CN109882247A - 一种具有通气孔内壁多通道内部冷却燃气轮机涡轮叶片 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种具有通气孔内壁多通道内部冷却燃气轮机涡轮叶片，包括上壁、下壁，上壁和下壁围成叶片主体结构，叶片主体结构里分别设置左侧壁、右侧壁，左侧壁位于叶片主体结构前缘一侧，左侧壁与叶片主体结构形成叶片前缘冲击冷却通道，右侧壁位于叶片主体结构中部，左侧壁与右侧壁之间安装横向内壁，上壁和下壁之间安装纵向内壁，纵向内壁上设置纵向内壁气孔，左侧壁上设置左侧壁气孔，尾缘冷却通道里设置隔气板，隔气板后方的上壁和下壁上设置出气孔。本发明相互交错排列的四排肋，增强了湍流度，也使得壁面各个位置压力不同，开通气孔，增大了换热面积，平衡了压差，改变其原有流动方式，加强湍流度，大大加强了换热效果。

Description

一种具有通气孔内壁多通道内部冷却燃气轮机涡轮叶片

技术领域

本发明涉及的是一种叶片，具体地说是涡轮叶片。

背景技术

燃气轮机具有质量轻、体积小、单机功率大、启动快、污染少、热效率高、经济性好等特点。由燃气轮机的简单循环方式可知，通过提高燃气初温的方式来提高比功率和性能。涡轮叶片所处的位置温度高、应力复杂、工作环境恶劣，因此涡轮叶片能否安全可靠的工作对于发动机的运行至关重要。叶片的各项性能指标成为了衡量发动机发展程度的重要指标，特别是涡轮叶片所能承受高温的能力。总之，涡轮叶片的发展水平成为了衡量一个国家燃气轮机发展水平的重要标志。

目前，燃气轮机涡轮叶片前温度早已超过其材料的承受温度。保证叶片能够安全可靠地工作，主要通过两个途径来实现，一是提高材料的耐高温性能，二是采用冷却能力更强的冷却方式来降低叶片的温度。从现有的资料来看，过去几十年，涡轮前温度平均每年提升22K，其中，70％是因为采用了更加有效地冷却方式，30％是因为部件材料耐热性能的提升和生产工艺的发展。随着冷却方式的发展，新的传热换热机理的引入，涡轮前温度将逐渐提高。

先进的燃气轮机设计是通过提高燃气初温来提高效率，在过去，是通过发展耐高温材料和冷却技术来提高燃气初温，确保涡轮材料能够在高温燃气下，满足强度要求与使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供提高燃气轮机涡轮叶片的换热性能、降低压力损失、提高综合热效率的一种具有通气孔内壁多通道内部冷却燃气轮机涡轮叶片。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种具有通气孔内壁多通道内部冷却燃气轮机涡轮叶片，其特征是：包括上壁、下壁，上壁和下壁围成叶片主体结构，叶片主体结构里分别设置左侧壁、右侧壁，左侧壁位于叶片主体结构前缘一侧，左侧壁与叶片主体结构形成叶片前缘冲击冷却通道，右侧壁位于叶片主体结构中部，左侧壁与右侧壁之间安装横向内壁，上壁和下壁之间安装纵向内壁，左侧壁、右侧壁、横向内壁以及纵向内壁将所在的叶片主体结构的内部空间围成田字型的内部冷却通道，纵向内壁上设置纵向内壁气孔，左侧壁上设置左侧壁气孔，右侧壁与叶片主体结构的尾缘部分形成尾缘冷却通道，尾缘冷却通道里设置隔气板，隔气板后方的上壁和下壁上设置出气孔。

本发明还可以包括：

1、右侧壁将叶片主体结构隔成互不透气的两部分结构，叶片主体结构的上端面为上壁，右侧壁与叶片主体结构前缘之间的上壁上开设出气口，右侧壁与叶片主体结构尾缘之间的上壁为封闭结构，叶片主体结构的下端为被右侧壁隔开的两个进气口。

2、上壁的内壁在纵向内壁的两侧分别设置第一列小肋和第二列小肋，第一列小肋的水平位置对齐第二列相邻两个肋的中心线。

3、下壁的内壁在纵向内壁的两侧分别设置第三列小肋和第四列小肋，第三列小肋的水平位置对齐第四列相邻两个肋的中心线。

4、下壁的第三列小肋在纵向方向上与上壁的第一列小肋对应，下壁的第四列小肋在纵向方向上与上壁的第二列小肋对应，第三列小肋的每个小肋在水平方向上各有一个第二列小肋的一个小肋与其同高，第四列小肋的每个小肋在水平方向上各有一个第一列小肋的一个小肋与其同高。

