CN112302728A - 燃气透平叶片及其凹槽叶顶 - Google Patents

Abstract

一种燃气透平叶片凹槽叶顶，凹槽叶顶由至少2段肋片组成，从压力侧壁至叶片前缘经吸力侧壁向叶片尾缘是非连续的，具有至少2个开口，包括至少1个高能燃气入口与至少1个低能燃气出口；高能燃气入口设置在叶片上游位置，高能燃气入口的附近开设有气膜冷却孔，高能燃气通过高能燃气入口流入凹槽间隙，冷却气流通过气膜冷却孔流入叶顶凹槽，冷却气流隔离高能燃气与叶顶凹槽内壁面间的接触；低能燃气出口设置在叶片下游位置，用于排出凹槽间隙内的低能燃气。本发明还提供一种应用所述凹槽叶顶的燃气透平叶片。本发明能够控制叶顶泄漏流动，减少高温燃气进入叶顶凹槽间隙。

Description

燃气透平叶片及其凹槽叶顶

技术领域

本发明涉及燃气透平，具体涉及一种燃气透平叶片及其凹槽叶顶。

背景技术

燃气透平叶顶间隙流动结构复杂，间隙泄漏导致叶片顶部区域的做功能力降低，叶顶泄漏的低能流体与主流进行掺混，增加了流道内的堵塞面积，气动损失进一步增加。

透平叶顶间隙引起的流动损失是透平叶栅中气动损失的重要组成部分，能够占到透平单级总损失的30％。因此，控制叶顶间隙流动是燃气透平叶顶结构设计的关键。

设置凹槽叶顶是一种常见的控制透平泄漏流动的手段。传统的凹槽叶顶采用从压力侧壁至叶片前缘经吸力侧壁向叶片尾缘是连续的且无开口的肋片组成，如图3所示。由于凹槽间隙内积存较多的低能流体，在叶顶泄漏高速流动所形成的引射作用下，凹槽间隙内的低能流体被裹挟穿过叶顶吸力侧肋片与燃气主流掺混，从而使叶顶泄漏损失增加。

图4显示的是另一个已知常规燃气透平凹槽的叶顶结构，其由一条分段肋片组成，从压力侧壁至叶片前缘经吸力侧壁是连续的，在叶片压力侧壁处布置有低能燃气开口。凹槽间隙内积存的低能流体的一部分通过开口排出，通过叶顶泄漏流引射作用被裹挟，穿过叶顶吸力侧肋片与燃气主流掺混的低能流体减少，叶顶泄漏损失相对较低。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中燃气透平叶片存在叶顶泄漏损失的问题，提供一种燃气透平叶片及其凹槽叶顶，能够控制叶顶泄漏流动，减少高温燃气进入叶顶凹槽间隙。

为了实现上述目的，本发明有以下技术方案：

一种燃气透平叶片凹槽叶顶，由至少2段肋片组成，从压力侧壁至叶片前缘经吸力侧壁向叶片尾缘是非连续的，具有至少2个开口，包括至少1个高能燃气入口与至少1个低能燃气出口；高能燃气入口设置在叶片上游位置，高能燃气入口的附近开设有气膜冷却孔，高能燃气通过高能燃气入口流入凹槽间隙，冷却气流通过气膜冷却孔流入叶顶凹槽，冷却气流隔离高能燃气与叶顶凹槽内壁面间的接触；低能燃气出口设置在叶片下游位置，用于排出凹槽间隙内的低能燃气。

在本发明燃气透平叶片凹槽叶顶的一种优选方案中，所述的肋片包括至少1条压力侧肋片和1条吸力侧肋片。

在本发明燃气透平叶片凹槽叶顶的一种优选方案中，所述的压力侧肋片沿着叶片压力侧壁的方向延伸，与叶片压力侧壁在同一平面内，或者向凹槽间隙内偏移，与叶片压力侧壁之间存在间距；所述的吸力侧肋片沿着叶片吸力侧壁的方向延伸，与叶片吸力侧壁在同一平面内，或者向凹槽间隙内偏移，与叶片吸力侧壁之间存在间距。

