CN110295956A - 一种分体式涡轮喷嘴叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种分体式涡轮喷嘴叶片，包括第一安装组件和第二安装组件，两者之间可拆卸连接有压力面组件和吸力面组件，压力面组件具有压力面，吸力面组件具有吸力面，压力面和吸力面的前端在前缘汇合，后端在后缘汇合，压力面组件和吸力面组件之间形成一空腔，空腔中设有一冷却组件，冷却组件与压力面、吸力面之间形成多个冷气通道。本发明的有益之处在于：对喷嘴叶片进行分体加工，实现传统铸造工艺无法实现的冷却通道结构，使铸造组件结构简单化，降低铸造工艺要求和生产成本；实现多材料复合应用，在降低叶片成本的基础上下满足喷嘴叶片的具体工作要求，降低维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种分体式涡轮喷嘴叶片。
背景技术
由于燃气轮机的涡轮喷嘴叶片需长时间在高温环境中工作，因此需要采用耐高温的高等级材料制造并且配备冷气在其内部进行冷却，以此保证喷嘴叶片的工作温度在材料的承受范围内。因此，涡轮喷嘴叶片的材料和冷却是保证喷嘴叶片安全性的关键。
目前，燃气轮机涡轮喷嘴叶片主要采用整体铸造的形式完成，因此，在设计过程中，需要考虑适合铸造和加工的结构形式，这将导致无法完全发挥冷气通道的结构设计和实际效果。而且对于铸造成型的叶片要求其结构不超出铸造工艺限制，这也导致铸造叶片的结构受限，不能设计太复杂的内部结构，且目前的铸造工艺在几何变化的区域常存在不可避免的缺陷，缺陷会增加生产成本。整体铸造的叶片通常只能使用一种材料，由于要保证安全性，只能选取等级较高的材料，在不必要的区域使用低等级的材料或对应性能要求的材料可降低生产成本。因此，仍存在对于实现复杂设计结构加工制造的需要：通过该系统，喷嘴叶片可实现分体加工制造，从而实现内部更加复杂且难以铸造的冷却结构形式，如双层壁结构，交错流路结构，增材制造的复杂堆叠结构等。
专利《叶片和燃气轮机》(授权公告号CN100363593C，授权公告日20080123)提出了一种流体机械中使用的叶片结构，其叶身可单独拆出前缘、尾缘，接触区域沿叶高方向间隔一些凸块，然后通过销或焊接方式连接起来。但其针对叶身部分的设计仅考虑了前缘与尾缘，并没有考虑内外缘板结构，且对叶身内部的冷却结构没有提升。专利《一种涡轮导向叶片》(授权公告号CN103184896A，授权公告日20130703)提出了一种组装式的导向叶片结构，其优势是可应用复合的材料，也可降低加工难度和提高涡轮前温承受能力。但其扇形套装部为一体成型，这将限制其芯部结构不能过于弯扭，且其内外流道的边界是与扇形套状部不完全一体的装配结构。专利《具有平台的模块化的涡轮叶片》(授权公告号CN104220700A，授权公告日20141217)提出了一种模块化的简单可靠的组装涡轮叶片。其叶身和平台是单独制造，因此可使用不同的材料，考虑不同的局部负荷，延长涡轮叶片的使用寿命。但其叶身也为一体成型的结构，且在叶身和平台之间采用装配方式需考虑高温下不同材料的热膨胀不同，且存在热气侵蚀的可能。
发明内容
针对上述缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种分体式涡轮喷嘴叶片，能够在叶片内部实现更加复杂且难以铸造的冷却结构。
本发明提供了一种分体式涡轮喷嘴叶片，包括第一安装组件和第二安装组件，两者之间可拆卸连接有压力面组件和吸力面组件，所述压力面组件具有压力面，所述吸力面组件具有吸力面，所述压力面和吸力面的前端在前缘汇合，后端在后缘汇合，所述压力面组件和吸力面组件之间形成一空腔，所述空腔中设有一冷却组件，所述冷却组件与所述压力面、吸力面之间形成多个冷气通道。
优选地，所述冷却组件沿纵向延伸，横截面呈丰字形。
优选地，所述冷却组件包括中空的翼型部，所述翼型部沿纵向延伸，外形与所述压力面、吸力面的形状相配合，且外壁上间隔地设有多个沿纵向延伸的凸出部。
优选地，所述压力面组件还包括分别设置在所述压力面两端的第一外缘板和第一內缘板，所述吸力面组件还包括分别设置在所述吸力面两端的第二外缘板和第二內缘板，所述第一外缘板、第二外缘板与所述第一安装组件之间可拆卸连接，所述第一內缘板、第二內缘板与所述第二安装组件之间可拆卸连接。
优选地，所述第一安装组件的底部、所述第二安装组件的顶部均开有多个键槽，所述第一外缘板、第二外缘板、第一內缘板和第二內缘板的外侧均设有连接部，所述连接部安装在所述键槽中。
优选地，所述连接部上开有连接孔，所述第一安装组件、第二安装组件上均开有与所述键槽相连通的销孔，销依次穿过所述销孔和连接孔。
