CN113914938B - 一种燃气轮机透平气冷叶片 - Google Patents

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Abstract

一种燃气轮机透平气冷叶片，包括叶身、上下缘板、分离隔板及导流管；叶身位于上下缘板之间；分离隔板插接在叶身内腔中且与叶身前缘正对，分离隔板上设有隔板透气孔，叶身前缘设有气膜冷却孔，分离隔板、叶身前缘及上下缘板围成气膜冷却供气腔；导流管插接在叶身内腔中且位于叶身叶中处，导流管与叶身叶盆面及叶背面之间形成导流换热间隙；与分离隔板相邻的导流管上设有叶盆侧及叶背侧导流透气孔，导流管与叶身尾缘之间的叶身内腔构成扰流换热间隙；叶身尾缘处的叶身内腔构成紊流换热间隙；各换热间隙在叶片展长方向由上下缘板封隔；导流换热间隙内设有导流换热肋；扰流换热间隙内设有扰流换热肋及扰流柱，紊流换热间隙内设有紊流换热肋及加强肋。

Description

一种燃气轮机透平气冷叶片
技术领域
本发明属于燃气轮机透平叶片冷却技术领域，特别是涉及一种燃气轮机透平气冷叶片。
背景技术
燃气轮机是一种将高温燃气的内能转化为机械能的动力装置，且燃气轮机的热效率与透平进口温度紧密相关，虽然更高的进口温度可以获得更高的热效率，但燃气轮机透平叶片对高温的耐受能力才是决定透平进口温度的关键因素。
目前，用于提高燃气轮机透平叶片耐高温能力的技术路线主要有三种，第一种是研制高性能高温合金，第二种是研制高可靠热障涂层，第三种是研制高效冷却系统。但是，前两种方法路线均存在研制周期长、每年可提升温度有限的问题，只有第三种技术路线可以相对缩短研制周期，因此通过研制高效冷却系统是实现短期内提高燃气轮机透平叶片耐高温能力的重要手段，但如何实现高效冷却仍是亟待解决的难题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种燃气轮机透平气冷叶片，能够使透平第一级静叶片获得较低的均匀温度场分布，降低叶身热应力，提高叶片使用寿命；能够减少从压气机出口的抽气量，提高燃气轮机的输出功率；可根据透平第一级静叶片叶身表面温度场分布情况及降温效果，进一步提高透平进口温度，以获得更高的输出功率和效率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种燃气轮机透平气冷叶片，包括叶身、上缘板、下缘板、分离隔板及导流管；所述叶身位于上缘板与下缘板之间；所述分离隔板插接在叶身内腔中，分离隔板与叶身前缘正对设置，在分离隔板上开设有若干隔板透气孔，在所述叶身前缘开设有若干气膜冷却孔，由所述分离隔板、叶身前缘、上缘板及下缘板围成的空间构成气膜冷却供气腔，所述隔板透气孔通过气膜冷却供气腔与气膜冷却孔相通；所述导流管插接在叶身内腔中，导流管位于叶身叶中处，导流管与叶身叶盆面之间形成第一导流换热间隙，导流管与叶身叶背面之间形成第二导流换热间隙；与所述分离隔板相邻的导流管上开设有若干叶盆侧导流透气孔及叶背侧导流透气孔，叶盆侧导流透气孔与第一导流换热间隙相通，叶背侧导流透气孔与第二导流换热间隙相通；所述导流管与叶身尾缘之间的叶身内腔构成扰流换热间隙；所述叶身尾缘处的叶身内腔构成紊流换热间隙；所述第一导流换热间隙、第二导流换热间隙、扰流换热间隙和紊流换热间隙在叶片展长方向上分别由上缘板和下缘板进行封隔。
在所述第一导流换热间隙内沿叶片弦长方向分布有若干导流换热区，每个导流换热区内均设有若干导流换热肋，若干导流换热肋等间距平行分布，导流换热肋长度方向与叶片展长方向相垂直；所述第一导流换热间隙内的导流换热肋设置在叶身叶盆面上。