在本发明燃气透平叶片凹槽叶顶的一种优选方案中，所述的压力侧肋片与叶顶盖板之间设置有角度。

在本发明燃气透平叶片凹槽叶顶的一种优选方案中，所述的肋片厚度占叶型最大厚度的1％～5％，叶顶肋片高度占叶型高度的1％～5％。

在本发明燃气透平叶片凹槽叶顶的一种优选方案中，所述的高能燃气入口位于叶顶压力侧上游位置，或叶顶吸力侧上游位置，或叶顶前缘位置，高能燃气入口的具体位置根据燃气透平叶片进口来流的攻角情况确定；所述的低能燃气出口位于叶片叶顶压力侧下游，或叶顶吸力侧下游，或叶顶尾缘位置。

在本发明燃气透平叶片凹槽叶顶的一种优选方案中，所述的低能燃气出口处排出凹槽间隙的流量大于高能燃气入口处进入凹槽间隙的流量。

在本发明燃气透平叶片凹槽叶顶的一种优选方案中，所述的气膜冷却孔分布在叶片压力侧壁或叶顶盖板上，所述的气膜冷却孔布置至少1个。

在本发明燃气透平叶片凹槽叶顶的一种优选方案中，所述的肋片形状为矩形或梯形；所述的气膜冷却孔形状为圆形或扇形。

本发明还提供了一种燃气透平叶片，包括：

前缘、尾缘、凹形压力侧壁、凸形吸力侧壁的外壁以及内部冷却腔室和凹槽叶顶；

每个叶片均具有凹槽叶顶；

所述凹槽叶顶由至少2段肋片组成，从压力侧壁至叶片前缘经吸力侧壁向叶片尾缘是非连续的，具有至少2个开口，包括至少1个高能燃气入口与至少1个低能燃气出口；

高能燃气入口设置在叶片上游位置，高能燃气入口的附近开设有气膜冷却孔，高能燃气通过高能燃气入口流入凹槽间隙，冷却气流通过气膜冷却孔流入叶顶凹槽，冷却气流隔离高能燃气与叶顶凹槽内壁面间的接触；

低能燃气出口设置在叶片下游位置，用于排出凹槽间隙内的低能燃气。

相较于现有技术，本发明至少具有如下有益效果：

在本发明的结构中，凹槽叶顶的高能燃气通过高能燃气入口注入凹槽间隙，推动凹槽间隙内积存的低能流体从低能燃气出口排出，通过叶顶泄漏流引射作用被裹挟穿过叶顶吸力侧肋片与燃气主流掺混的低能流体减少，从而叶顶泄漏损失减少；冷却气流通过高能燃气入口附近的气膜冷却孔流入叶顶凹槽，隔离高能燃气与叶顶凹槽内壁面间的接触。