5、所述左侧壁气孔包括左侧壁上气孔和左侧壁下气孔，所述纵向内壁气孔包括纵向内壁上气孔和纵向内壁下气孔，左侧壁上，在第一列小肋的每个小肋上方均设置有左侧壁上气孔，左侧壁上气孔的高度位于其相邻的两个第一列小肋的小肋中心线上，左侧壁上，在第三列小肋的每个小肋上方均设置有左侧壁下气孔，左侧壁下气孔的高度位于其相邻的两个第三列小肋的小肋中心线上；在纵向内壁上，分别设置纵向内壁上气孔和纵向内壁下气孔，纵向内壁上气孔均位于上壁一侧，纵向内壁下气孔均位于下壁一侧，第一列小肋的小肋与其相邻的第二列小肋的小肋的中心线上均设置有左侧壁上气孔，第三列小肋的小肋与其相邻的第四列小肋的小肋的中心线上均设置有左侧壁下气孔。

6、横向内壁上设置横向内壁气孔，横向内壁被纵向内壁隔开，隔开的两侧的横向内壁气孔形状相同，横向内壁气孔在横向内壁上成六边形分布，即每个横向内壁气孔均为一个六边形的顶点，第一-第四列小肋的每个小肋均对应一个六边形的一个边。

本发明的优势在于：首先，多通道冷却增大了换热面积，增强换热效果。第二，相互交错排列的四排肋，破坏边界层，增强了湍流度，也造成了壁面各个位置压力不同的情况，我们利用壁面各处压力特点开通气孔，增大换热面积，平衡了压差，改变其原有流动方式，加强湍流度，大大加强了换热效果。第三，利用此结构产生的壁面压力分布特点，在分隔冲击冷却通道和此发明的“田”字冷却通道的壁面开孔，有效增强了冲击冷却的效果。相对原始的使用单层冷却通道的叶片，更有效的提高换热性能。

附图说明

图1为本发明的横向剖面图；

图2为C-C剖面图；

图3为D-D剖面图；

图4为B-B剖面图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-4，本发明一种具有通气孔内壁多通道内部冷却燃气轮机涡轮叶片，包括由上壁1、下壁2、左侧壁4、右侧壁3、纵向内壁5、横向内壁6围成的“田”字型的内部冷却通道。整个通道位于叶片前半部分。上壁1为叶片的吸力面，下壁2为叶片压力面，左侧壁4与前缘冲击冷却通道相邻，右侧壁3与尾缘冷却通道相邻。

上壁1内侧带有等间距纵向交错排列的两排小肋10、11，分别位于两个通道，右侧每个肋11水平位置对齐左侧每相邻两个肋10的间距中心点。

下壁2内侧带有等间距纵向交错排列的两排小肋12、13的特征与要求2中相同。并且下壁中的肋12水平位置对齐于上壁中的肋10中两相邻肋间距中心点；下壁中的肋13水平位置对齐于上壁中的肋11中两相邻肋间距中心点。使得肋10、11、12、13中每相邻的两排肋都相互交错排列。

右侧壁3分隔右侧尾缘通道和左侧此发明的“田”字型通道，为一平壁，无任何开孔。

左侧壁4上有两排纵向交错等间距排列的圆柱形通气孔7，其分别靠近上下壁面1、2，并仅稍高于肋10、12。两排气孔7圆心的水平位置分别对齐于靠近气孔的一排肋10、12中相邻两肋间距的中心点。使得两排气孔7纵向交错等间距排列。

纵向内壁5上有两排纵向对称等间距排列的圆柱形通气孔8，其分别靠近上下壁面1、2，并仅稍高于肋10、12。气孔8圆心的水平位置对齐于肋10、11中纵向距离最相近的两肋的纵向间距的中心点。使得两排气孔8纵向对称等间距排列。

横向内壁6上开有圆柱形通气孔9。其位置可看成左右相同的两组，由纵向内壁分隔开，其中一组通孔圆心位置可看成是纵向排列的正六边形的顶点位置。每个肋10、11、12、13的水平方向都对齐一组圆心水平距离相聚较远的两个通孔9，也就是都对应着正六边形中间距的一对点9。这使得肋10、11、12、13的位置确定了每个通孔9的位置，且通孔必须在纵向壁的内侧。通孔9以此尺寸布满横向内壁6。

该结构是一个由特殊设计的壁面围成的“田”字型的的并行通道。该冷却结构位于涡轮叶片的前半部分，上下面分别是叶片的吸力面和压力面，其中的一个侧面与叶片前缘冲击冷却通道相邻，另一侧与尾缘通道相邻。与冲击冷却通道相邻的壁面和将四个通道分隔开的内壁面上都具有特殊设计的圆柱形通气孔；上下壁面的内侧都带有“相互交错”的突出肋。

