CN110410158A - 一种燃气轮机的涡轮转子叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃气轮机的涡轮转子叶片，包括叶片叶型、叶片平台、叶顶和叶根，叶片内部有冷却空气通道回路，回路中装有冷却空气通道和冷却空气通道入口，冷却空气通道内装有肋；叶片表面由压力面和吸力面分为叶片前缘和叶片尾缘。叶片尾缘含有尾缘排气槽缝，尾缘通道中含有导流槽结构，导流槽结构中至少有一个扰流柱；叶片叶根冷却空气通道被分隔板分隔成至少两个通道，该分隔板沿气流方向逐渐向叶片前缘一侧弯曲。本发明能够提升叶片内部前缘通道、尾缘排气槽缝与冷却空气的换热效果，降低靠近叶片平台的前缘金属温度和尾缘以及尾缘附近平台和叶根的金属温度。

Description

一种燃气轮机的涡轮转子叶片

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机的涡轮转子叶片，尤其是带多个冷却回路、强化叶片冷却效果的转子冷却叶片。

背景技术

燃气轮机效率的提升关键之一是提高涡轮前进气温度，但是用于制造涡轮叶片的高温合金材料的高温力学性能提升幅度不能紧跟涡轮前燃气温度提升的步伐，因此世界各燃机厂商在不显著提升冷却空气用量的前提下不断改进叶片冷却结构提升冷却效率。世界主流燃气轮机涡轮转子叶片内部冷却结构采用多通道带回路形式，冷却空气经通道回路与叶片金属换热后从叶片尾缘排出，使叶片金属温度保持在合理水平。

涡轮转子叶片前缘外表面滞止区域气体温度较高，靠近叶片平台的前缘区域由于应力较大且在高温环境下工作容易出现蠕变疲劳失效。

对于冷却空气经通道回路从叶片尾缘排出的涡轮转子叶片，冷却空气沿程流动时与金属壁面对流换热，因此冷却空气温度逐渐上升。当冷却空气流动至尾缘通道时，由于自身温度较高，难以有效冷却叶片尾缘，导致叶片尾缘以及靠近尾缘的叶根和平台区域金属温度超过合理水平。

现有专利CN201991570U公开了一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其包括叶片叶根、叶片平台和叶片叶型。在叶片内部，包括用于叶片前缘区域冷却的冲击冷却回路、用于叶片尾缘区域冷却的尾缘柱肋及喷射冷却回路、用于叶片中部区域及叶片顶部区域冷却的蛇形通道强化对流冷却回路；在所述蛇形通道强化对流冷却回路中，靠近叶片叶根的至少一个弯头所在区域内，设置至少一个导流片结构；在具有至少一个导流片结构的所述弯头的壁上设有至少一个通孔。所述至少一个导流片结构及所述至少一个通孔对该强化对流冷却回路而言，能有效降低该冷却回路中的压力损失，同时能有效的强化所述至少一个弯头所在区域以后蛇形通道强化对流冷却回路中的冷却效果。但叶片前缘气体温度较高，容易使前缘区域容易出现蠕变疲劳失效。

现有专利CN107559048A公开了一种用于中低热值重型燃气轮机发动机的转子叶片，它涉及一种转子叶片。本发明为了解决现有的转子叶片的叶顶区域，由于冷却系统未能提供足够的冷却空气到达该位置，长时间地运转使其出现热疲劳，甚至会出现叶尖顶部氧化现象进而产生蠕变损坏的问题。本发明的榫部榫接在平台部上,叶身和叶片叶尖安装在平台部上；吸力侧和压力侧在尾缘处形成一U型劈缝；吸力侧上端壁和压力侧上端壁在叶顶前缘处连接，吸力侧上端壁和压力侧上端壁分别沿着吸力侧和压力侧向尾缘延伸，直至延伸到尾缘U型劈缝处，冷气导流槽由吸力侧上端壁和压力侧上端壁围合而成并向后延伸至叶身的尾部，第一盖板和第二盖板盖装在冷气导流槽上。本发明用于燃气轮机发动机转子叶片降温，但未能有效解决叶片前缘和尾缘的散热问题。

