CN110700896B - 具有旋流冲击冷却结构的燃气轮机涡轮转子叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有旋流冲击冷却结构的燃气轮机涡轮转子叶片，包括叶片叶根、具有叶片前缘和叶片尾缘的叶片叶型以及连接叶片叶根和叶片叶型的叶片平台；所述叶片前缘与所述冲击冷却回路的冷却通道之间具有隔层，所述隔层上开设有多个抽吸孔，所述抽吸孔内布置有至少一层旋流组件；冷却工质通过该旋流冲击冷却结构时将产生周向速度，降低射流冲击速度。在对叶片前缘内壁面造成冲击效果时，能够实现对叶片前缘的冲击冷却均匀化以及增大冲击冷却面积，有效的提高冷却效果。

Description

具有旋流冲击冷却结构的燃气轮机涡轮转子叶片
技术领域
本发明涉及燃气轮机涡轮叶片技术领域，具体涉及具有旋流冲击冷却结构的燃气轮机涡轮转子叶片。
背景技术
随着燃气轮机涡轮进口燃气温度的不断提高，涡轮高温部件所面临的热负荷环境更加恶劣。为了保证高温涡轮叶片的合理寿命，需要对其进行有效地冷却。在整个叶片结构中，叶片前缘直接受到高温燃气冲击，其表面承受巨大的热负荷，前缘腔室和相邻内部通道之间通常开设一系列抽吸孔，引出冷却工质在前缘内表面形成冲击，增强该处前缘壁面的冷却效果。而现有技术中，对叶片前缘的冷却效果分布不均匀，极易造成前缘区域较大的温度梯度和热应力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有旋流冲击冷却结构的燃气轮机涡轮转子叶片，以解决现有涡轮转子叶片的叶片前缘冷却效果差的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：具有旋流冲击冷却结构的燃气轮机涡轮转子叶片，包括叶片叶根、具有叶片前缘和叶片尾缘的叶片叶型以及连接叶片叶根和叶片叶型的叶片平台；所述叶片叶型内部分别设置有用于叶片前缘冷却的冲击冷却回路、用于叶片中部和顶部冷却的对流冷却回路以及用于叶片尾缘冷却的喷射冷却回路，且每个所述冷却回路分别具有至少一条冷却通道；
所述叶片前缘与所述冲击冷却回路的冷却通道之间具有隔层，所述隔层上开设有多个抽吸孔，所述抽吸孔内布置有至少一层旋流组件。
进一步，所述旋流组件包括至少两片旋流叶片，所述旋流叶片均布于所述抽吸孔的圆周壁面上，且以汇聚状对准抽吸孔的中轴线。
进一步，所述旋流叶片包括叶尖和叶根，所述叶根设置于抽吸孔的内壁上，所述叶尖指向抽吸孔的中轴线，且各所述旋流叶片的叶尖与所述抽吸孔的中轴线之间具有间隙。
进一步，所述旋流叶片的叶根的横截面积向叶尖的横截面积依次递减。
进一步，所述旋流叶片具有弧度，且各所述旋流叶片的弧度弯曲方向沿同一圆周方向弯曲。
进一步，各所述旋流组件设置的总高度与抽吸孔的深度之比为0.25。
进一步，所述旋流叶片为一体成型结构。
进一步，所述叶片前缘壁面设置有至少一个气膜孔。
本发明具有以下有益效果：本发明所提供的具有旋流冲击冷却结构的燃气轮机涡轮转子叶片，该旋流冲击冷却结构能够使冷却工质在通道内产生旋流并对叶片前缘内壁面造成冲击效果，实现对叶片前缘的冲击冷却均匀化以及增大冲击冷却面积，增强了冷却工质的湍流强度，增强对流换热能力，在不增加总冷却空气量的情况下，有效的强化了涡轮叶片前缘冷却效果；并且有效降低叶片前缘的局部高温和局部热应力，提供合理有效的热防护作用。
附图说明
图1为本发明中结构示意图；
图2为图1中A处局部放大示意图；
图3为本发明中旋流组件结构示意图；
图4为本发明中旋流叶片与抽吸孔配合示意图；
图1至图4中所示附图标记分别表示为：1-叶片叶根，20-叶片前缘，21-叶片尾缘，2-叶片叶型，3-叶片平台，4-隔层，5-抽吸孔，6-旋流组件，60-旋流叶片，601-叶尖，602-叶根，603-间隙。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1至图4所示，具有旋流冲击冷却结构的燃气轮机涡轮转子叶片，包括叶片叶根1、具有叶片前缘20和叶片尾缘21的叶片叶型2以及连接叶片叶根1和叶片叶型2的叶片平台3；叶片叶型2内部分别设置有用于叶片前缘20冷却的冲击冷却回路、用于叶片中部和顶部冷却的对流冷却回路以及用于叶片尾缘21冷却的喷射冷却回路，且每个所述冷却回路分别具有至少一条冷却通道。冲击冷却回路、对流冷却回路及喷射冷却回路之间互不相通，且三者分别用于对叶片前缘20的冷却、叶片中部和顶部的冷却以及对叶片尾缘21的冷却。