附图说明

图1燃气轮机构件的示意图；

图2透平叶片结构的透视示意图；

图3第一种常规结构燃气透平凹槽叶顶的俯视示意图；

图4第二种常规结构燃气透平凹槽叶顶的俯视示意图；

图5本发明实施例1燃气透平叶片凹槽叶顶的俯视示意图；

图6本发明实施例2燃气透平叶片凹槽叶顶的俯视示意图；

附图中：

1-燃气轮机；

2-压气机；

3-燃烧室；

4-燃气透平；

5-外部负载；

7-空气流；

8-燃料流；

9-燃气流；

10-透平叶片；

11-吸力侧壁；

12-压力侧壁；

13-前缘；

14-尾缘；

20-内部冷却腔室；

21-第一种传统结构凹槽叶顶；

22-第一种传统结构叶顶肋片；

23-叶片平台；

24-叶柄；

25-叶根；

30-第一种传统结构压力侧肋片；

40-吸力侧肋片；

50-前缘肋片；

51-尾缘肋片；

60-第一种传统结构气膜冷却孔；

101-压力侧燃气流；

102-吸力侧燃气流；

71-第二种传统结构凹槽叶顶；

72-第二种传统结构叶顶肋片；

74-第二种传统结构低能燃气出口；

78-第二种传统结构压力侧肋片；

81-实施例1凹槽叶顶；

82-实施例1叶顶肋片；

83-实施例1高能燃气进口；

84-实施例1低能燃气出口；

85-实施例1第1段叶顶肋片；

86-实施例1第2段叶顶肋片；

87-实施例1压力侧肋片；

88-实施例1气膜冷却孔；

91-实施例2凹槽叶顶；

92-实施例2叶顶肋片；

93-实施例2第1高能燃气进口；

94-实施例2第2高能燃气进口；

95-实施例2低能燃气出口；

96-实施例2第1段叶顶肋片；

97-实施例2第2段叶顶肋片；

98-实施例2第3段叶顶肋片；

110-实施例2第1组气膜冷却孔；

120-实施例2第2组气膜冷却孔。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明做进一步的详细说明。

图1显示了已知的燃气轮机1构件的示意结构，燃气轮机1可包括压气机2、燃烧室3和燃气透平4。空气流7经过压气机2压缩后，进入燃烧室3。燃烧室3内空气流7与燃料流8混合并形成燃料混合物，点燃燃料混合物产生燃气流9。燃气流9进入燃气透平4，推动燃气透平4做功。燃气透平4产生的机械功驱动外部负载5，例如发动机等。示意图仅显示了单个压气机2、单个燃烧室3和单个燃气透平4，但燃气轮机1可包括任意数量的压气机2、燃烧室3和燃气透平4。燃料流8可为柴油、天然气、各类合成气和其他种类的燃料。

图2显示了已知的透平叶片10的透视结构，燃气透平一般包括多排透平，每排透平均有任意数量的透平叶片10，任意数量的透平叶片10沿着周向排布。透平叶片10均有凸形吸力侧壁11、凹形压力侧壁12、前缘13以及尾缘14。透平叶片10顶部布置第一种传统结构凹槽叶顶21，透平叶片10布置内部冷却腔室20，内部冷却腔室20通过第一种传统结构气膜冷却孔60与第一种传统结构凹槽叶顶21相联通。也可在本文中使用其他透平叶片构造。

透平叶片10还可包括叶片平台23、叶柄24和枞树形的叶根25。透平叶片10通过枞树形的叶根25与叶轮盘(未显示)相连接，与叶轮盘一起旋转做功。叶片平台23、叶柄24和叶根25内部是空心的，为冷却空气通道，与透平叶片10的内部冷却腔室20相联通，冷却空气来自压气机2出来的部分压缩空气流7。也可在本文中使用其他透平叶片构造。

参见图3，第一种传统结构凹槽叶顶21具有连续且闭合的第一种传统结构叶顶肋片22。第一种传统结构叶顶肋片22包括第一种传统结构压力侧肋片30、前缘肋片50、吸力侧肋片40以及尾缘肋片51。第一种传统结构压力侧肋片30、前缘肋片50、吸力侧肋片40以及尾缘肋片51彼此相邻且首尾相接形成无开口的第一种传统结构凹槽叶顶21。

在第一种传统结构中，燃气流9受到透平叶片10的前缘13阻挡，分成两股气流，分别为压力侧燃气流101和吸力侧燃气流102，叶顶附近的压力侧燃气流101经过叶顶压力侧肋片，在叶顶泄漏高速流动所形成的引射作用下，裹挟凹槽间隙内的低能流体穿过叶顶吸力侧肋片与燃气主流掺混，第一种传统结构凹槽叶顶21的叶顶泄漏损失较大。

参见图4，第二种传统结构凹槽叶顶71具有一段连续但非闭合的第二种传统结构叶顶肋片72，在压力侧壁12处布置第二种传统结构低能燃气出口74。第二种传统结构叶顶肋片72包括第二种传统结构压力侧肋片78、前缘肋片50和吸力侧肋片40，第二种传统结构压力侧肋片78、前缘肋片50和吸力肋片40彼此相邻且首尾处形成一个开口的凹槽叶顶71。