在所述第二导流换热间隙内沿叶片弦长方向分布有若干导流换热区，每个导流换热区内均设有若干导流换热肋，若干导流换热肋等间距平行分布，导流换热肋长度方向与叶片展长方向相垂直；所述第二导流换热间隙内的导流换热肋设置在叶身叶背面上。
在所述扰流换热间隙内沿叶片弦长方向分布有若干扰流换热区，每个扰流换热区内均设有若干扰流换热肋，若干扰流换热肋等间距平行分布，扰流换热肋长度方向与导流换热肋长度方向具有夹角。
不同所述扰流换热区内的扰流换热肋与导流换热肋在长度方向上的夹角各不相同。
在每条所述扰流换热肋上均设置有若干扰流柱，若干扰流柱在扰流换热肋长度方向等间距分布。
所述扰流换热间隙内的扰流换热肋设置在叶身叶盆面上和叶身叶背面上，叶身叶盆面上的扰流换热肋与叶身叶背面上的扰流换热肋互为交叉分布且相互接合。
在所述紊流换热间隙内沿叶片弦长方向分布有若干紊流换热区，每个紊流换热区内均设有若干紊流换热肋，若干紊流换热肋等间距平行分布，紊流换热肋长度方向与导流换热肋长度方向具有夹角。
不同所述紊流换热区内的紊流换热肋与导流换热肋在长度方向上的夹角各不相同。
所述紊流换热间隙内的紊流换热肋设置在叶身叶盆面上和叶身叶背面上，叶身叶盆面上的紊流换热肋与叶身叶背面上的紊流换热肋互为交叉分布且互不接合；在所述叶身紊流换热间隙内的叶盆面与叶身叶背面之间还设置有若干加强肋。
本发明的有益效果：
本发明的燃气轮机透平气冷叶片，能够使透平第一级静叶片获得较低的均匀温度场分布，降低叶身热应力，提高叶片使用寿命；能够减少从压气机出口的抽气量，提高燃气轮机的输出功率；可根据透平第一级静叶片叶身表面温度场分布情况及降温效果，进一步提高透平进口温度，以获得更高的输出功率和效率。
附图说明
图1为本发明的一种燃气轮机透平气冷叶片的结构示意图；
图2为本发明的分离隔板的结构示意图；
图3为本发明的导流管的结构示意图；
图4为本发明的叶身叶盆面的肋结构分布示意图；
图5为本发明的叶身叶背面的肋结构分布示意图；
图6为本发明的叶身、分离隔板及导流管组合体的叶片展长方向俯视图；
图中，1—叶身，2—上缘板，3—下缘板，4—分离隔板，5—导流管，6—隔板透气孔，7—气膜冷却孔，8—气膜冷却供气腔，9—第一导流换热间隙，10—第二导流换热间隙，11—叶盆侧导流透气孔，12—叶背侧导流透气孔，13—扰流换热间隙，14—紊流换热间隙，15—导流换热肋，16—扰流换热肋，17—扰流柱，18—紊流换热肋，19—加强肋。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1～6所示，一种燃气轮机透平气冷叶片，包括叶身1、上缘板2、下缘板3、分离隔板4及导流管5；所述叶身1位于上缘板2与下缘板3之间；所述分离隔板4插接在叶身1内腔中，分离隔板4与叶身1前缘正对设置，在分离隔板4上开设有若干隔板透气孔5，在所述叶身1前缘开设有若干气膜冷却孔6，由所述分离隔板4、叶身1前缘、上缘板2及下缘板3围成的空间构成气膜冷却供气腔8，所述隔板透气孔5通过气膜冷却供气腔8与气膜冷却孔6相通；所述导流管5插接在叶身1内腔中，导流管5位于叶身1叶中处，导流管5与叶身1叶盆面之间形成第一导流换热间隙9，导流管5与叶身1叶背面之间形成第二导流换热间隙10；与所述分离隔板4相邻的导流管5上开设有若干叶盆侧导流透气孔11及叶背侧导流透气孔12，叶盆侧导流透气孔11与第一导流换热间隙9相通，叶背侧导流透气孔12与第二导流换热间隙10相通；所述导流管5与叶身1尾缘之间的叶身1内腔构成扰流换热间隙13；所述叶身1尾缘处的叶身1内腔构成紊流换热间隙14；所述第一导流换热间隙9、第二导流换热间隙10、扰流换热间隙13和紊流换热间隙14在叶片展长方向上分别由上缘板2和下缘板3进行封隔。