现有专利CN203939528U提供了一种提高燃气轮机气动性能的带叶顶叶栅结构的转子叶片，其目的是为了适应高性能叶轮机械发展的要求，通过对叶轮机械的转子叶片顶部几何结构进行处理，提高转子叶片的气动性能和稳定工作范围，最终提高叶轮机械的工作效率和稳定裕度。具体是通过在叶片顶端结构进行外形叶栅化，从而减小转子通道内的流动损失，提出一种既降低叶轮损失、改善其气动性能，又不会给结构设计和加工带来难度的叶顶叶栅结构。该转子叶片结构包括装配凸台，装配凸台的上面设有转子叶片；下面设有榫头。上述转子叶片的叶顶上设有叶顶叶栅，叶顶叶栅由至少三个叶片分布而成。上述榫头的底部加工有固定销槽。本实用新型的叶顶叶栅结构效果明显且利于加工，与现有叶轮机械有很好的融合性，具有良好的应用前景。本实用新型通过改变转子叶片顶部的结构提高转子叶片的气动性能和稳定工作范围，但仍然未能有效解决叶片前缘和尾缘的散热问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于燃气轮机涡轮转子叶片，该叶片能够提升叶片内部前缘通道、尾缘排气槽缝与冷却空气的换热效果，使叶片在不提升冷却空气用量和供气压力的前提下，降低靠近叶片平台的前缘金属温度提升其蠕变寿命，同时降低尾缘以及尾缘附近平台和叶根的金属温度，使该区域金属温度处于合理水平。

本发明内容的技术方案如下：

一种燃气轮机的涡轮转子叶片，叶片包括叶片叶型、叶片叶根、叶顶以及叶片平台，叶片叶型和叶片叶根通过叶片平台连接。

所述叶片叶型外表面由压力面和吸力面构成，叶型外表面凹陷一侧为压力面，凸起一侧为吸力面，吸力面和压力面的交接区域形成叶片前缘和尾缘；叶片叶型内部至少有一个冷却空气通道回路，每个回路至少有一个冷却空气通道和一个冷却空气通道入口，相邻两个冷却空气通道由U形或倒U型通道联通，至少有一个冷却空气通道有肋，肋与叶片平台之间的夹角为30°-60°；叶片尾缘至少含有一个尾缘排气槽缝，尾缘通道中从叶片平台到叶顶之间至少有一列及以上的扰流柱，尾缘通道中含有导流槽结构，导流槽中有扰流柱，扰流柱数量会根据空间容量而定，数量一般为1-3个，但也可能出现有更多扰流柱；叶片叶根冷却空气通道被分隔板分隔成至少两个通道，该分隔板沿气流方向逐渐向叶片前缘一侧弯曲，分隔板弯曲部分与叶片平台的夹角为30°-70°；叶顶至少有一个孔与冷却空气通道回路联通。

尾缘通道和离其最近的一条冷却回路通道被冲击冷却孔板隔开，冲击冷却孔板上至少有一个孔。

叶片叶型从叶片平台到叶顶，轴向弦长逐渐减小，目的在于减小离心力，增加叶片的使用寿命。

尾缘排气槽缝结构的通道面积为先收缩后扩张，形状可以是矩形、正方形、圆形、椭圆形、菱形、三角形中的一种，但也可以有其他形状。

分隔板厚度与叶根冷却空气通道入口宽度的比值范围为0.2-0.8，分隔板数量为1-3个。

导流槽结构底部低于叶片尾缘平台，且导流槽结构中扰流柱的数量可以变化，扰流柱的形状可以是圆形、椭圆形、水滴形、菱形中的一种，但也可以是其他形状。

本发明具有以下优点及突出性效果：所述分隔板引导叶根通道2A中的冷却空气流向回路第1通道中靠近叶根平台的前缘，提升该区域的冷却空气换热效果从而降低金属温度，提高前缘该区域蠕变寿命；所述尾缘通道中含有导流槽结构，导流槽结构中至少有一个扰流柱，通过扰流柱来提升导流槽结构中冷却空气与金属壁面的对流换热效果并增大换热面积，同时扰流柱可以引导孔排出的冷却空气进入导流槽结来冷却尾缘附近叶片平台和叶根。所述尾缘含有尾缘排气槽缝，该槽缝结构的通道面积为先收缩后扩张。冷却空气进入槽缝后加速至当地音速以上，冷却空气流速的提高以及超音速产生的激波对流体边界层的扰动提升了尾缘排气槽缝中冷却空气与金属壁面的对流换热效果，从而有效降低叶片尾缘的金属温度。

