CN102425459B - 一种重型燃机高温涡轮双工质冷却叶片 - Google Patents

Abstract

一种重型燃机高温涡轮双工质冷却叶片，在叶片内腔自前缘到尾缘依次沿叶片径向排列第一隔板和第三隔板将叶片内腔分割成前、中、后三个独立的冷却空间，第四隔板将叶片前冷却空间分割为第一冷却腔和第二冷却腔，隔板四上等间距排列有冲击冷却孔，叶片前缘有四排交错排列的气膜冷却孔，中冷却空间的叶片内壁B上设置有等距排列的扰流肋片，第二隔板将中冷却空间分割为相通的两个第三冷却腔和第四冷却腔，后冷却空间即为第五冷却腔，第五冷却腔通过等间距的鳍状排气孔相连；本发明中冷却空间使用蒸汽闭式循环冷却，与前后冷却空间的空气冷却方式相结合，使得冷却流体在叶片各部位置均具有较高的换热系数，提高了冷却效果，提高了机组热效率。

Description

一种重型燃机高温涡轮双工质冷却叶片

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机高温涡轮冷却叶片，特别涉及一种重型燃机高温涡轮双工质冷却叶片，适用于蒸-燃联合循环的重型燃气轮机涡轮冷却叶片，应用在涡轮叶片的第一级静叶栅，满足重型燃机高温涡轮叶片冷却的需要。

背景技术

燃气轮机的热效率和功率输出随着涡轮进口温度的提高而增加，然而涡轮叶片处在高温、大负荷的恶劣环境下工作，如何保证其运行可靠性，是广大科研人员面临的一项重要工作。采用冷却工质进行有效冷却和研制新的耐高温材料(包括热障涂层材料TBC)是高温涡轮叶片热防护的两大措施。研制新的耐高温材料，一方面研制过程缓慢、研发成本高；另一方面提高涡轮燃气进口初温的能力有限。因此先进冷却技术成为涡轮叶片热防护的一种主要手段，是大力提高涡轮燃气进口温度的关键措施。

空气是涡轮叶片中应用最为广泛的一种冷却工质。近年来，随着燃气涡轮进口温度的提高，为了冷却高温部件，从压气机抽出的冷却空气量逐渐增加，这不仅消耗了压气机中的高压空气，而且冷气在叶栅流道中与主流高温燃气掺混也导致透平效率的下降，从而影响了整个系统的效率。减少冷却空气消耗量的方法有：一方面改进与发展新型结构，提高空气冷却效率；另一方面采用其它工质来代替空气作冷却工质。随着技术发展，气冷结构越来越复杂，导致制造的极大困难，其成本也越来越高。为了克服空气冷却的局限性，在研制各种新型冷却结构的同时，迫切需要采用新的冷却工质来寻求技术突破。至此，提出一种空气和蒸汽两种工质相结合的冷却方案，即高温涡轮叶片由空气冷却转向空气和蒸汽相结合的双工质冷却。

现有常用技术存在以下不足：

(1)随着涡轮前燃气温度的不断提高，特别是当涡轮前燃气温度达到1600K甚至更高，现有的空气冷却技术，一方面难以满足有效冷却的需要，容易导致涡轮叶片热疲劳损坏，另一方面需要大量的压缩空气(将超过20％)，这将严重削弱进口燃气大高温工况参数带来的收益，大大降低机组的总体效率。

(2)叶片采用单一蒸汽内部闭式循环冷却，对于高温燃气冲刷最剧烈的叶片前缘区域，叶片内部蒸汽冷却会使叶片内、外壁面存在极大的温度梯度，产生过大的热应力，必然会导致叶片大的变形与破坏。

(3)现有常用冷却技术对叶片叶弦中前部冷却较多，而对于形状细长而尖锐的叶片尾缘却没有冷却或冷却很少，而这恰恰应是重点冷却的区域。

发明内容

为了克服现有技术叶片结构复杂、冷却涡轮的空气量过多而导致燃机效率低下的不足，本发明的目的在于提供一种重型燃机高温涡轮双工质冷却叶片，结构相对简单，并且大量降低冷却空气量的条件下能够提高燃机效率，有效地降低叶片整个部位的温度，以及改善叶片温度的不均匀分布，实现叶片高效冷却与热应力的协同。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种重型燃机高温涡轮双工质冷却叶片，包括叶片外壁A和叶片内壁B，在叶片内腔自前缘到尾缘依次沿叶片径向排列第一隔板1和第三隔板3将叶片内腔分割成前、中、后三个独立的冷却空间，第四隔板4将叶片前冷却空间分割为第一冷却腔5和第二冷却腔6，第四隔板4上等间距排列有4个冲击冷却孔13，叶片前缘有四排交错排列的气膜冷却孔12，从叶片内壁B穿透至叶片外壁A，中冷却空间的叶片内壁B上设置有等距排列的扰流肋片7，第二隔板2将中冷却空间分割为相通的第三冷却腔8和第四冷却腔9，后冷却空间即为第五冷却腔10，第五冷却腔10通过等间距的鳍状排气孔11相连。