上壁内侧带有等间距纵向交错排列的两排小肋，分别位于两个通道，右侧每个肋，水平位置对齐左侧每相邻两个肋的间距中心点。肋的间距和个数与叶片尺寸有关，存在一个最佳关系。

下壁的两排肋的位置关系与上壁相同，此外下壁中的肋水平位置对齐于上壁中每排肋中两相邻肋间距中心点，使得四排肋中每相邻的两排肋都相互交错排列。肋的间距和个数与叶片尺寸有关，存在一个最佳关系。

右侧壁分隔右侧尾缘通道和左侧的“田”字型通道，为一平壁，上无任何开孔。

左侧壁上有两排纵向交错等间距排列的圆柱形通气孔，其分别靠近上下壁面，并仅稍高于肋。气孔圆心的水平位置对齐于靠近气孔的一排肋中相邻两肋间距的中心点，两排气孔纵向交错等间距排列，位置由肋决定。

纵向内壁上有两排纵向对称等间距排列的圆柱形通气孔，其分别靠近上下壁面，并仅稍高于肋。气孔圆心的水平位置对齐于左右两排肋中纵向距离最相近的两肋的纵向间距的中心点。使得两排气孔纵向对称等间距排列，位置由肋决定。

横向内壁上开有圆柱形通气孔。其位置可看成左右相同的两组，由纵向内壁分隔开，其中一组通孔圆心位置可看成是纵向排列的正六边形的顶点位置。四排肋每个肋的水平方向都对齐一组圆心水平距离相聚较远的两个通孔，也就是都对应着正六边形中间距的一对点9。这使得肋的位置确定了每个通孔的位置，且通孔必须在纵向壁的内侧。通孔以此尺寸布满横向内壁。

本发明可以用于涡轮转子叶片，也可以用于涡轮导向叶片。

图1显示出涡轮叶片冷却结构的横向截面图，具有通气孔内壁的多通道内部冷却结构位于叶片的前半部分，冷却通道呈“田”字形。上下面分别是叶片的压力面和吸力面，其中的左侧面与叶片前缘冲击冷却通道相邻，另一侧与尾缘通道相邻，叶片各结构通过熔模铸造的方式固定连接。

图2显示的是涡轮叶片C处纵向的剖面图，涡轮叶片叶根榫头与涡轮盘相连，叶片前半部分为“田”字冷却通道和前端为冲击冷却结构，一部分气流通过“田”字通道左侧壁的冲击孔进入冲击腔；尾缘区域是柱肋冷却结构。冷却气流由叶根部进入，冷却气体流入叶片前半部，尾缘区域。流入前半部的气体从叶片顶端流出，流入尾缘的气体从尾缘狭缝流出。

图3显示的是涡轮叶片D处纵向的剖面图，结合图1和图2，在上下壁的内侧有纵向等间距排列的四排肋分别分布在“田”字通道的四个并行小通道内。这四排肋中每相邻的两排肋互相交错，气流通过“田”字通道时经过肋的扰动增大了湍流度。若所有内壁无任何通气孔，每个小通道内的气流的流线将类似于波浪状，则使得每排肋水平位置正对着的横向内壁处压力增大，而每排肋中两相邻肋间距中点所对着的横向内壁处压力较小。

图4显示的是涡轮叶片B处纵向的剖面图，并结合图2和图3。

“田”字通道的横向内壁开了圆柱形通气孔，其位置可看成左右相同的两组，由纵向内壁分隔开，其中一组通孔圆心位置可看成是纵向排列的正六边形的顶点位置。四排肋每个肋的水平方向都对齐一组圆心水平距离相聚较远的两个通孔，也就是都对应着正六边形中间距的一对点。在原本无孔时排肋水平位置正对着的横向内壁处压力大的地方开两个距离较远的孔，由于交错肋的存在，形成压力差，冷却气体由肋对着的孔从一个通道进入另一个通道，使两个通道联通。六边型位置的两个小孔，此时起到了平衡压强，加强换热效果。

结合图2和图3，在开孔之后，压力分布截然不同，左侧壁在压力较大的靠近气孔的一排肋中相邻两肋间距的中心点处，开有两排纵向交错等间距排列的圆柱形通气孔，其分别靠近上下壁面，并仅稍高于肋。气冷却气体通过此孔，冲击叶片前缘，由于此孔处压差较大，所以换热效果好。

