CN112160796B - 燃气轮机发动机的涡轮叶片及其控制方法 - Google Patents

燃气轮机发动机的涡轮叶片及其控制方法 Download PDF

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CN112160796B CN202010918079.1A CN202010918079A CN112160796B CN 112160796 B CN112160796 B CN 112160796B CN 202010918079 A CN202010918079 A CN 202010918079A CN 112160796 B CN112160796 B CN 112160796B
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Abstract

本申请公开了一种燃气轮机发动机的涡轮叶片及其控制方法，其中，燃气轮机发动机的涡轮叶片，包括：榫头；和叶身，叶身具有包含内腔的内部冷却系统，内腔中设置有冲击套筒，以使冲击套筒与叶身内壁之间形成近壁冷却通道，冲击套筒上设有和近壁冷却通道相通的多个冲击射流孔，冲击套筒的上下两侧分别与叶身的顶端、端壁相连，且冲击套筒外壁与叶身内壁通过绕流板相连，扰流板的内部具有供冷却流体流经的狭缝。由此，利用带狭缝气膜喷射的外部冷却技术结合内部冲击冷却和带狭缝扰流板强化对流换热冷却技术，可提升气冷涡轮叶片整体换热效果，使叶片保持在较低的温度水平，保证叶片结构强度，提高叶片的使用寿命。

Description

燃气轮机发动机的涡轮叶片及其控制方法
技术领域
本申请涉及燃气轮机技术领域，特别涉及一种燃气轮机发动机的涡轮叶片及其控制方法。
背景技术
现代燃气轮机为了追求更高热效率和功率输出，涡轮的进口温度不断升高。涡轮叶片所处的工作环境温度已经远远超过材料的耐受温度，而更高的初温将会导致叶片更高的热负荷及热应力。因此，除了对叶片表面使用热障涂层外，必须采用高效的冷却设计方案以保证涡轮叶片的正常运行。相关技术中，一般是通过下述方式实现冷却：冷气通过冲击套筒上多个冲击孔，在叶片近壁冷却通道内提供冲击冷却。
然而，该冷却方式的不足在于：1)下游的冲击射流将会受到上游冲击射流所形成的横流的影响，导致下游冲击射流逐渐远离冲击耙面弯曲，不断削弱冲击射流的有效性；2)冲击射流会削弱叶片的结构强度。因此，其适用的范围受到局限，一般仅布置在动叶的前缘、静叶的弦长中部等高热负荷和低强度要求的区域，有待解决。
发明内容
本申请提供一种燃气轮机发动机的涡轮叶片及其控制方法，通过利用带狭缝气膜喷射的外部冷却技术结合内部冲击冷却和带狭缝扰流板强化对流换热冷却技术，可提升气冷涡轮叶片整体换热效果，使叶片保持在较低的温度水平，保证叶片结构强度，提高叶片的使用寿命。
本申请第一方面实施例提供一种燃气轮机发动机的涡轮叶片，包括：
榫头；和
叶身，所述叶身具有包含内腔的内部冷却系统，所述内腔中设置有冲击套筒，以使所述冲击套筒与所述叶身内壁之间形成近壁冷却通道，所述冲击套筒上设有和所述近壁冷却通道相通的多个冲击射流孔，所述冲击套筒的上下两侧分别与所述叶身的顶端、端壁7相连，且所述冲击套筒外壁与所述叶身内壁通过绕流板相连，所述扰流板的内部具有供冷却流体流经的狭缝，其中，所述狭缝由所述冲击套筒内壁向外贯通至所述叶身外壁，使冷却腔内的冷气通过所述狭缝直接流出所述叶身外壁。