所述的扰流肋片7为矩形截面。

所述的中间冷却空间采用蒸汽内冷方式，与前后冷却空间的空气冷却方式相结合。

所述的第四隔板4在前缘内腔内中间区域，其外型是根据内腔壁面缩小而成。

所述的气膜冷却孔12在叶片的前缘附近布置，压力面和吸力面各两排，其中压力面径向排列25个，吸力面径向排列14个，气膜孔为直接1.5mm的圆孔。

所述的扰流肋片7有9排，肋间距为8mm，肋片为1mmx1mm的矩形肋片，肋角为90°。

所述的第五冷却腔10的截面为一个梯形，鳍状排气孔11沿叶片尾缘径向上依次排列27个，直径为1.6mm。

本发明的有益效果是：①由于隔板将叶片内腔分为前、中、后三个冷却空间，使得冷却流体在叶片各部位置均具有较高的换热系数，提高了冷却效果；②中冷却空间使用蒸汽闭式循环冷却，蒸汽不仅增强了叶片中间部分的换热效果，而且在很大程度上节约了压缩冷却空气量和减少了进入叶栅通道的冷却空气量，提高了机组热效率；③叶片前缘位置的气膜孔12降低了叶片前缘的温度，尾部鳍状排气孔11提高了冷却空气在靠近叶片尾缘位置的冷却效果；④冷却通道第一隔板1上排列的冲击冷却孔13对叶片前缘内壁面进行冲击冷却，可进一步降低叶片前缘温度；⑤合理协同分配双工质冷却流量的综合冷却方式，使叶片整体表面温度分布更加均匀，热应力比较小，大大增加了叶片的寿命和可靠性；⑥冷却叶片结构相对简单，具有良好的加工性和工程应用前景。

附图说明

图1为本发明冷却叶片横截面示意图。

图2为本发明冷却叶片冷却通道结构示意图。

图3为本发明冷却叶片整体外形及冷却流示意图。

图4为本发明冷却叶片剖面图。

图5为本发明底部进气口示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参照图1、图2和图4，根据气动参数，叶片外壁A的型线由叶片前缘、尾缘、压力边和吸力边四部分型线组合而成。压力边和吸力边由高阶贝塞尔曲线定义，叶片前缘、尾缘型线采用圆弧连接，连接处二阶可导。压力边和吸力边的位置都用与中弧线的相对位置来定义，中弧线采用二阶贝塞尔曲线定义。定义压力边和吸力边的高阶贝塞尔曲线，通过前缘半径控制点、尾缘半径控制点、出口边楔角控制点及中间控制点等参数来控制，而中间控制点位置通过展开因子和与轴向弦长的相对大小来控制。根据叶片外壁面型线，定义叶片壁面厚度分布函数，得到叶片内壁面型线函数，建立叶片内壁B。

一种重型燃机高温涡轮双工质冷却叶片，包括叶片外壁A和叶片内壁B，在叶片内腔自前缘到尾缘依次沿叶片径向排列第一隔板1和第三隔板3将叶片内腔分割成前、中、后三个独立的冷却空间，第四隔板4将叶片前冷却空间分割为第一冷却腔5和第二冷却腔6，隔板四4上等间距排列有4个冲击冷却孔13，冷却空气在前缘冷却腔流动时，通过冲击冷却孔13喷射出冷却空气对叶片前缘内壁B吹送冷却空气进行冷却，叶片前缘有四排交错排列的气膜冷却孔12，从叶片内壁B穿透至叶片外壁A，中冷却空间的叶片内壁B上设置有等距排列的扰流肋片7，第二隔板2将中冷却空间分割为第三冷却腔8和第四冷却腔9，后冷却空间即为第五冷却腔10，第五冷却腔10通过等间距的鳍状排气孔11相连。

所述的扰流肋片7为矩形截面。

所述的中间冷却空间采用蒸汽内冷方式，与前后冷却空间的空气冷却方式相结合。

所述的第四隔板4在前缘内腔内中间区域，其外型是根据内腔壁面缩小而成。

所述的气膜冷却孔12在叶片的前缘附近布置，压力面和吸力面各两排，其中压力面径向排列25个，吸力面径向排列14个，气膜孔为直接1.5mm的圆孔。

所述的扰流肋片7有9排，肋间距为8mm，肋片为1mmx1mm的矩形肋片，肋角为90°。

所述的第五冷却腔10的截面为一个梯形，其接近尾缘区域的下梯形边必须保证叶片具有足够的厚度，以保证叶片的结构强度，鳍状排气孔11沿叶片尾缘径向上依次排列27个，直径为1.6mm，使叶栅通道与此冷却空间相连通。