优选地，所述第一安装组件和第二安装组件上均开有一通孔，所述第一外缘板和第二外缘板之间、所述第一內缘板和第二內缘板之间均形成一开孔，所述通孔、开孔与空腔之间互相连通。
优选地，所述压力面组件和吸力面组件均为一体成型，由耐热材料制成。
优选地，所述耐热材料为各向异性耐高温金属材料或陶瓷基复合材料。
本发明的有益之处在于：
1、对喷嘴叶片进行分体加工，实现传统铸造工艺无法实现的冷却通道结构，使铸造组件结构简单化，降低铸造工艺要求和生产成本；
2、实现多材料的复合应用，在降低叶片成本的基础上下满足喷嘴叶片的具体工作要求，在喷嘴叶片的服役过程中若出现局部损坏情况时可更换单个组件，无需更换整个喷嘴叶片，降低维护成本。
附图说明
图1是本发明涡轮喷嘴叶片的立体图；
图2是本发明涡轮喷嘴叶片的爆炸图；
图3是本发明涡轮喷嘴叶片的俯视图；
图4是本发明的一种实施例中喷嘴叶片的剖视图；
图5是本发明的另一种实施例中喷嘴叶片的剖视图；
元件标号说明：
1 压力面组件
11 压力面
12 第一外缘板
121 连接部
122 连接孔
13 第一內缘板
131 连接部
1a 开口
1b 开口
2a 开口
2 吸力面组件
21 吸力面
22 第二外缘板
221 连接部
222 连接孔
23 第二內缘板
3 冷却组件
31 翼型部
32 凸出部
4 第一安装组件
41 销孔
42 安装部
5 第二安装组件
51 销孔
52 键槽
53 通孔
54 安装部
6 销
7 前缘
8 后缘
9 空腔
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1、4和5所示，本发明提供了一种分体式涡轮喷嘴叶片，包括第一安装组件4和第二安装组件5，两者之间可拆卸连接有压力面组件1和吸力面组件2，压力面组件1具有压力面11，吸力面组件2具有吸力面21，压力面11和吸力面21的前端在前缘7汇合，后端在后缘8汇合，两者组成横截面为翼型的叶身。当然，压力面11和吸力面21不一定形成纵向上为直线的直堆叠结构，也可形成在纵向上存在弯扭的翼型结构。压力面组件1和吸力面组件2之间形成一个空腔9，空腔9中设有一个冷却组件3，冷却组件3与压力面11、吸力面21之间形成多个冷气通道。第一安装组件4和第二安装组件5的两侧均设有安装部42/54，并通过安装部42/54将喷嘴叶片安装在燃气轮机的持环上。
采用前述技术方案，本发明可对喷嘴叶片进行分体加工制造，进而将压力面组件1、吸力面组件2、第一安装组件4、第二安装组件5和冷却组件3组装成完整的喷嘴叶片。与现有技术相比，本喷嘴叶片的叶身和冷却组件3不再采用一体铸造，无需为叶身的性能牺牲冷却组件3的结构多样性，能够实现更加复杂且传统铸造无法实现的冷却结构，同时可以对复杂的冷气通道进行单独加工，降低外部压力面组件1、吸力面组件2的加工难度。此外，可按实际需求选择不同组件的加工工艺和材料，例如：与高温燃气直接接触的压力面组件1和吸力面组件2可使用高等级耐热材料，如各向异性耐高温金属材料、陶瓷基复合材料等，较优的选择为陶瓷材料，而冷却组件3和安装组件则可使用常规耐热材料，如耐高温金属材料，较优的选择为耐磨损材料，从而实现多种材料在单个部件上的复合应用，降低生产成本。在喷嘴叶片的服役过程中，若出现局部损坏时可直接更换单个组件，无需更换整个喷嘴叶片，有利于进一步降低维护成本。
如图4所示，在本发明的一个具体实施例中，冷却组件3沿纵向延伸，横截面呈弯曲的丰字形，与压力面组件1、吸力面组件2之间形成多个冷气通道。该冷却组件3不必完全贴合压力面组件1和吸力面组件2，为热变形保留必要空隙。
如图5所示，在本发明的另一个具体实施例中，冷却组件3包括中空的翼型部31，翼型部31的横截面呈翼型，沿纵向延伸，外形与压力面11、吸力面21的形状相配合，且外壁上间隔地设有多个沿纵向延伸的凸出部32，从而与压力面组件1和吸力面组件2组成双层壁冷却结构。除此之外，冷却组件3还可采用由增材制造生产的密集复杂孔道结构等形式。
如图2和图3所示，压力面组件1还包括分别设置在压力面11两端的第一外缘板12和第一內缘板13，吸力面组件2还包括分别设置在吸力面21两端的第二外缘板22和第二內缘板23，第一外缘板12、第二外缘板22与第一安装组件4之间可拆卸连接，第一內缘板13、第二內缘板23与第二安装组件5之间可拆卸连接。
