CN102588000B - 涡轮叶片前缘沉槽肋内冷结构及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮叶片前缘沉槽肋内冷结构及其方法，属于涡轮叶片的内部冷却技术领域。上述转子叶片（10）的前缘内壁面沿叶高方向具有沉槽结构，在沉槽结构内垂直叶高方向平行分布有若干弧形肋（34）；上述导向叶片（7）的前缘内壁面沿叶高方向具有沉槽结构，在沉槽结构内垂直叶高方向平行分布有若干弧形肋（34）；插件（28）上的冲击孔（29）与弧形肋（34）交错排列。本发明的结构综合应用了凹槽和肋片两项强化冷却措施，它不仅能够使叶片前缘得到更好的冷却效果，而且将冷却结构与叶片的设计融为一体，使涡轮叶片的结构更加简洁并在保证其强度的情况下有效减轻其重量。

Description

涡轮叶片前缘沉槽肋内冷结构及其方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机尤其是陆用重型燃气轮机涡轮叶片的内部冷却结构，具体而言，是一种应用于涡轮叶片前缘部位的沉槽肋内冷结构。

背景技术

燃气轮机是一种将热能转化为机械能的先进的动力机械，提高其能量转换效率的一个主要途径就是提升涡轮前燃气温度，但这也导致高温涡轮部件的工作环境日益恶化。目前先进燃气轮机的涡轮前燃气温度超过了1500℃，已经远远高于涡轮材料的熔化温度，为了保证燃气轮机安全、可靠、长期的工作，就必须对其高温涡轮部件进行有效的冷却。其中涡轮叶片的冷却至关重要，因为它直接承受着高温燃气的热冲击负荷，而且涡轮转子叶片工作在高速旋转的状态下，还受到极大的离心力作用，故此迫切需要采取更加先进的冷却技术、发明简单高效的冷却结构来降低涡轮叶片的温度水平并使其温度梯度控制在合理的范围之内。涡轮叶片的冷却技术可以分为内部对流换热和外部气膜冷却两大类。气冷涡轮叶片通常为中空结构，其内部形成冷却通道，冷却气体沿通道流动的过程中经由对流换热作用从叶片内壁面吸收热量并降低其温度。为了增强对流换热效果，叶片内壁面上常设置各种形式的湍流器，如肋片、扰流柱和凹槽/凹坑等，以增加对冷却气流的扰动。此外，还在叶片上开设不同结构和疏密程度的气膜孔，使叶片内部的冷却气体通过气膜孔覆盖于叶片的外壁面上，从而将高温燃气与叶片外壁面隔离开以减少两者间的传热。这种外部冷却技术所能得到的冷却效果显著优于内部冷却技术，已经被现代高性能燃气轮机所广为采用，但其同样存在着无法克服的几个缺点：其一是冷却气体流到叶片外部对高温燃气造成不利影响，既产生了掺混损失又降低了燃气温度，难以保证涡轮叶片原始气动型面的设计性能，从而降低了燃气轮机的热效率及其输出功的大小；其二是气冷涡轮叶片自身就是一种形状极不规则的空心薄壁零件，再在其上开设气膜孔使得制造难度大为增加，导致叶片的加工工艺复杂、成品率低、成本高；其三是气膜孔很容易被烟尘等固体颗粒物堵塞，导致叶片反因得不到足够的冷却而烧毁，使得燃气轮机不宜长时间工作于较脏的近地面大气环境中，对燃用重油、水煤浆等其它非航空燃料的陆用重型燃气轮机而言也是比较危险的，在使用过程中必须经常对涡轮叶片进行清洁和维护。基于上述原因，先进的涡轮叶片内部冷却技术在提高燃气轮机涡轮进口温度的过程中仍将发挥重要的作用，发明高效的涡轮叶片内部冷却结构非常必要。