可选地，所述叶顶为凹槽式叶顶，其中，所述凹槽式叶顶设置有多个除尘孔。
可选地，所述榫头为枞树型榫头。
可选地，所述叶身的尾缘采用全劈缝结构。
可选地，所述冲击套筒的冲击射流孔集中成沿叶片展向延伸的排，所述带狭缝扰流板集中成沿展向延伸的排，且与所述冲击孔排交替布置。
可选地，所述端壁、所述榫头中沿叶身展向设置与所述冷却腔相通的通孔，其中，所述通孔的数量与所述冷却腔个数相同。
可选地，所述狭缝与吸力面的切线、压力面切线之间的夹角处于为20°～160°之间，所述扰流板长宽比处于0.5～50之间，所述狭缝的长宽比处于0.5～50之间。
可选地，所述扰流板的截面设置为矩形截面、圆角矩形截面、椭圆截面、圆截面和半圆截面中的任意一项。
可选地，所述狭缝的截面设置为矩形截面、椭圆截面、圆角矩形截面、圆截面和半圆截面中的任意一项。
本申请第二方面实施例提供一种燃气轮机发动机的涡轮叶片的控制方法，包括以下步骤：
经由冷却腔引入来自压气机的冷却空气；
将所述冷却空气将分为三个部分进行流动，其中，第一部分的冷气通过所述叶顶的除尘孔排出，以形成叶顶气膜冷却；第二部分的冷气通过所述冲击射流孔排进入所述近壁冷却通道，以在对相应的叶身内壁的冲击面实施冲击冷却后，沿着所述近壁冷却通道，途径所述带狭缝扰流板，向所述尾缘劈缝流出；第三部分的冷气通过所述狭缝直接流向所述叶片的外部，并在所述叶身外壁形成气膜覆盖。
由此，燃气轮机发动机的涡轮叶片，涡轮叶片由叶身和榫头组成，叶身包含带有一个或多个内腔的内部冷却系统，冷却系统包括带有冲击孔排的冲击套筒和冲击套筒上与叶身内壁相连的带狭缝扰流板。扰流板可将近壁冷却通道划分称朝向尾缘大体沿弦向延伸的扰流冷却通道，增强冷气扰动并增大换热面积，最终达到增强换热的目的，扰流板内的狭缝可输送冷却腔内的冷气至叶身外部提供狭缝气膜冷却，抑制高温燃气与叶身外壁换热。利用带狭缝气膜喷射的外部冷却技术结合内部冲击冷却和带狭缝扰流板强化对流换热冷却技术，可提升气冷涡轮叶片整体换热效果，使叶片保持在较低的温度水平，保证叶片结构强度，提高叶片的使用寿命。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本申请实施例所提供的一种燃气轮机发动机的涡轮叶片的结构示意图；
图2为本申请一个实施例的图1中截面线1-1处截取的涡轮动叶剖面图的示意图；
图3为本申请一个实施例的图1中沿截面线2-2处截取的涡轮动叶叶身剖面图的示意图；
图4为本申请一个实施例的包含叶片内腔及气膜狭缝的动叶叶身壁面示意图；
图5为本申请一个实施例的图3中截取部分的放大图；
图6为本申请一个实施例的图1中截面线1-1处截取的涡轮动叶叶身剖面图的示意图；
图7为本申请另一个实施例的图1中截面线1-1处截取的涡轮动叶叶身剖面图；
图8为本申请一个实施例的图7中截取部分的放大图的示意图；
图9为本申请一个实施例的图5视图下的结构示意图；
图10是本申请实施例的燃气轮机发动机的涡轮叶片的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面参考附图描述本申请实施例燃气轮机发动机的涡轮叶片及其控制方法。
具体而言，图1为本申请实施例所提供的一种燃气轮机发动机的涡轮叶片的结构示意图。
如图1所示，该燃气轮机发动机的涡轮叶片3包括：榫头5和叶身8。
