶顶结构的热防护上，主要通过叶片冷却通道换热、射流和气膜冷却方式实现。由于冷却通道对叶顶结构的冷却效果较低，往往需要一定数量的射流孔和气膜孔对叶顶顶板进行冷却。射流对叶顶高温燃气的泄漏会产生一定的阻碍作用，同时对叶顶顶板及其附属结构具有一定的冷却效果；从气膜孔流出的冷气，一部分沿叶片径向流向叶顶，在压力面和叶顶表面形成气膜，另一部分沿叶片流向流动与高温燃气混合；由于冷却通道面积较大，冷气的流速不大，再加上冷气在叶顶附近的流动路程较短，使得射流和气膜冷却要达到足够的冷却效果，需要的冷气量较大，这对涡轮效率产生负面作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种涡轮冷却叶片，以对涡轮叶片叶顶顶板及其附属结构实现有效冷却，降低叶顶顶板的热载荷，防止叶顶结构因氧化腐蚀而导致叶顶间隙的增大或涡轮叶片的失效，可提高燃气轮机运行的安全性和稳定性，降低燃气轮机运行成本。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种涡轮冷却叶片，包括叶片本体，叶片本体内具有冷却通道，叶片本体的叶顶顶板上设置有围带结构，所述冷却通道内靠近叶顶顶板的上部设置有由叶片本体的压力面侧延伸到吸力面侧的将冷却通道横向分为下侧的主冷却通道与上侧的微冷却通道的隔板，隔板上于吸力面侧设置有连通主冷却通道与微冷却通道的连通缺口，叶顶顶板上由叶片本体的前缘至尾缘布设有一个以上的与微冷却通道连通的射流孔。

所述的压力面上由叶片本体的前缘至尾缘布设有一个以上的与微冷却通道连通的气膜孔。

所述的叶片本体的尾缘上设置有与微冷却通道连通的微排气逢。

所述的气膜孔的靠近叶顶顶板的孔壁部分具有斜向叶顶顶板的用于引导气流流向上方的引流面。

所述的气膜孔为一个侧面平行于叶顶顶板的方形孔，所述引流面位于方形孔的平行于叶顶顶板的侧面上。

所述的连通缺口为沿吸力面由叶片本体的前缘延伸到尾缘的条状缺口。

所述的微冷却通道内设置有分别由压力面上和吸力面上延伸出来的交错设置的将微冷却通道分割成折转相通的折转流道的肋板，设置在吸力面上的肋板将连通缺口分割为一个个独立的冷气入口。

微冷却通道的各个冷气入口上均设置有一端固设在隔板与吸力面的内侧面之间另一端伸入微冷却通道的调节冷气入口的大小的流量调节柱，流量调节柱伸入微冷却通道内的一端的端头上具有两个沿吸力面分别向两侧外伸的流向调节沿。

所述的主冷却通道内设置有将主冷却通道分割成由叶片本体的前缘到尾缘的回形冷却流道的隔肋，叶片本体的尾缘上具有一个以上的与回形冷却流道连通的排气缝。

所述的射流孔为与叶顶顶板具有夹角的斜孔。

本发明的冷却通道被隔板隔成了主冷却通道与微冷却通道，主冷却通道与微冷却通道之间具有连通缺口，叶顶顶板上由叶片本体的前缘至尾缘布设有与微冷却通道连通的射流孔。微冷却通道的横截面较小，来自主冷却通道的冷气在微冷却通道内的流动速度增大，提高了冷却效率，另外，微冷却通道的设置增大了冷气在叶顶流动的行程，提高了冷气对叶顶的冷却，改善了叶顶的工作环境，实现了叶顶顶板和围带结构的高效冷却，提高了叶顶承受热载荷的能力，减小了叶顶结构发生氧化或失效的可能性，提高了涡轮叶片运行的安全性与可靠性。

本发明的气膜孔的靠近叶顶的孔壁部分具有斜向叶顶的用于引导气流流向上方的引流面，引流面使得由气膜孔中流出的冷气更好的贴近叶片壁面和叶顶围带结构流动，提高了气膜冷却效率。

本发明的微冷却通道内设置有分别由压力面上和吸力面上延伸出来的交错设置的将微冷却通道分割成折转相通的折转流道的肋板，设置在吸力面上的肋板将连通缺口分割为一个个独立的冷气入口，在叶片工作时，来自主冷却通道的冷气通过各个冷气入口进入微冷却通道，由于冷气入口分布在由叶片本体的前缘到尾缘的广大空间内，因此，冷气会布满微冷却通道的各个位置，不会出现冷却不到的地方，另外，由于微冷却通道被压力面上的和吸力面上的肋板隔成来一个个相对独立但折转相通的流道，当一个部位的冷气较少时，相邻部位处的冷气会在气压差的驱动下为冷气较少的部位补充冷气，使得微冷却通道的各个部位中的冷气量自动均匀分配，使得叶顶结构各个部位的冷却效果相近，也就是使得叶顶结构受热均匀，使得叶顶的工作环境良好。