由于涡轮叶片的前缘部位直接承受高温燃气的冲击，其热负荷最高，因此该部位冷却结构的设计始终是一个难点，但是只有叶片前缘得到了有效的冷却才有助于提高涡轮进口温度，进而提升燃气轮机的整机性能。

发明内容

为了克服燃气轮机涡轮叶片现有内部冷却技术的不足，本发明提出了一种适用于叶片前缘部位的沉槽肋内部冷却结构，该结构综合应用了凹槽和肋片两项强化冷却措施，它不仅能够使叶片前缘得到更好的冷却效果，而且将冷却结构与叶片的设计融为一体，使涡轮叶片的结构更加简洁并在保证其强度的情况下有效减轻其重量。

一种涡轮叶片的前缘沉槽肋内冷结构，该涡轮叶片的转子叶片具有蛇形通道式内部冷却结构，导向叶片具有插件冲击式内部冷却结构，插件前端具有冲击孔；其特征在于：上述转子叶片的前缘内壁面沿叶高方向具有沉槽结构，在沉槽结构内垂直叶高方向平行分布有若干弧形肋；上述导向叶片的前缘内壁面沿叶高方向具有沉槽结构，在沉槽结构内垂直叶高方向平行分布有若干弧形肋；插件上的冲击孔与弧形肋交错排列。

所述涡轮叶片的前缘沉槽肋内冷结构的前缘冷却方法，其特征在于包括以下过程：转子叶片前缘内壁面的沉槽结构使得前缘壁厚较其它部位明显减薄，减小了叶片内部冷却空气与外部高温燃气之间的距离；弧形肋保持叶片前缘在减薄之后具有足够的强度，又能加强对冷却气流的扰动、扩展其换热面积，加强了冷却效果；转子叶片前缘内壁面的沉槽结构使得前缘壁厚较其它部位明显减薄，减小了叶片内部冷却空气与外部高温燃气之间的距离；弧形肋保持叶片前缘在减薄之后具有足够的强度，又能加强对冷却气流的扰动、扩展其换热面积，加强了冷却效果；插件上的冲击孔与弧形肋交错排列，能够起到更好的冷却效果。

本发明是基于如下思路来解决其技术问题并达到设计目标的：涡轮叶片的前缘通常较其它部位的厚度更大，因为它需要承受住高温高速燃气的直接冲击，特别是对于涡轮转子叶片还必须抵抗高速旋转带来的巨大的离心力。然而传统的内部强化换热结构只是考虑了在叶片内壁面上简单的增设肋片等扰流元，叶片本身不仅没有多少改变，甚至使其壁面的厚度不减反增，导致强化换热的效果减弱。故此本发明借鉴凹槽结构的基本概念，但是将其扩展成面积较大的沉槽结构，使叶片前缘整体变薄。不可避免的，这会导致叶片前缘强度的减弱，为此可以在沉槽内设置一些肋片来起加强筋的作用，使叶片前缘仍然能够保持足够的强度，而且这些肋片也可同时起到增强换热的作用。由此最终形成了沉槽肋内部冷却结构的设计。

本发明的有益效果是：

(1)实现了冷却结构与叶片一体化的设计理念，将两者紧密的结合起来，也即是冷却结构成为了叶片本体不可缺少的组成部分，而非附属物。

(2)涡轮叶片前缘沉槽肋冷却结构较传统的内冷结构具有更好的冷却效果，能够有效降低叶片前缘的温度，加强叶片工作的安全性，延长其使用寿命，有利于进一步提高燃气轮机的涡轮进口温度。