其中，叶身8具有包含内腔15的内部冷却系统26，内腔15中设置有冲击套筒17，以使冲击套筒17与叶身内壁14之间形成近壁冷却通道28，冲击套筒17上设有和近壁冷却通道28相通的多个冲击射流孔18，冲击套筒17的上下两侧分别与叶身的顶端(叶顶4)、端壁7相连，且冲击套筒外壁19与叶身内壁14通过绕流板21相连，扰流板的内部具有供冷却流体流经的狭缝22，其中，狭缝22由冲击套筒内壁20向外贯通至叶身外壁13，使冷却腔16内的冷气通过狭缝22直接流出叶身外壁13。
可以理解的是，如图1所示，叶片3由叶身5和榫头8组成，叶身5包含带有一个或多个内腔15的内部冷却系统26，一个或多个内腔15中布置了一个或多个冲击套筒17，冲击套筒17与叶身内壁14之间形成近壁冷却通道28。如图2～4所示，冲击套筒17上设有和近壁冷却通道28相通的若干数量的冲击射流孔18，冲击套筒17的上下两侧分别与叶身的顶端(叶顶4)、端壁7相连接。冲击套筒外壁19与叶身内壁14通过绕流板21相连接，扰流板的特征在于：扰流板内部具有供冷却流体流经的狭缝22，且狭缝22由冲击套筒内壁20向外贯通至叶身外壁13，使冷却腔16内的冷气可以通过狭缝直接流出叶身外壁13。如图2～3所示，带狭缝扰流板21可以将近壁冷却通道28划分成朝向尾缘12大体沿叶片弦向延伸的绕流冷却通道，增强冷却流体的扰动，进而增强换热。
其中，叶片冷却系统的工作方式为，来自压气机的冷却空气经由冷却腔16引入，冷却空气将分为三个部分进行流动。第一部分，冷气通过叶顶除尘孔23排出，形成叶顶气膜冷却。第二部分，冷气通过冲击射流孔排18进入近壁冷却通道28。在对相应的叶身内壁14的冲击面实施冲击冷却后，沿着近壁冷却通道28，途径带狭缝扰流板21，向尾缘劈缝24流出。第三部分，冷气通过狭缝22直接流向叶片外部，在叶身外壁13形成气膜覆盖。
可选地，在一些实施例中，叶顶4为凹槽式叶顶，其中，凹槽式叶顶设置有多个除尘孔23。
可以理解的是，叶顶4采用的是凹槽式叶顶，并布置了多个除尘孔23；凹槽式叶顶有助于减少叶顶间隙的高温燃气泄漏进而减少气动损失，同时对叶顶表面的高温及高热负荷有抑制作用。此外，冷却气流经过除尘孔23有助于对叶顶表面产生气膜覆盖，对叶顶起到热防护的作用。
本领域的技术人员应当理解，除尘孔23的命名是因为其可在工作叶片离心力的作用下起到除尘的效果。鉴于此，一般情况下涡轮动叶叶顶需布置至少一个除尘孔。需要说明，本申请选用涡轮发动机的动叶作为讨论，因此存在叶顶4及除尘孔23。但本申请的应用范围并不局限于涡轮动叶，同样适用于涡轮导叶，而导叶中将不涉及叶顶除尘孔的概念，但这并不影响本申请中所需保护的权利范围。
可选地，榫头8为枞树型榫头。
可选地，在一些实施例中，叶身5的尾缘12采用全劈缝结构。
可以理解的是，叶片榫头8采用枞树型榫头，其优点是重量轻、强度高并且对热应力不敏感，适合在高温高负荷的条件下工作。叶身5的尾缘12采用全劈缝设计，部分冷气通过近壁冷气通道28后沿着尾缘劈缝通道24流出。
如本申请中描述，本领域的技术人员应当理解，用语“展向”应当理解为大体延伸在叶根6和叶顶4之间的方向，用语“弦向”应当理解为大体以弧形延伸在叶身的前缘9和尾缘12之间的方向。
可选地，在一些实施例中，冲击套筒17的冲击射流孔18集中成沿叶片展向延伸的排，带狭缝扰流板集中成沿展向延伸的排，且与冲击孔排交替布置。
