CN114087027A - 一种具有导流管的燃气轮机静叶 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有导流管的燃气轮机静叶，涉及燃气轮机领域，包括前腔、中腔、后腔和导流管；前腔、中腔和后腔依次设置，且后腔内设有供气腔，导流管设于后腔内部，且导流管与后腔的壁面之间有环形通道，导流管包围供气腔，且导流管上设有连通环形通道和供气腔的冲击孔；导流管包括折板组件，折板组件包括第一折板、第二折板和第三折板；且沿靠近后腔尾部方向，第一折板与静叶吸力面的内壁面之间的距离缩小；第二折板与静叶压力面的内壁面之间的距离缩小；第三折板与静叶压力面的内壁面之间的距离缩小。本发明的导流管对叶片尾部狭窄通道的内壁面具有强化冷却作用，防止该区域出现高温氧化腐蚀，提高了叶片寿命。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其是涉及一种具有导流管的燃气轮机静叶。
背景技术
从燃气轮机热力循环方面考虑，提高涡轮前燃气温度是提高整机热效率和功率的根本所在。随着燃气轮机性能要求的越来越高，涡轮进口燃气温度也越来越高，目前主流燃气轮机涡轮的进气温度远远超过涡轮叶片自身材料的耐高温能力，合理引入冷却系统是解决问题的关键。高效的冷却技术可以延长受热部件的使用寿命、使用更经济的材料以降低成本，这些显著的优点使得冷却系统的设计在高性能燃气轮机研制中占有举足轻重的地位。
燃气轮机高压涡轮静叶面临的主要问题有：目前先进燃气轮机的涡轮进口温度超过叶片材料的许用温度500℃以上，已远超材料可忍受的极限；直接暴露于燃烧室出口，由于受到燃气轮机快速启停、变工况以及燃烧室出口不均匀度等因素的影响，其工作条件最为复杂；叶片尾部狭窄通道受工艺限制而无法布置传统导流管结构，该区域壁面温度或者热应力往往过大而发生高温氧化，出现裂纹、甚至烧蚀等失效现象。
中国专利CN113266436A公开了一种用于燃气轮机静叶内部冷却的通道结构及燃气轮机静叶，包括若干直通道及若干弯曲通道；若干直通道并行排列，相邻两直通道通过弯曲通道连接；定义直通道内位于主流方向上侧的壁面为吸力面；位于主流方向下侧的壁面为压力面；吸力面和压力面上均设置若干斜置肋；直通道内与斜置肋的下游端连接的壁面上设置若干横置肋，斜置肋的下游端为斜置肋在主流方向上的投影中位于下游的一端；横置肋的一端连接吸力面上的斜置肋，另一端连接压力面上的斜置肋。能够有效改善肋片下游低雷诺数区域的传热，使得温度分布更加均匀，消除燃气轮机静叶的局部热斑，改善热应力，使燃气轮机静叶的稳定性得到了提高，延长使用寿命。但是本发明设置U形连通的通道结构，使得冷却空气在进入通道时经过的路径越长冷却效果会逐渐减弱，导致靠近尾缘的部分冷却效果不是太好。
中国专利CN111810248A公开了一种具有导流管的燃气轮机静叶及其冷却结构，所述冷却结构包括第一叶片隔板，与第一叶片隔板间隔设置的第二叶片隔板，第一叶片隔板和第二叶片隔板分割成的第一冷却通道、第二冷却通道和第三冷却通道，与第三冷却通道连通的气膜孔，第一叶片隔板的厚度δ1与50％叶高处叶型截面的最大厚度T50％的比值为0.146-0.178，拔模角度θ1为-10°-10°，第二叶片隔板的厚度δ2与最大厚度T50％的比值为0.146-0.178，拔模角度θ2为-10°-10°，所述静叶包括上缘板、叶身和下缘板组成，所述的叶身包括叶片吸力面、叶片压力面，叶片前缘、叶片尾缘和上述叶片冷却结构。本发明可在较少的冷气量下，同时满足叶片冷却和级封的需求。但是，本发明采用隔板之后仍会使得区域壁面温度或者热应力往往过大而发生高温氧化，出现裂纹、甚至烧蚀等失效现象。
中国专利CN111133173A公开了燃气轮机静叶、及具备该燃气轮机静叶的燃气轮机，其中静叶的护罩具有：背侧通道(73n)、腹侧通道(73p)以及多个后端通道(76)。多个后端通道(76)在沿背侧端面(63n)的背侧通道(73n)与沿腹侧端面(63p)的腹侧通道(73p)之间，沿侧方向(Dc)排列配置，在后端面(62b)开口。多个后端通道(76)中，最靠近背侧通道(73n)的背侧第一后端通道(76n1)随着朝向下游侧而逐渐向靠近背侧通道(73n)侧延伸。多个后端通道(76)中，最靠近腹侧通道(73p)的腹侧第一后端通道(76p1)随着朝向下游侧而逐渐向靠近腹侧通道(73p)侧延伸。但是本发明存在叶片尾部狭窄通道受工艺限制而无法布置传统导流管结构，进而可能出现裂纹、甚至烧蚀等失效现象。