(3)该冷却结构比较简单，使涡轮叶片易于制造加工，同时亦可减轻叶片的重量，减少耐高温合金的使用量，因而降低了其生产成本；

(4)该冷却结构在现有内冷涡轮叶片的改进设计中易于推广使用而无需作过多的调整。

应用说明：本发明既可以用于涡轮转子叶片，也可以用于涡轮导向叶片。

附图说明

图1是某燃气轮机高压涡轮部件的结构图及其中气流的流动示意图；

图2是涡轮转子叶片的四流程蛇形通道式内部冷却结构剖视图；

图3是涡轮转子叶片前缘部位沉槽肋冷却结构的设计简图；

图4是涡轮转子叶片前缘部位横截面图，即图3中的A-A剖面；

图5是涡轮导向叶片的总体造型图；

图6是涡轮导向叶片的横流式内部冷却结构局部剖视图；

图7是涡轮导向叶片的横截面图，即图6中的B-B剖面；

图8是涡轮导向叶片前缘部位沉槽肋冷却结构的设计简图；

图9是涡轮导向叶片前缘部位横截面图，即图8中的C-C剖面；

图中：1.涡轮轴线；2.封严环套；3.通气孔；4.冷却空气；5.涡轮叶栅进口；6.高温燃气；7.导向叶片；8.静叶冷气出流；9.涡轮机匣；10.转子叶片；11.动叶内冷气流；12.轮缘冷气出流；13.动叶轮毂；14.涡轮盘；15.涡轮盘腔；16.榫头引气通道；17.动叶榫头；18.动叶前缘；19.前隔板；20.中隔板；21.动叶叶顶；22.动叶尾缘；23.后隔板；24.静叶内缘板；25.静叶前缘；26.静叶外缘板；27.尾缘劈缝；28.插件；29.冲击孔；30.插件内腔；31.冲击腔；32.吸力侧冷气通道；33.压力侧冷气通道；34.弧形肋。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

图1显示出该燃气轮机高压涡轮部件的结构，导向叶片7和转子叶片10是其中的两大重要组成部分。高温燃气6通过高压涡轮部件的进口5进入叶栅通道，叶栅通道由导向叶片、转子叶片、涡轮机匣9、动叶轮毂13、静叶内缘板24和静叶外缘板26等的壁面围绕而成。导向叶片将燃气的热能转化为其动能并调整至合适的角度冲击到下游的转子叶片上，转子叶片则从燃气中提取动能高速旋转。转子叶片通过其动叶榫头17固定于涡轮盘14上，因此转子叶片带动涡轮盘绕涡轮轴线1(即燃气轮机转轴中心线)旋转。为了对高温涡轮部件进行冷却，从燃气轮机的压气机部件引出冷却空气4至涡轮部件。冷却空气分为两股，一股通过导向叶片内缘板上的开口进入叶片内部进行冷却，另一股则通过封严环套2上开设的通气孔3进入涡轮盘腔15中，在撞击到涡轮盘表面后折流向盘腔外缘并沿程冷却涡轮盘，然后大部分冷气经由动叶榫头17上设置的榫头引气通道16进入转子叶片内部并对其进行冷却，剩下的少量未进入转子叶片的轮缘冷气出流12则通过动叶轮毂13上的气膜孔流入叶栅通道与燃气掺混，籍此对动叶轮毂进行冷却。

转子叶片10采用的是常规的蛇形通道式内部冷却结构，如图2所示，叶片内腔被前隔板19、中隔板20和后隔板23三个隔板分隔成首尾贯通的四流程蛇形通道。冷却空气4通过动叶榫头17上的榫头引气通道16进入转子叶片内部，在流过蛇形通道的同时对其进行对流换热。图3和图4显示出在该转子叶片的动叶前缘18设置沉槽肋内冷结构的方法：将叶片前缘的内侧壁面整体下沉一深度h，从而使该部位的叶片壁厚较其它部位明显减薄；在所形成的前缘沉槽内设置一组等间距排列的平行的弧形肋34，肋的宽度为b、高度为e、间距为p，这样既能保持叶片前缘在减薄之后具有足够的强度，又能加强对冷却气流的扰动、扩展其换热面积。为使叶片前缘得到更好的冷却效果，应合理设定沉槽肋的结构参数：p/e的取值范围在7～15之间，肋片顶部与叶片内侧相邻壁面间的高度差δ＝e-h≥0。本实施例中沉槽肋采用的是矩形肋(即肋片的截面为矩形)，实际应用中也可采用其它的异形肋，如方形肋、梯形肋、三角形肋、半圆形肋、V形肋、斜肋和间断肋等等。