可以理解的是，冲击套筒17上的冲击射流孔18可集中成沿叶片展向延伸的排25，冲击孔排30可以布置在叶身的前缘9、叶身的弦长中部29等位置，冷气通过冲击孔排25冲击到叶片的内壁上带走其表面的热量。并且冲击套筒上具有带狭缝扰流板21，可集中成沿展向延伸的排25，与冲击孔排交替布置。冷气进入冷却腔后，一部分冷气可以经由扰流板内的狭缝22喷出，在叶身外壁13附近形成气膜保护层，减少外部高温燃气与叶身外壁13的换热。
由此，有效增强结构强度，带狭缝扰流板将冲击套筒与叶身壁面相连接，增强叶片结构强度，扩展冲击和气膜冷却的适用范围。而且，扰流板的厚度，狭缝的宽度及狭缝扰流板的位置与数量，都允许在设计中自由考虑，根据不同的工作环境进行匹配设计。
可选地，在一些实施例中，端壁、7榫头8中沿叶身展向设置与冷却腔16相通的通孔27，其中，通孔27的数量与冷却腔16个数相同。
可以理解的是，端壁7、榫头8中沿叶身展向可以设置与冷却腔16相通的通孔27，通孔27的数量与冷却腔16保持一致。在运行期间，高温燃气包围着叶片，从压气机引入的冷却空气从榫头8下部的通孔27进入，流进叶身内部各冷却腔16，向叶片提供冷却气体。
为使得本领域技术人员进一步了解本申请实施例的燃气轮机发动机的涡轮叶片。下面结合具体实施例进行详细阐述本申请实施例的带狭缝扰流板和冲击冷却系统的燃气涡轮发动机的高效冷却叶片的工作方式。
可选地，在一些实施例中，狭缝与吸力面的切线、压力面切线之间的夹角处于为20°～160°之间，扰流板长宽比处于0.5～50之间，狭缝的长宽比处于0.5～50之间。
可选地，在一些实施例中，扰流板的截面设置为矩形截面、圆角矩形截面、椭圆截面、圆截面和半圆截面中的任意一项。
由此，可以有效改善横流对下游冲击射流的影响，扰流板排列布置在冲击射流孔排之间，可以阻碍横流的发展，使得每一组冲击射流都保持较高的冲击冷却有效性。同时，扰流板的添加可以增强冷气的扰动，增加换热面积，进一步提升冷气的利用率。
可选地，在一些实施例中，狭缝的截面设置为矩形截面、椭圆截面、圆角矩形截面、圆截面和半圆截面中的任意一项。
具体而言，在运行时，高温燃气包围着叶片，来自压气机的冷却空气经由冷却腔16引入，冷却空气将分为三个部分进行流动。第一部分，冷气通过叶顶除尘孔23排出，形成叶顶气膜冷却。第二部分，冷气通过冲击射流孔排18进入近壁冷却通道28。在对相应的叶身内壁14的冲击面实施冲击冷却后，沿着近壁冷却通道28，途径带狭缝扰流板21，向尾缘劈缝24流出。第三部分，冷气通过狭缝22直接流向叶片外部，在叶身外壁13形成气膜覆盖。
图3为沿图1中的视线2-2处截取的涡轮动叶剖面图，从图中可以看出：从冲击射流孔18喷出的冷却空气在近壁冷气通道28内沿着从前缘9向至尾缘12的方向流动，流动途经狭长的扰流板21，抑制了第一排冲击孔排31和第二排冲击孔排32、第二排冲击孔排32和第三排冲击孔排33之间的横流34，增强冲击冷却的有效性。同时增大了对流换热面积，冷气绕着扰流板间上下穿梭，增强了气流的扰动，进而增强了与叶身内壁14的换热。
图4为动叶叶身壁面结构图，图中可以看出叶片内腔15和尾缘劈缝24的结构，以及在叶身压力面10的三组气膜狭缝排22和叶身吸力面11的四组气膜狭缝排22。
图5为图3中截取部分的放大图。本实施方式的扰流板21和狭缝22的截面均为矩形，狭缝的长宽比44(即狭缝长度L/狭缝宽度D)为0.5～50。扰流板长宽比48(即扰流板长度F/扰流板厚度M)为0.5～50。可根据实际工作环境调整扰流板及狭缝的尺寸。