所述的叶片根部为枞树型叶根，叶根内部区域有三个冷却流体的进气通道，其截面形状大小根据叶片的三个冷却独立空间而定。

本发明的工作原理为：参照图3、图5所示，来自叶根第一空气进气口14进入的冷却空气，经前缘冷却空间内的隔板4上的冲击孔，喷射到前缘内壁面形成冲击冷却。前缘叶片上多个气膜冷却孔12在叶片前缘沿叶高方向排列，构成气膜冷却孔阵列。从气膜冷却孔12流出的冷却空气遇到主流高温燃气，折转返流紧贴着叶片外壁A边界层区域缓慢向下游流动，在叶片外壁A形成了薄薄的高温隔热层，形成覆盖前缘区域的气膜冷却。来自叶根第二空气进气口16进入的空气，先进入叶片尾缘部分的第五冷却腔10进行内部通道冷却，随后通过多个等间距的鳍状排气孔11，冷却空气经排气孔流入叶栅流道。这些鳍状排气孔11类似于柱肋扰流，影响排入冷气的流动和传热，加强叶片尾缘区域的换热，使冷却空气带走更多的热量。来自于外界的蒸汽自冷却进汽口15进入，进入第三冷却腔三8和第四冷却腔9，最后排入叶片顶部的出汽口17，形成一个隔绝于叶栅通道的闭式冷却循环通路。中间两冷却腔室的内壁面B上有多排等距排列的扰流肋片7，扰流肋片7扰乱靠近壁面的汽流，增强了冷却蒸汽的湍流混合，同时扰流肋片7不平滑的肋片结构也加大了换热面积，强化了叶片内冷通道的冷却能力。此外，可通过改变通道的形状、扰流肋片7间距大小、肋高和肋片与冷却蒸汽的角度，来进一步优化内冷通道的换热能力；图3中扰流肋片7为横向肋片，角度为90°。中间冷却空间通入蒸汽，蒸汽换热系数大，有着比空气更好的换热能力，这样很大程度上节约了来自压缩机的冷却空气，提高了机组的整体效率。

综上所述，通过本发明的冷却叶片，可以在大量减少冷却空气流量的前提下降低叶片温度，改善叶片的温度分布，提高涡轮进口燃气温度，从而提高燃气涡轮发动机的性能和工作效率。

Claims (1)

1.一种重型燃机高温涡轮双工质冷却叶片，包括叶片外壁(A)和叶片内壁(B)，其特征在于，在叶片内腔自前缘到尾缘依次沿叶片径向排列第一隔板(1)和第三隔板(3)将叶片内腔分割成前、中、后三个独立的冷却空间，第四隔板(4)将叶片前冷却空间分割为第一冷却腔(5)和第二冷却腔(6)，第四隔板(4)上等间距排列有4个冲击冷却孔(13)，叶片前缘有四排交错排列的气膜冷却孔(12)，从叶片内壁(B)穿透至叶片外壁(A)，中冷却空间的叶片内壁(B)上设置有等距排列的扰流肋片(7)，第二隔板(2)将中冷却空间分割为相通的两个第三冷却腔(8)和第四冷却腔(9)，后冷却空间即为第五冷却腔(10)，第五冷却腔(10)通过等间距的鳍状排气孔(11)相连；

所述的中间冷却空间采用蒸汽内冷方式，与前后冷却空间的空气冷却方式相结合，来自于外界的蒸汽自冷却进汽口(15)进入，进入第三冷却腔(8)和第四冷却腔(9)，最后排入叶片顶部的出汽口(17)，形成一个隔绝于叶栅通道的闭式冷却循环通路；

所述的扰流肋片(7)为矩形截面；

所述的第四隔板(4)在前缘内腔内中间区域，其外型是根据内腔壁面缩小而成；

所述的气膜冷却孔(12)在叶片的前缘附近布置，压力面和吸力面各两排，其中压力面径向排列25个，吸力面径向排列14个，气膜孔为直径1.5mm的圆孔；

所述的扰流肋片(7)有9排，肋间距为8mm，肋片为1mm x 1mm的矩形肋片，肋角为90°；

所述的第五冷却腔(10)的截面为一个梯形，鳍状排气孔(11)沿叶片尾缘径向上依次排列27个，直径为1.6mm。