在第二种传统结构中，由于燃气流9受到透平叶片10前缘13的阻挡，分成压力侧燃气流101和吸力侧燃气流102两股气流，凹槽间隙内积存的低能流体的一部分通过第二种传统结构低能燃气出口74排出，通过叶顶泄漏流引射作用被裹挟穿过叶顶吸力侧肋片32与燃气主流掺混的低能流体减少，叶顶泄漏的损失相对较低。

参见图5，本发明实施例1凹槽叶顶81具有2段首尾不相接的实施例1叶顶肋片82，在透平叶片10顶部的压力侧壁12上游处布置1个实施例1高能燃气进口83，透平叶片10顶部的吸力侧壁11下游处布置1个实施例1低能燃气出口84。实施例1第1段叶顶肋片85包括吸力侧肋片40和前缘肋片50，实施例1第2段叶顶肋片86包括实施例1压力侧肋片87。实施例1气膜冷却孔88布置在叶顶的压力侧壁12上，且在实施例1高能燃气进口83附近。

叶顶附近的燃气流9通过实施例1高能燃气进口83注入凹槽间隙，推动凹槽间隙内积存的低能流体从实施例1低能燃气出口84排出，通过叶顶泄漏流引射作用被裹挟穿过叶顶吸力侧肋片40与燃气主流掺混的低能流体减少，叶顶泄漏损失减少。

实施例1气膜冷却孔88流出的冷却气流随着燃气流9流入凹槽间隙，隔离高能燃气与实施例1凹槽叶顶81内壁面间的接触，同时起到密封作用，避免过多高温燃气进入凹槽间隙。

参见图6，实施例2凹槽叶顶91具有3段首尾不相接的实施例2叶顶肋片92，在透平叶片10顶部压力侧壁12上游处布置2个高能燃气入口，分别为实施例2第1高能燃气进口93、实施例2第2高能燃气进口94，透平叶片10顶部吸力侧壁11下游处布置1个实施例2低能燃气出口95。实施例2第1段叶顶肋片96包括吸力侧肋片40和前缘肋片50，实施例2第2段叶顶肋片97和实施例2第3段叶顶肋片98均位于叶顶压力侧壁12附近。实施例2第1组气膜冷却孔110布置在叶顶压力侧壁12上且在实施例2第1高能燃气进口93附近。实施例2第2组气膜冷却孔120布置在叶顶压力侧壁12上且在实施例2第2高能燃气进口94附近。

叶顶附近的燃气流9通过实施例2第1高能燃气进口93和实施例2第2高能燃气进口94注入凹槽间隙，推动凹槽间隙内积存的低能流体从实施例2低能燃气出口95排出，通过叶顶泄漏流引射作用被裹挟穿过叶顶吸力侧肋片40与燃气主流掺混的低能流体减少，叶顶泄漏损失减少。

实施例2第1组气膜冷却孔110流出的冷却气流随着燃气流9流入凹槽间隙，从实施例2第2组气膜冷却孔120流出的冷却气流随着燃气流9流入凹槽间隙，2组冷却流相互作用，以隔离高能燃气与实施例2凹槽叶顶91内壁面间的接触，同时起到一定的密封作用，避免过多的高温燃气进入凹槽间隙。

本发明压力侧肋片与叶顶盖板之间设置有角度。肋片厚度占叶型最大厚度的1％～5％，叶顶肋片高度占叶型高度的1％～5％。高能燃气入口位于叶顶压力侧上游位置，或叶顶吸力侧上游位置，或叶顶前缘位置，高能燃气入口的具体位置根据燃气透平叶片进口来流的攻角情况确定；低能燃气出口位于叶片叶顶压力侧下游，或叶顶吸力侧下游，或叶顶尾缘位置。