图6为在图1中截面线1-1处截取的涡轮动叶剖面图的第二实施例。与图2相比较可以看出，冷却腔的个数可以为多个。隔板38将叶身内腔15划分成两个腔室，内部分别设有一个左冲击套筒39和右冲击套筒40。如前技术方案，冲击套筒17上设有和近壁冷却通道28相通的若干数量的冲击射流孔排30，冲击套筒外壁19与叶身内壁14通过带狭缝绕流板21相连接，且狭缝22由冲击套筒内壁20向外贯通至叶身外壁13，使冷却腔16内的冷气可以通过狭缝直接流出叶身外壁13。在运行时，冷气将通过不同的通孔27分别进入两个冲击套筒中，左冲击套筒39中的冷气将通过叶顶除尘孔23和叶身狭缝22流出，右冲击套筒40中的冷气将通过叶顶除尘孔23、叶身狭缝22及尾缘劈缝24流出。因此，本申请不局限于冷却腔的数量，形式，布置方式及位置。
图7为在图1中截面线1-1处截取的涡轮动叶剖面图的第三实施例。与图2相异处在于狭缝22与叶身内壁14所成的角度不同，图2中的狭缝22与叶身内壁14大体垂直，而图6中呈一定的角度。
图8为图6中截取部分的放大图，本申请实施方式中的狭缝22与吸力面的切线36、压力面切线37之间的夹角α(35)为20°～160°。
图9为图5视图下的结构示意图，作为本申请的一种燃气轮机发动机的高效冷却叶片进一步的优化方案，狭缝22和扰流板21的截面形状可以进行更改。扰流板21截面可以设置为圆角矩形21-3，椭圆21-2，圆，半圆等，狭缝22截面可以设置为椭圆22-2，圆角矩形22-3，圆，半圆等。可根据实际应用背景改变相应位置的形状尺寸。
根据本申请实施例提出的燃气轮机发动机的涡轮叶片，涡轮叶片由叶身和榫头组成，叶身包含带有一个或多个内腔的内部冷却系统，冷却系统包括带有冲击孔排的冲击套筒和冲击套筒上与叶身内壁相连的带狭缝扰流板。扰流板可将近壁冷却通道划分称朝向尾缘大体沿弦向延伸的扰流冷却通道，增强冷气扰动并增大换热面积，最终达到增强换热的目的，扰流板内的狭缝可输送冷却腔内的冷气至叶身外部提供狭缝气膜冷却，抑制高温燃气与叶身外壁换热。利用带狭缝气膜喷射的外部冷却技术结合内部冲击冷却和带狭缝扰流板强化对流换热冷却技术，可提升气冷涡轮叶片整体换热效果，使叶片保持在较低的温度水平，保证叶片结构强度，提高叶片的使用寿命。
其次参照附图描述根据本申请实施例提出的燃气轮机发动机的涡轮叶片的控制方法。
图10是本申请实施例的燃气轮机发动机的涡轮叶片的控制方法的流程图。
如图10所示，该燃气轮机发动机的涡轮叶片的控制方法包括以下步骤：
S1，经由冷却腔引入来自压气机的冷却空气；
S2，将冷却空气将分为三个部分进行流动，其中，第一部分的冷气通过叶顶的除尘孔排出，以形成叶顶气膜冷却；第二部分的冷气通过冲击射流孔排进入近壁冷却通道，以在对相应的叶身内壁的冲击面实施冲击冷却后，沿着近壁冷却通道，途径带狭缝扰流板，向尾缘劈缝流出；第三部分的冷气通过狭缝直接流向叶片的外部，并在叶身外壁形成气膜覆盖。
需要说明的是，前述对燃气轮机发动机的涡轮叶片实施例的解释说明也适用于该实施例的燃气轮机发动机的涡轮叶片的控制方法，此处不再赘述。
根据本申请实施例提出的燃气轮机发动机的涡轮叶片的控制方法，，涡轮叶片由叶身和榫头组成，叶身包含带有一个或多个内腔的内部冷却系统，冷却系统包括带有冲击孔排的冲击套筒和冲击套筒上与叶身内壁相连的带狭缝扰流板。扰流板可将近壁冷却通道划分称朝向尾缘大体沿弦向延伸的扰流冷却通道，增强冷气扰动并增大换热面积，最终达到增强换热的目的，扰流板内的狭缝可输送冷却腔内的冷气至叶身外部提供狭缝气膜冷却，抑制高温燃气与叶身外壁换热。利用带狭缝气膜喷射的外部冷却技术结合内部冲击冷却和带狭缝扰流板强化对流换热冷却技术，可提升气冷涡轮叶片整体换热效果，使叶片保持在较低的温度水平，保证叶片结构强度，提高叶片的使用寿命。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