本发明的微冷却通道的各个冷气入口上均设置有一端固设在隔板与吸力面的内侧面之间另一端伸入微冷却通道的调节冷气入口的大小的流量调节柱，流量调节柱伸入微冷却通道内的一端的端头上具有两个沿吸力面分别向两侧外伸的流向调节沿。流量调节柱将对应的冷气入口的一部分封上，改变各个流量调节柱的尺寸就可以调整各个冷气入口的大小，进而调整进入微冷却通道的各个部分的冷气量，以便使得叶顶结构各个部位的冷却效果更加相近，也就是使得叶顶结构受热更加均匀，使得叶顶的工作环境更好。另外，来自主冷却通道的冷气碰到流向调节沿后会改变流动方向，形成涡流，能更好的提高冷却效率。

本发明的射流孔为与叶顶顶板具有夹角的斜孔，斜孔的设置不仅对叶顶顶板和围带结构具有明显的冷却效果，而且在一定程度上对叶顶高温燃气泄漏产生阻碍作用，减少叶顶间隙损失，提高涡轮效率。

附图说明

图1本发明实施例的结构示意图；

图2是图1中A-A处的剖面图；

图3是冷气在发明的微冷却通道内流动的示意图；

图4为图1中的气膜孔的局部放大图；

图5是图1中包含气膜、射流和微通道的微冷却通道的三维视图；

图6是本发明实施例的三维视图。

具体实施方式

一种涡轮冷却叶片的实施例，在图1~6中，包括叶片本体，叶片本体内具有冷却通道，冷却通道由叶片本体的压力面10和吸力面11以及将压力面10和吸力面11的两端连接在一起的前缘和尾缘围设而成。叶片本体的顶部具有将冷却通道封上的叶顶顶板17，叶顶顶板17的外侧设置有围带结构18，冷却通道内靠近叶顶顶板的上部具有由压力面侧延伸到吸力面侧的隔板13，隔板13将冷却通道分为上侧的微冷却通道和下侧的主冷却通道，隔板13上具有连通微冷却通道与主冷却通道的连通缺口20，连通缺口20为沿吸力面10由前缘延伸到尾缘的条状缺口，也可以认为是隔板没有延伸到吸力面上与吸力面之间具有一定的间隙，而这个间隙即为连通缺口20。叶顶顶板17上布设有一个以上的射流孔14，射流孔14为与叶顶顶板17之间具有一定的夹角的斜孔，射流孔14排列在叶顶顶板17由叶片本体的前缘至尾缘的区域内，射流孔14的内端与微冷却通道连通，射流孔14的外端与外界连通。

作为上述技术方案的改进，在压力面10上布设有一个以上的气膜孔15，气膜孔15布设在压力面上由叶片本体的前缘至尾缘的范围内，气膜孔15的内端与微冷却通道连通，气膜孔15的外端与外界连通。

作为上述技术方案的改进，叶片本体的尾缘上设置有微排气逢22，微排气逢22的内端与微冷却通道连通，微排气逢22的外端与外界连通。

作为上述技术方案的改进，气膜孔15为方形孔，方形的气膜孔15的一个侧壁16平行于叶顶顶板17，气膜孔15的平行于叶顶顶板17的侧壁16为斜向叶顶顶板17的斜面，气膜孔15的为斜面的侧壁16用于引导由气膜孔15中流出的气流使气流流向上方。

作为上述技术方案的改进，压力面和吸力面上延伸出来有位于微冷却通道内的肋板，压力面上的肋板25与吸力面上的肋板26交错设置将微冷却通道分割成折转相通的折转流道，吸力面上的肋板26将连通缺口20分割为一个个独立的冷气入口。

作为上述技术方案的改进，各个冷气入口上均设置有流量调节柱29，流量调节柱的一端固设在隔板与吸力面的内侧面之间，另一端伸入微冷却通道内，流量调节柱29将冷气入口封上了一部分，改变流量调节柱的尺寸可以调整冷气入口的大小，流量调节柱伸入微冷却通道内的一端具有两个流向调节沿，两个流向调节沿沿吸力面分别向两侧外伸。

作为上述实施例的改进，主冷却通道内设置有将主冷却通道分割成由叶片本体的前缘到尾缘的回形冷却流道24的隔肋21，叶片本体的尾缘上具有与回形冷却流道24连通的排气缝23，排气逢为一个以上，布设在叶片本体的尾缘上。

上述技术方案中的冷气入口也可以这样形成，将隔板13延伸到吸力面上并在隔板13靠近吸力面的一侧设置上一个个间隔设置的缺口，并将这些缺口设置成连通微冷却通道和主冷却通道的冷气入口。