附图说明

图1是燃气轮机涡轮转子叶片的纵向剖视图；

图2是图1的D-D剖视图；

图3是图1的C-C剖视图；

图4是图1的P局部放大图；

图5是图1的N局部放大图；

图6是尾缘排气槽缝马赫数分布图；

其中：1是叶片叶型；2A是叶根通道1；2B是叶根通道2；3是叶根；4是叶根通道分隔板；5是叶片平台；5E是叶片前缘平台；5F是叶片尾缘平台；6是叶片前缘；7是回路第1通道；8是回路第2通道；9G是回路第1和2通道之间分隔板；9H是回路第2和3通道之间分隔板；10是肋；11是回路第3通道；12J是冲击冷却孔板；12K是冲击冷却孔板的孔；13是扰流柱；14是尾缘排气槽缝；15是叶片尾缘；16是导流槽结构；17L是叶顶1号孔；17M是叶顶2号孔；18是叶顶；19是尾缘通道；20是倒U形通道；21是U形通道，虚线箭头表示气流方向。

具体实施方式

现在结合具体实施例对本发明作进一步说明。

图1是燃气轮机涡轮转子叶片的纵向剖视图，图2是图1的D-D剖视图。如图1、图2所示，叶片主要分成叶型1、叶根3、叶片平台5三部分，叶片平台5起到连接叶型1和叶根3的作用。

叶片叶型外表面由压力面和吸力面构成，叶型外表面凹陷一侧为压力面，凸起一侧为吸力面，吸力面和压力面的交接区域形成叶片前缘6和叶片尾缘15；叶片叶型1内部至少有一个冷却空气通道回路，每个回路至少有一个冷却空气通道和一个冷却空气通道入口，至少有一个冷却空气通道有肋10；相邻两个冷却空气通道由U形或倒U型通道联通；叶片尾缘15至少含有一个尾缘排气槽缝14，尾缘通道19中从叶片平台5到叶顶18之间至少有一列及以上的扰流柱13，尾缘通道19中含有导流槽结构16，导流槽结构16中至少有一个扰流柱13；叶片叶根3冷却空气通道被分隔板4分隔成至少两个通道2A和2B，该分隔板4沿气流方向逐渐向叶片前缘6一侧弯曲；叶顶18至少有一个孔与冷却空气通道回路联通。

冷却空气经叶根通道2A和2B汇聚至回路第1通道7。回路第1通道7中的冷却空气与金属壁面进行对流换热后经过倒U形通道20进入回路第2通道8，同时回路第1通道7中有部分冷却空气在经过倒U形通道20时从叶顶孔17L流出，用于冷却叶顶18和除尘。来自倒U形通道20的冷却空气进入回路第2通道8后与金属壁面进行对流换热后经过U形通道21进入回路第3通道11。冷却回路中，至少有一个通道带有一定倾斜角度的肋10，肋10起到强化冷却空气与叶片通道金属对流换热并增加换热面积的作用。回路第3通道11中部分冷却空气从冲击冷却孔板12J的孔12K流入尾缘通道19，尾缘通道19中的冷却空气与金属壁面以及扰流柱13对流换热。尾缘通道19中的冷却空气进入尾缘排气槽缝14，该槽缝的结构特点为通道面积先收缩后扩展，冷却空气与槽缝金属壁面进行对流换热来冷却叶片尾缘15之后排入叶片外部主流燃气中。叶顶18至少有一个孔17M与回路第3通道或尾缘通道19联通，从孔17M流出的冷却空气用于冷却叶顶18和除尘。