Claims (10)

1.一种燃气轮机发动机的涡轮叶片，其特征在于，包括：
榫头；和
叶身，所述叶身具有包含内腔的内部冷却系统，所述内腔中设置有冲击套筒，以使所述冲击套筒与所述叶身内壁之间形成近壁冷却通道，所述冲击套筒上设有和所述近壁冷却通道相通的多个冲击射流孔，所述冲击套筒的上下两侧分别与所述叶身的顶端、端壁相连，且所述冲击套筒外壁与所述叶身内壁通过扰流板相连，所述扰流板的内部具有供冷却流体流经的狭缝，其中，所述狭缝由所述冲击套筒内壁向外贯通至所述叶身外壁，使冷却腔内的冷气通过所述狭缝直接流出所述叶身外壁。
2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，叶顶为凹槽式叶顶，其中，所述凹槽式叶顶设置有多个除尘孔。
3.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述榫头为枞树型榫头。
4.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述叶身的尾缘采用全劈缝结构。
5.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述冲击套筒的冲击射流孔集中成沿叶片展向延伸的排，带狭缝扰流板集中成沿展向延伸的排，且与冲击孔排交替布置。
6.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述端壁、所述榫头中沿叶身展向设置与所述冷却腔相通的通孔，其中，所述通孔的数量与所述冷却腔个数相同。
7.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述狭缝与吸力面的切线、压力面切线之间的夹角处于为20°～160°之间，所述扰流板长宽比处于0.5～50之间，所述狭缝的长宽比处于0.5～50之间。
8.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述扰流板的截面设置为矩形截面、圆角矩形截面、椭圆截面、圆截面和半圆截面中的任意一项。
9.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述狭缝的截面设置为矩形截面、椭圆截面、圆角矩形截面、圆截面和半圆截面中的任意一项。
10.一种上述权利要求1-9任一项所述的燃气轮机发动机的涡轮叶片的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
经由冷却腔引入来自压气机的冷却空气；
将所述冷却空气将分为三个部分进行流动，其中，第一部分的冷气通过叶顶的除尘孔排出，以形成叶顶气膜冷却；第二部分的冷气通过所述冲击射流孔排进入所述近壁冷却通道，以在对相应的叶身内壁的冲击面实施冲击冷却后，沿着所述近壁冷却通道，途径带狭缝扰流板，向尾缘劈缝流出；第三部分的冷气通过所述狭缝直接流向所述叶片的外部，并在所述叶身外壁形成气膜覆盖。
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