在所述第一导流换热间隙9内沿叶片弦长方向分布有若干导流换热区，每个导流换热区内均设有若干导流换热肋15，若干导流换热肋15等间距平行分布，导流换热肋15长度方向与叶片展长方向相垂直；所述第一导流换热间隙9内的导流换热肋15设置在叶身1叶盆面上。
在所述第二导流换热间隙10内沿叶片弦长方向分布有若干导流换热区，每个导流换热区内均设有若干导流换热肋15，若干导流换热肋15等间距平行分布，导流换热肋15长度方向与叶片展长方向相垂直；所述第二导流换热间隙10内的导流换热肋15设置在叶身1叶背面上。
在所述扰流换热间隙13内沿叶片弦长方向分布有若干扰流换热区，每个扰流换热区内均设有若干扰流换热肋16，若干扰流换热肋16等间距平行分布，扰流换热肋16长度方向与导流换热肋15长度方向具有夹角。
不同所述扰流换热区内的扰流换热肋16与导流换热肋15在长度方向上的夹角各不相同。
在每条所述扰流换热肋16上均设置有若干扰流柱17，若干扰流柱17在扰流换热肋16长度方向等间距分布。
所述扰流换热间隙13内的扰流换热肋16设置在叶身1叶盆面上和叶身1叶背面上，叶身1叶盆面上的扰流换热肋16与叶身1叶背面上的扰流换热肋16互为交叉分布且相互接合。
在所述紊流换热间隙14内沿叶片弦长方向分布有若干紊流换热区，每个紊流换热区内均设有若干紊流换热肋18，若干紊流换热肋18等间距平行分布，紊流换热肋18长度方向与导流换热肋15长度方向具有夹角。
不同所述紊流换热区内的紊流换热肋18与导流换热肋15在长度方向上的夹角各不相同。
所述紊流换热间隙14内的紊流换热肋18设置在叶身1叶盆面上和叶身1叶背面上，叶身1叶盆面上的紊流换热肋18与叶身1叶背面上的紊流换热肋18互为交叉分布且互不接合；在所述叶身1紊流换热间隙14内的叶盆面与叶身1叶背面之间还设置有若干加强肋19。
下面结合附图说明本发明的一次使用过程：
来自压气机出口的高压空气首先进入导流管5内部的叶身1内腔中，一部分高压空气通过分离隔板4上的隔板透气孔5进入气膜冷却供气腔8内，之后通过叶身1前缘的气膜冷却孔6排出，进而在叶身1前缘形成气膜冷却；另一部分高压空气通过分别通过导流管5上的叶盆侧导流透气孔11和叶背侧导流透气孔12进入第一导流换热间隙9和第二导流换热间隙10内。
本实施例中，第一导流换热间隙9与第二导流换热间隙10的缝隙宽度相等，第一导流换热间隙9、第二导流换热间隙10、扰流换热间隙13和紊流换热间隙14内换热肋的肋化系数的选择，可以保证冷却用的高压空气温升最小的情况下叶片温度不超过许可值，且肋化系数沿气流方向时增大的。
本实施例中，第一导流换热间隙9内沿叶片弦长方向分布有三处导流换热区，第二导流换热间隙10内沿叶片弦长方向分布有四处导流换热区，扰流换热间隙13内沿叶片弦长方向分布有两处扰流换热区，紊流换热间隙14内沿叶片弦长方向分布有两处紊流换热区。
高压空气一路经过第一导流换热间隙9内的导流换热肋15实现与高温叶片的第一次热交换，高压空气另一路经过第二导流换热间隙10的导流换热肋15也实现与高温叶片的第一次热交换，在导流换热肋15的作用下，有效增大了高压空气与叶片的接触面积，提高了冷却效果，完成第一次热交换的两路高压空气流出后互相掺混，之后流入扰流换热间隙13内。
第一次换热后的高压空气经过扰流换热间隙13内的扰流换热肋16及扰流柱17实现与高温叶片的第二次热交换，在扰流换热肋16及扰流柱17的作用下，高压空气可在扰流换热间隙13内形成交叉对流，进一步增大了高压空气与叶片的接触时间和接触面积，提高了冷却效果，高压空气随后流入紊流换热间隙14内。
第二次换热后的高压空气经过紊流换热间隙14内的紊流换热肋18实现与高温叶片的第三次热交换，在紊流换热肋18的作用下，高压空气可在紊流换热间隙14形成紊流强化冲击，再一次增大了高压空气与叶片的接触时间和接触面积，大幅度提高了高压空气与叶片的冷却效果，经过第三次热交换后的高压空气随后流出紊流换热间隙14并排入透平流道内。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (10)