结合图2和图3，“田”字通道的纵内壁开了圆柱形通气孔，其分别靠近上下壁面，并仅稍高于肋。气孔圆心的水平位置对齐于左右两排肋中纵向距离最相近的两肋的纵向间距的中心点。由于交错肋的存在，并且一侧通道的气体流向了冲击冷却通道，左右两排肋中纵向距离最相近的两肋的纵向间距的中心点产生压差。冷却气体通过此处的通气孔可以平衡压强，加强换热效果。

Claims (8)

1.一种具有通气孔内壁多通道内部冷却燃气轮机涡轮叶片，其特征是：包括上壁、下壁，上壁和下壁围成叶片主体结构，叶片主体结构里分别设置左侧壁、右侧壁，左侧壁位于叶片主体结构前缘一侧，左侧壁与叶片主体结构形成叶片前缘冲击冷却通道，右侧壁位于叶片主体结构中部，左侧壁与右侧壁之间安装横向内壁，上壁和下壁之间安装纵向内壁，左侧壁、右侧壁、横向内壁以及纵向内壁将所在的叶片主体结构的内部空间围成田字型的内部冷却通道，纵向内壁上设置纵向内壁气孔，左侧壁上设置左侧壁气孔，右侧壁与叶片主体结构的尾缘部分形成尾缘冷却通道，尾缘冷却通道里设置隔气板，隔气板后方的上壁和下壁上设置出气孔。

2.根据权利要求1所述的一种具有通气孔内壁多通道内部冷却燃气轮机涡轮叶片，其特征是：右侧壁将叶片主体结构隔成互不透气的两部分结构，叶片主体结构的上端面为上壁，右侧壁与叶片主体结构前缘之间的上壁上开设出气口，右侧壁与叶片主体结构尾缘之间的上壁为封闭结构，叶片主体结构的下端为被右侧壁隔开的两个进气口。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有通气孔内壁多通道内部冷却燃气轮机涡轮叶片，其特征是：上壁的内壁在纵向内壁的两侧分别设置第一列小肋和第二列小肋，第一列小肋的水平位置对齐第二列相邻两个肋的中心线。

4.根据权利要求1或2所述的一种具有通气孔内壁多通道内部冷却燃气轮机涡轮叶片，其特征是：下壁的内壁在纵向内壁的两侧分别设置第三列小肋和第四列小肋，第三列小肋的水平位置对齐第四列相邻两个肋的中心线。

5.根据权利要求3所述的一种具有通气孔内壁多通道内部冷却燃气轮机涡轮叶片，其特征是：下壁的内壁在纵向内壁的两侧分别设置第三列小肋和第四列小肋，第三列小肋的水平位置对齐第四列相邻两个肋的中心线。

6.根据权利要求5所述的一种具有通气孔内壁多通道内部冷却燃气轮机涡轮叶片，其特征是：下壁的第三列小肋在纵向方向上与上壁的第一列小肋对应，下壁的第四列小肋在纵向方向上与上壁的第二列小肋对应，第三列小肋的每个小肋在水平方向上各有一个第二列小肋的一个小肋与其同高，第四列小肋的每个小肋在水平方向上各有一个第一列小肋的一个小肋与其同高。

7.根据权利要求6所述的一种具有通气孔内壁多通道内部冷却燃气轮机涡轮叶片，其特征是：所述左侧壁气孔包括左侧壁上气孔和左侧壁下气孔，所述纵向内壁气孔包括纵向内壁上气孔和纵向内壁下气孔，左侧壁上，在第一列小肋的每个小肋上方均设置有左侧壁上气孔，左侧壁上气孔的高度位于其相邻的两个第一列小肋的小肋中心线上，左侧壁上，在第三列小肋的每个小肋上方均设置有左侧壁下气孔，左侧壁下气孔的高度位于其相邻的两个第三列小肋的小肋中心线上；在纵向内壁上，分别设置纵向内壁上气孔和纵向内壁下气孔，纵向内壁上气孔均位于上壁一侧，纵向内壁下气孔均位于下壁一侧，第一列小肋的小肋与其相邻的第二列小肋的小肋的中心线上均设置有左侧壁上气孔，第三列小肋的小肋与其相邻的第四列小肋的小肋的中心线上均设置有左侧壁下气孔。

8.根据权利要求7所述的一种具有通气孔内壁多通道内部冷却燃气轮机涡轮叶片，其特征是：横向内壁上设置横向内壁气孔，横向内壁被纵向内壁隔开，隔开的两侧的横向内壁气孔形状相同，横向内壁气孔在横向内壁上成六边形分布，即每个横向内壁气孔均为一个六边形的顶点，第一-第四列小肋的每个小肋均对应一个六边形的一个边。