上述实施例中的流量调节柱与隔板和吸力面相连。

由叶片本体的底部进入主冷却通道的冷气沿着隔肋21分割成的回形冷却流道24按特定方向流动，最后从叶片本体尾缘的排气缝23流出，对叶片压力面和吸力面进行冷却；部分冷气通过冷气入口由主冷却通道进入微冷却通道，并在叶顶顶板附近经90°转弯后，沿吸力面上的肋板由吸力面侧向压力面侧流动；这部分冷气中的一部分从叶顶斜置的射流孔14流出，剩余冷气继续沿吸力面上的肋板流动，最后从压力面侧的气膜孔15流出；从气膜孔流出的冷气，一部分与高温主燃气混合，其余冷气经侧面16引导，沿叶片压力面流动，在压力面10和叶顶的围带结构18的表面形成气膜；从斜置射流孔14流出的冷气，与来自叶顶间隙由压力面向吸力面流动的高温燃气相遇，对叶顶高温燃气泄漏起一定的阻碍作用，并可以实现对叶顶顶板17、围带结构18和机匣封严结构19的冷却，冷却效果由冷气流量决定。

由叶片本体前缘附近的冷气入口进入微冷却通道的冷气会直接从三个叶片本体的前缘处的气膜孔流出，由于叶片本体中间位置流入微冷却通道的冷气则由吸力面侧向压力面侧沿吸力面上的肋板流动，经压力面侧的气膜孔15流出，由叶片本体尾缘位置进入微冷却通道的冷气大部分从压力面侧的气膜孔流出，小部分冷气从尾缘的排气缝23流出。如图4所示，气膜孔的侧面16为斜面，可以引导从微通道流出的大部分冷气沿叶片压力面10和围带结构18的表面流动，实现对叶片叶顶压力面和围带结构表面的高温燃气的有效阻隔。

可以根据冷却效果的需要调节冷气入口的大小对冷气流量进行的合理分配，使叶顶结构具有均匀温度分布。

如上所述，本发明提出的叶顶微通道冷却结构，可以减少叶顶间隙的高温燃气泄漏，可以有效冷却叶顶顶板和叶顶围带结构，在不增加冷却空气流量的前提下提高冷气的冷却效率，提高涡轮进口燃气温度，从而提高燃气涡轮的性能和工作效率，提高燃气轮机的整体性能。

Claims (8)

1.一种涡轮冷却叶片，包括叶片本体，叶片本体内具有冷却通道，叶片本体的叶顶顶板上设置有围带结构，其特征在于：所述冷却通道内靠近叶顶顶板的上部设置有由叶片本体的压力面侧延伸到吸力面侧的将冷却通道横向分为下侧的主冷却通道与上侧的微冷却通道的隔板，隔板上于吸力面侧设置有连通主冷却通道与微冷却通道的连通缺口，所述的连通缺口为沿吸力面由叶片本体的前缘延伸到尾缘的条状缺口，所述的微冷却通道内设置有分别由压力面上和吸力面上延伸出来的交错设置的将微冷却通道分割成折转相通的折转流道的肋板，设置在吸力面上的肋板将连通缺口分割为一个个独立的冷气入口，叶顶顶板上由叶片本体的前缘至尾缘布设有一个以上的与微冷却通道连通的射流孔。

2.根据权利要求1所述的涡轮冷却叶片，其特征在于：所述的压力面上由叶片本体的前缘至尾缘布设有一个以上的与微冷却通道连通的气膜孔。

3.根据权利要求2所述的涡轮冷却叶片，其特征在于：所述的叶片本体的尾缘上设置有与微冷却通道连通的微排气缝。

4.根据权利要求1或2或3所述的涡轮冷却叶片，其特征在于：所述的气膜孔的靠近叶顶顶板的孔壁部分具有斜向叶顶顶板的用于引导气流流向上方的引流面。

5.根据权利要求4所述的涡轮冷却叶片，其特征在于：所述的气膜孔为一个侧面平行于叶顶顶板的方形孔，所述引流面位于方形孔的平行于叶顶顶板的侧面上。

6.根据权利要求1所述的涡轮冷却叶片，其特征在于：微冷却通道的各个冷气入口上均设置有一端固设在隔板与吸力面的内侧面之间另一端伸入微冷却通道的调节冷气入口的大小的流量调节柱，流量调节柱伸入微冷却通道内的一端的端头上具有两个沿吸力面分别向两侧外伸的流向调节沿。

7.根据权利要求1所述的涡轮冷却叶片，其特征在于：所述的主冷却通道内设置有将主冷却通道分割成由叶片本体的前缘到尾缘的回形冷却流道的隔肋，叶片本体的尾缘上具有一个以上的与回形冷却流道连通的排气缝。

8.根据权利要求1所述的涡轮冷却叶片，其特征在于：所述的射流孔为与叶顶顶板具有夹角的斜孔。

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