图3是图1叶根位置的的C-C剖视图。叶根通道分隔板4将叶根3内部通道分隔成通道2A和2B，目的是冷却叶根3，该结构相比单通道结构增大了对流换热面积并且使叶根3的金属温度场更加均匀。

是图1的P局部放大图。叶根通道分隔板4沿气流方向逐渐向叶片前缘6一侧弯曲，该结构用于引导叶根通道2A中的冷却空气流向回路第1通道7中靠近叶根平台5E的前缘6，目的是提升该区域的冷却换热效果降低金属温度从而提升叶片前缘6该区域的蠕变寿命。

图5是图1的N局部放大图。回路第3通道中部份冷却空气从冲击冷却孔板12J的孔12K进入尾缘通道19，并冲击与孔12K相对的扰流柱13，提升冷却空气在扰流柱表面的换热效果，此外扰流柱13是用于扰动流场从而提升对流换热效果，同时增加换热面积。尾缘通道19中的导流槽结构16其底部低于叶片尾缘平台15F，导流槽结构16中至少有一个扰流柱13，通过扰流柱13来提升导流槽结构中冷却空气与金属壁面的对流换热并增大换热面积，同时扰流柱13可以引导孔12K排出的冷却空气进入导流槽16来冷却尾缘附近叶片平台5和叶根3。

图6是尾缘排气槽缝马赫数分布图。尾缘通道19中冷却空气进入尾缘排气槽缝15，由于尾缘排气槽缝15通道面积为先收缩后扩展的结构，因此冷却空气在槽缝15中加速至当地音速以上，冷却空气流速的提高以及超音速产生的激波对流体边界层的扰动提升了尾缘排气槽缝15中冷却空气与金属壁面的对流换热效果，从而有效降低叶片尾缘15的金属温度。

以上仅为本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于：包括叶片叶型、叶片叶根、叶顶以及叶片平台，叶片叶型和叶片叶根通过叶片平台连接；叶片叶型外表面由压力面和吸力面构成，所述吸力面位于叶型外表面凹陷一侧，所述压力面为凸起一侧，吸力面和压力面的交汇处叶片较厚的一端为叶片前缘，另一端为叶片尾缘；叶片叶型内部至少有一个冷却空气通道回路，每个回路至少有一个冷却空气通道和一个冷却空气通道入口，至少有一个冷却空气通道有肋；所述叶片尾缘至少含有一个尾缘排气槽缝，叶片尾缘内有尾缘通道，尾缘通道中从叶片平台到叶顶之间至少有一列及以上的扰流柱；尾缘通道中含有导流槽结构，导流槽结构中至少有一个扰流柱；叶片叶根冷却空气通道被分隔板分隔成至少两个通道，该分隔板沿气流方向逐渐向叶片前缘一侧弯曲。

2.如权利要求1所述的一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于：相邻两个冷却空气通道由U形通道联通。

3.如权利要求1所述的一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于：肋与叶片平台之间的夹角为30°-60°。

4.如权利要求1所述的一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于：尾缘通道和离尾缘通道最近的一条冷却空气通道被冲击冷却孔板隔开，所述冲击冷却孔板上至少有一个孔。

5.如权利要求1所述的一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于：叶片叶型从叶片平台到叶顶，轴向弦长逐渐减小。

6.如权利要求1所述的一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于：所述尾缘排气槽缝结构的通道面积为先收缩后扩张，槽缝形状可以是矩形、正方形、圆形、椭圆、菱形、三角形中的一种。

7.如权利要求1所述的一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于：分隔板顶部向前缘一侧弯曲，分隔板弯曲部分与叶片平台之间的夹角为30-70°，分隔板厚度与叶根冷却空气通道入口宽度的比值范围为0.2-0.8，分隔板数量为1-3个。

8.如权利要求1所述的一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于：导流槽结构底部低于叶片尾缘平台，导流槽内部扰流柱数量为1-3个。

9.如权利要求8所述的一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于：扰流柱的形状是圆形、椭圆形、水滴形、菱形中的一种。

10.如权利要求1所述的一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于：叶顶至少有一个孔与冷却空气通道回路联通。