本发明低能燃气出口处排出凹槽间隙的流量大于高能燃气入口处进入凹槽间隙的流量，以达到减少叶顶泄漏损失的目的。肋片形状为矩形或梯形，或者其他具有阻挡高能燃气流动的其他形状。气膜冷却孔为圆形或扇形，或者其他形状能提高气膜覆盖率的新型气膜孔。

以上所述的仅仅是本发明的示例性说明，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃气透平叶片凹槽叶顶，其特征在于：由至少2段肋片组成，从压力侧壁至叶片前缘经吸力侧壁向叶片尾缘是非连续的，具有至少2个开口，包括至少1个高能燃气入口与至少1个低能燃气出口；

高能燃气入口设置在叶片上游位置，高能燃气入口的附近开设有气膜冷却孔，高能燃气通过高能燃气入口流入凹槽间隙，冷却气流通过气膜冷却孔流入叶顶凹槽，冷却气流隔离高能燃气与叶顶凹槽内壁面间的接触；

低能燃气出口设置在叶片下游位置，用于排出凹槽间隙内的低能燃气。

2.根据权利要求1所述的燃气透平叶片凹槽叶顶，其特征在于：

所述的肋片包括至少1条压力侧肋片和1条吸力侧肋片。

3.根据权利要求2所述的燃气透平叶片凹槽叶顶，其特征在于：所述的压力侧肋片沿着叶片压力侧壁的方向延伸，与叶片压力侧壁在同一平面内，或者向凹槽间隙内偏移，与叶片压力侧壁之间存在间距；所述的吸力侧肋片沿着叶片吸力侧壁的方向延伸，与叶片吸力侧壁在同一平面内，或者向凹槽间隙内偏移，与叶片吸力侧壁之间存在间距。

4.根据权利要求2所述的燃气透平叶片凹槽叶顶，其特征在于：

所述的压力侧肋片与叶顶盖板之间设置有角度。

5.根据权利要求1所述的燃气透平叶片凹槽叶顶，其特征在于：

所述的肋片厚度占叶型最大厚度的1％～5％，叶顶肋片高度占叶型高度的1％～5％。

6.根据权利要求1所述的燃气透平叶片凹槽叶顶，其特征在于：

所述的高能燃气入口位于叶顶压力侧上游位置，或叶顶吸力侧上游位置，或叶顶前缘位置，高能燃气入口的具体位置根据燃气透平叶片进口来流的攻角情况确定；

所述的低能燃气出口位于叶片叶顶压力侧下游，或叶顶吸力侧下游，或叶顶尾缘位置。

7.根据权利要求1所述的燃气透平叶片凹槽叶顶，其特征在于：所述的低能燃气出口处排出凹槽间隙的流量大于高能燃气入口处进入凹槽间隙的流量。

8.根据权利要求1所述的燃气透平叶片凹槽叶顶，其特征在于：

所述的气膜冷却孔分布在叶片压力侧壁或叶顶盖板上，所述的气膜冷却孔布置至少1个。

9.根据权利要求1所述的燃气透平叶片凹槽叶顶，其特征在于：

所述的肋片形状为矩形或梯形；所述的气膜冷却孔形状为圆形或扇形。

10.一种燃气透平叶片，其特征在于，包括：

前缘、尾缘、凹形压力侧壁、凸形吸力侧壁的外壁以及内部冷却腔室和凹槽叶顶；

每个叶片均具有凹槽叶顶；

所述凹槽叶顶由至少2段肋片组成，从压力侧壁至叶片前缘经吸力侧壁向叶片尾缘是非连续的，具有至少2个开口，包括至少1个高能燃气入口与至少1个低能燃气出口；

高能燃气入口设置在叶片上游位置，高能燃气入口的附近开设有气膜冷却孔，高能燃气通过高能燃气入口流入凹槽间隙，冷却气流通过气膜冷却孔流入叶顶凹槽，冷却气流隔离高能燃气与叶顶凹槽内壁面间的接触；

低能燃气出口设置在叶片下游位置，用于排出凹槽间隙内的低能燃气。

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