1.一种燃气轮机透平气冷叶片，其特征在于：包括叶身、上缘板、下缘板、分离隔板及导流管；所述叶身位于上缘板与下缘板之间；所述分离隔板插接在叶身内腔中，分离隔板与叶身前缘正对设置，在分离隔板上开设有若干隔板透气孔，在所述叶身前缘开设有若干气膜冷却孔，由所述分离隔板、叶身前缘、上缘板及下缘板围成的空间构成气膜冷却供气腔，所述隔板透气孔通过气膜冷却供气腔与气膜冷却孔相通；所述导流管插接在叶身内腔中，导流管位于叶身叶中处，导流管与叶身叶盆面之间形成第一导流换热间隙，导流管与叶身叶背面之间形成第二导流换热间隙；与所述分离隔板相邻的导流管上开设有若干叶盆侧导流透气孔及叶背侧导流透气孔，叶盆侧导流透气孔与第一导流换热间隙相通，叶背侧导流透气孔与第二导流换热间隙相通；所述导流管与叶身尾缘之间的叶身内腔构成扰流换热间隙；所述叶身尾缘处的叶身内腔构成紊流换热间隙；所述第一导流换热间隙、第二导流换热间隙、扰流换热间隙和紊流换热间隙在叶片展长方向上分别由上缘板和下缘板进行封隔。
2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机透平气冷叶片，其特征在于：在所述第一导流换热间隙内沿叶片弦长方向分布有若干导流换热区，每个导流换热区内均设有若干导流换热肋，若干导流换热肋等间距平行分布，导流换热肋长度方向与叶片展长方向相垂直；所述第一导流换热间隙内的导流换热肋设置在叶身叶盆面上。
3.根据权利要求2所述的一种燃气轮机透平气冷叶片，其特征在于：在所述第二导流换热间隙内沿叶片弦长方向分布有若干导流换热区，每个导流换热区内均设有若干导流换热肋，若干导流换热肋等间距平行分布，导流换热肋长度方向与叶片展长方向相垂直；所述第二导流换热间隙内的导流换热肋设置在叶身叶背面上。
4.根据权利要求3所述的一种燃气轮机透平气冷叶片，其特征在于：在所述扰流换热间隙内沿叶片弦长方向分布有若干扰流换热区，每个扰流换热区内均设有若干扰流换热肋，若干扰流换热肋等间距平行分布，扰流换热肋长度方向与导流换热肋长度方向具有夹角。
5.根据权利要求4所述的一种燃气轮机透平气冷叶片，其特征在于：不同所述扰流换热区内的扰流换热肋与导流换热肋在长度方向上的夹角各不相同。
6.根据权利要求4所述的一种燃气轮机透平气冷叶片，其特征在于：在每条所述扰流换热肋上均设置有若干扰流柱，若干扰流柱在扰流换热肋长度方向等间距分布。
7.根据权利要求4所述的一种燃气轮机透平气冷叶片，其特征在于：所述扰流换热间隙内的扰流换热肋设置在叶身叶盆面上和叶身叶背面上，叶身叶盆面上的扰流换热肋与叶身叶背面上的扰流换热肋互为交叉分布且相互接合。
8.根据权利要求3所述的一种燃气轮机透平气冷叶片，其特征在于：在所述紊流换热间隙内沿叶片弦长方向分布有若干紊流换热区，每个紊流换热区内均设有若干紊流换热肋，若干紊流换热肋等间距平行分布，紊流换热肋长度方向与导流换热肋长度方向具有夹角。
9.根据权利要求8所述的一种燃气轮机透平气冷叶片，其特征在于：不同所述紊流换热区内的紊流换热肋与导流换热肋在长度方向上的夹角各不相同。
10.根据权利要求8所述的一种燃气轮机透平气冷叶片，其特征在于：所述紊流换热间隙内的紊流换热肋设置在叶身叶盆面上和叶身叶背面上，叶身叶盆面上的紊流换热肋与叶身叶背面上的紊流换热肋互为交叉分布且互不接合；在所述叶身紊流换热间隙内的叶盆面与叶身叶背面之间还设置有若干加强肋。
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