导向叶片7则采用了静叶中常见的横流式内部冷却结构，该叶片的总体造型及其内部结构分别如图5、图6和图7所示，它由内缘板24、叶身和外缘板26三部分组成，叶片内腔被插件28分隔成两部分。冷却空气4先从叶片下方的进气口流入插件内腔30，然后通过插件28上的冲击孔29喷射进插件前方的冲击腔31并撞击到静叶前缘25的内侧壁面形成冲击冷却，随后冷却气流向两侧偏转，分别流入插件28与叶片内壁面包夹而成的吸力侧冷气通道32和压力侧冷气通道33中，两股气流再次在插件后方的叶片尾缘腔体内汇合，冷却空气最后从导向叶片的尾缘劈缝27排入涡轮叶栅通道与燃气掺混。在这种内冷结构的涡轮导向叶片前缘部位也可以采用沉槽肋冷却结构，其设计方法与前述转子叶片的基本相同，如图8和图9所示，并且沉槽肋强化换热技术与冲击冷却技术的结合能够使叶片的前缘部位得到更好的冷却，但是为了使这种复合冷却结构的冷却效果达到最佳，必须特别注意弧形肋34与冲击孔29间的相对位置关系：冲击孔的中心位于两相邻肋片之间时优于冲击孔中心与肋片相对应的情况，也即是说，冲击孔与肋片按错排方式布置优于按顺排方式布置。

Claims (6)

1.一种涡轮叶片的前缘沉槽肋内冷结构，该涡轮叶片的转子叶片（10）具有蛇形通道式内部冷却结构，导向叶片（7）具有插件冲击式内部冷却结构，插件（28）前端具有冲击孔（29）；

其特征在于：

上述转子叶片（10）的前缘内壁面沿叶高方向具有沉槽结构，在沉槽结构内垂直叶高方向平行分布有若干弧形肋（34）；

上述导向叶片（7）的前缘内壁面沿叶高方向具有沉槽结构，在沉槽结构内垂直叶高方向平行分布有若干弧形肋（34）；插件（28）上的冲击孔（29）与弧形肋（34）交错排列。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片的前缘沉槽肋内冷结构，其特征在于：上述弧形肋（34）的顶部平齐于或高于叶片临近前缘其他部位的内侧壁面。

3.根据权利要求1所述的涡轮叶片的前缘沉槽肋内冷结构，其特征在于：上述弧形肋（34）之间的间距与弧形肋高度之比在7～15之间。

4.根据权利要求1所述的涡轮叶片的前缘沉槽肋内冷结构，其特征在于：上述弧形肋（34）为等间距布置。

5.根据权利要求1所述的涡轮叶片的前缘沉槽肋内冷结构，其特征在于：上述弧形肋（34）的截面形状为矩形，或方形，或梯形，或三角形，或半圆形。

6.利用权利要求1所述涡轮叶片的前缘沉槽肋内冷结构的前缘冷却方法，其特征在于包括以下过程：

转子叶片（10）前缘内壁面的沉槽结构使得前缘壁厚较其它部位明显减薄，减小了叶片内部冷却空气与外部高温燃气之间的距离；弧形肋（34）保持叶片前缘在减薄之后具有足够的强度，又能加强对冷却气流的扰动、扩展其换热面积，加强了冷却效果；

导向叶片（7）前缘内壁面的沉槽结构使得前缘壁厚较其它部位明显减薄，减小了叶片内部冷却空气与外部高温燃气之间的距离；弧形肋（34）保持叶片前缘在减薄之后具有足够的强度，又能加强对冷却气流的扰动、扩展其换热面积，加强了冷却效果；插件（28）上的冲击孔（29）与弧形肋（34）交错排列，能够起到更好的冷却效果。