在具体实施中，第一安装组件4的底部、第二安装组件5的顶部均开有多个键槽52，第一外缘板12、第二外缘板22、第一內缘板13和第二內缘板23的外侧均设有连接部121/221/131，连接部121/221/131安装在键槽52中。这里的“外侧”指的是远离冷却组件3的一侧。连接部121/221/131与键槽52之间可以采用卡接的方式连接，也可以如本发明的一个具体实施例，在连接部121/221/131上还开有连接孔122/222，第一安装组件4、第二安装组件5的侧壁上则开有与键槽相连通的销孔41/51，销6依次穿过第一安装组件4上的销孔41、第一外缘板12上的连接孔122和第二外缘板22上的连接孔222，将压力面组件1、吸力面组件2与第一安装组件4相连接；同时，销6依次穿过第二安装组件5上的销孔51、第一内缘板13上的连接孔131和第二內缘板23上的连接孔，将压力面组件1、吸力面组件2与第二安装组件5相连接，完成喷嘴叶片的组装，并通过安装部42/54将喷嘴叶片安装在燃气轮机的持环上。第一安装组件4和第二安装组件5的尺寸可以小于位于压力面组件1和吸力面组件2端部的两个组合缘板的尺寸，通过在不影响功能的情况下缩减第一安装组件4和第二安装组件5结构尺寸，降低成本。销6同样可以采用与冷却组件3、安装组件相同或类似的常规耐热材料制成。
此外，第一安装组件4和第二安装组件5的中心处均开有一通孔53，第一外缘板12靠近第二外缘板22的边缘中部开有开口1a，第二外缘板22靠近第一外缘板12的边缘中部开有开口2a，开口1a和开口2a相配合形成一个开孔。类似的，第一內缘板13上的开口1b和第二內缘板23上的开口也形成一个开孔，通孔、开孔与空腔9之间互相连通，形成供冷气进出冷却组件3的通道。
综上所述，本发明的有益之处在于：
1、对喷嘴叶片进行分体加工，实现传统铸造工艺无法实现的冷却通道结构，使铸造组件结构简单化，降低铸造工艺要求和生产成本；
2、实现多材料复合应用，在降低叶片成本的基础上下满足喷嘴叶片的具体工作要求，在喷嘴叶片的服役过程中若出现局部损坏情况时可更换单个组件，无需更换整个喷嘴叶片，降低维护成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种分体式涡轮喷嘴叶片，其特征在于，包括第一安装组件(4)和第二安装组件(5)，两者之间可拆卸连接有压力面组件(1)和吸力面组件(2)，所述压力面组件(1)具有压力面(11)，所述吸力面组件(2)具有吸力面(21)，所述压力面(11)和吸力面(21)的前端在前缘(7)汇合，后端在后缘(8)汇合，所述压力面组件(1)和吸力面组件(2)之间形成一空腔(9)，所述空腔(9)中设有一冷却组件(3)，所述冷却组件(3)与所述压力面(11)、吸力面(21)之间形成多个冷气通道。
2.根据权利要求1所述的分体式涡轮喷嘴叶片，其特征在于，所述冷却组件(3)沿纵向延伸，横截面呈丰字形。
3.根据权利要求1所述的分体式涡轮喷嘴叶片，其特征在于，所述冷却组件(3)包括中空的翼型部(31)，所述翼型部(31)沿纵向延伸，外形与所述压力面(11)、吸力面(21)的形状相配合，且外壁上间隔地设有多个沿纵向延伸的凸出部(32)。
4.根据权利要求1所述的分体式涡轮喷嘴叶片，其特征在于，所述压力面组件(1)还包括分别设置在所述压力面(11)两端的第一外缘板(12)和第一內缘板(13)，所述吸力面组件(2)还包括分别设置在所述吸力面(21)两端的第二外缘板(22)和第二內缘板(23)，所述第一外缘板(12)、第二外缘板(22)与所述第一安装组件(4)之间可拆卸连接，所述第一內缘板(13)、第二內缘板(23)与所述第二安装组件(5)之间可拆卸连接。
5.根据权利要求4所述的分体式涡轮喷嘴叶片，其特征在于，所述第一安装组件(4)的底部、所述第二安装组件(5)的顶部均开有多个键槽，所述第一外缘板(12)、第二外缘板(22)、第一內缘板(13)和第二內缘板(23)的外侧均设有连接部，所述连接部安装在所述键槽中。
6.根据权利要求5所述的分体式涡轮喷嘴叶片，其特征在于，所述连接部上开有连接孔，所述第一安装组件(4)、第二安装组件(5)上均开有与所述键槽相连通的销孔，销(6)依次穿过所述销孔和连接孔。
7.根据权利要求4所述的分体式涡轮喷嘴结构，其特征在于，所述第一安装组件(4)和第二安装组件(5)上均开有一通孔，所述第一外缘板(12)和第二外缘板(22)之间、所述第一內缘板(13)和第二內缘板(23)之间均形成一开孔，所述通孔、开孔与空腔(9)之间互相连通。
8.根据权利要求1或4所述的分体式涡轮喷嘴结构，其特征在于，所述压力面组件(1)和吸力面组件(2)均为一体成型，由耐热材料制成。
9.根据权利要求8所述的分体式涡轮喷嘴结构，其特征在于，所述耐热材料为各向异性耐高温金属材料或陶瓷基复合材料。
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