叶片前缘20与冲击冷却回路的冷却通道之间具有隔层4，隔层4上开设有多个抽吸孔5，抽吸孔5内布置有至少一层旋流组件6。叶片前缘20利用抽吸孔5引出冷却工质，对叶片前缘20内壁面进行冷却，冷却工质进入抽吸孔5后，在旋流组件6的作用下，使得冷却工质在通道内产生旋流并对叶片前缘20的内壁面造成冲击效果，由此形成冲击冷却的作用，并增大叶片前缘20内壁面的冷却作用，降低了局部高温和局部热应力的恶化作用。所述叶片前缘20壁面设置有至少一个气膜孔，完成冲击冷却后的冷却工质从前缘壁面的气膜孔喷出，并形成气膜覆盖在叶片前缘20外壁面，对叶片前缘20外壁面起到隔离高温燃气的效果，从而达到冷却叶片前缘20壁面的目的。
旋流组件6包括至少两片旋流叶片60，对抽吸孔5中的冷却工质起到旋流作用，该旋流叶片60为一体成型结构，通过3D打印等技术成型。旋流叶片60均布于所述抽吸孔5的圆周壁面上，且以汇聚状对准抽吸孔5的中轴线。通过旋流叶片60，使得冷却工质冲击冷却更加均匀，扩大了叶片前缘20壁面的冲击冷却面积，且通过该旋流叶片60保证了在不增加冷却工质流量的情况下，增强了冷却工质的湍流强度，增强对流换热能力。
旋流叶片60包括叶尖601和叶根602，叶根602设置于抽吸孔5的内壁上，叶尖601指向抽吸孔5的中轴线，且各旋流叶片60的叶尖601与抽吸孔5的中轴线之间具有间隙。旋流叶片60的叶根602的横截面积向叶尖601的横截面积依次递减。在冷却工质流通过程中，一部分冷却工质由旋流叶片60的叶根602向叶尖601方向流动，最后通过旋流叶片60的叶尖601流出并通过各旋流叶片60的叶尖601之间的间隙喷出，在此过程中，不仅有效的增强了冷却工质的流通速度，而且有效的强化了冷却工质流出的冲击力，进而有助于提高冷却效果。
旋流叶片60具有弧度，且各旋流叶片60的弧度弯曲方向沿同一圆周方向弯曲。通过弧度设置，有效的降低了冷却工质在旋流叶片60上的流通阻力，提高了冷却工质在抽吸孔5内经过旋流叶片60时流通的顺畅性。
各旋流组件6设置的总高度与抽吸孔5的深度之比为0.25。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.具有旋流冲击冷却结构的燃气轮机涡轮转子叶片，其特征在于，包括叶片叶根(1)、具有叶片前缘(20)和叶片尾缘(21)的叶片叶型(2)以及连接叶片叶根(1)和叶片叶型(2)的叶片平台(3)；
所述叶片叶型(2)内部分别设置有用于叶片前缘(20)冷却的冲击冷却回路、用于叶片中部和顶部冷却的蛇形通道强化对流冷却回路以及用于叶片尾缘(21)冷却的尾缘柱肋及喷射冷却回路，且每个所述冷却回路分别具有至少一条冷却通道；所述叶片前缘(20)与所述冲击冷却回路的冷却通道之间具有隔层(4)，所述隔层(4)上开设有多个抽吸孔(5)，所述抽吸孔(5)内布置有至少一层旋流组件(6)；
所述旋流组件(6)包括至少两片旋流叶片(60)，所述旋流叶片(60)均布于所述抽吸孔(5)的圆周壁面上，且以汇聚状对准抽吸孔(5)的中轴线；
所述旋流叶片(60)包括叶尖(601)和叶根(602)，所述叶根(602)设置于抽吸孔(5)的内壁上，所述叶尖(601)指向抽吸孔(5)的中轴线，且各所述旋流叶片(60)的叶尖(601)与所述抽吸孔(5)的中轴线之间具有间隙(603)；
所述旋流叶片(60)的叶根(602)的横截面积向叶尖(601)的横截面积依次递减。
2.根据权利要求1所述的具有旋流冲击冷却结构的燃气轮机涡轮转子叶片，其特征在于，所述旋流叶片(60)具有弧度，且各所述旋流叶片(60)的弧度弯曲方向沿同一圆周方向弯曲。
3.根据权利要求1所述的具有旋流冲击冷却结构的燃气轮机涡轮转子叶片，其特征在于，各所述旋流组件(6)设置的总高度与抽吸孔(5)的深度之比为0.25。
4.根据权利要求1至3任一项所述的具有旋流冲击冷却结构的燃气轮机涡轮转子叶片，其特征在于，所述旋流叶片(60)为一体成型结构。
5.根据权利要求1所述的具有旋流冲击冷却结构的燃气轮机涡轮转子叶片，其特征在于，所述叶片前缘(20)壁面设置有至少一个气膜孔。
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