发明内容
为了解决传统导流管在叶片尾部狭窄通道受工艺限制无法布置的技术问题，本发明提供了一种具有导流管的燃气轮机静叶。
为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案如下：
一种具有导流管的燃气轮机静叶，包括前腔、中腔和后腔；所述前腔、中腔和后腔依次设置，且所述后腔内设有供气腔；
还包括导流管，所述导流管设于后腔内部，且导流管的外围与后腔的壁面之间形成有环形通道，所述导流管包围住供气腔，且所述导流管上设有连通环形通道和供气腔的冲击孔；
所述导流管包括折板组件，折板组件包括第一折板、第二折板和第三折板，第一折板与第二折板和第三折板依次进行弯折设置；且沿靠近后腔尾部的方向，第一折板与静叶吸力面的内壁面之间的距离逐渐缩小；沿靠近后腔尾部的方向，第二折板与静叶压力面的内壁面之间的距离逐渐缩小；沿靠近后腔尾部的方向，第三折板与静叶压力面的内壁面之间的距离逐渐缩小。
进一步地，沿后腔尾部方向，所述第一折板上端部与第三折板上端部之间的连线向外直线延伸，分别与压力面的内壁面和吸力面的内壁面相交于A、B两点，且A和B之间的直线距离3mm≤S≤7mm。
进一步地，所述第一折板沿后腔尾部方向逐渐靠近静叶吸力面，且第一折板的端部延长线与静叶吸力面的内壁面相交于一点，且第一折板与静叶吸力面的内壁面之间的夹角α为8°≤α≤15°。
进一步地，所述第二折板沿后腔尾部反方向逐渐靠近静叶吸力面，且第二折板的端部延长线与静叶吸力面的内壁面相交于一点，且第二折板与静叶吸力面的内壁面之间的夹角β为15°≤β≤25°
进一步地，所述第三折板沿后腔尾部方向逐渐靠近静叶压力面，且第三折板的端部延长线与静叶压力面的内壁面相交于一点，且第三折板与静叶压力面的内壁面之间的夹角γ为3°≤γ≤8°
进一步地，所述第一折板、第二折板和第三折板上均分别至少设有一个冲击孔。
进一步地，通过焊接将所述第二折板的端部和第三折板的端部固定在一起；
进一步地，所述前腔、中腔和后腔为相互独立的冷却通道；
进一步地，所述第一折板、第二折板和第三折板利用钣金件冲压形成。
进一步地，导流管围成一空腔，供气腔设置在空腔内。
与现有技术相比，本发明的有益效果具体体现在：
(1)本发明的燃气轮机高压涡轮静叶的导流管，相对现有技术的导流管，轴向位置更加细长，其尾部特殊结构能够布置在内腔宽度小于7mm的叶片尾部狭窄通道，解决了现有导流管在该区域无法布置的问题；
(2)本发明的燃气轮机高压涡轮静叶的导流管折板结构相对于传统的肋结构，压损更小，冷却效果更好，同时，降低了铸造难度，提高了铸造叶片成品率；
(3)本发明在不增加总冷却空气量的情况下，通过高效合理的导流管结构设计，增加了三个折板结构和冲击孔结构，同时加强了尾部狭长通道区域的对流冷却和冲击冷却效果，相对现有技术的导流管，最高温降达到60℃，压力面和吸力面叶片温度场都有很大的改善，解决了该区域的高温氧化腐蚀问题，提高了叶片使用寿命；
(4)本发明相对现有技术的导流管，加工工艺更加简单，通过直接冲压和焊接即可，解决了现有技术的导流管对小直径尾缘冲压困难的问题。
附图说明
图1为根据本发明的实施例的叶片的结构示意图；
图2为根据本发明的实施例的叶片后腔的局部放大图；
图3为根据本发明的实施例的导流管的局部放大图；
图4为根据本发明的实施例的导流管的压力面方向示意图；
图5为根据本发明的实施例的导流管的吸力面方向示意图；
附图标记：
1.导流管；2.静叶；3.后腔；4.环形通道；5.供气腔；6.冲击孔；7.尾部通道；8.第一折板；9.第二折板；10.第三折板；11.吸力面；12.压力面；13.前腔；14.中腔。
具体实施方式
为使本发明的目的和技术方案更加清楚，下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
根据图1-图5所示的一种具有导流管的燃气轮机静叶2，包括前腔13、中腔14和后腔3；所述前腔13、中腔14和后腔3依次设置，所述前腔13、中腔14和后腔3为相互独立设置，且前腔13、中腔14和后腔3分别形成静叶2内部的空气冷却通道；且所述后腔3内设有供气腔5；
该静叶2还包括导流管1，所述导流管1设于后腔3内部，且导流管1的外围与后腔3的壁面之间形成有环形通道4，所述导流管1包围住供气腔5，其中供气腔5和环形通道4之间通过导流管1上开设的冲击孔6进行连通；而设置冲击孔6的作用是可以进一步降低相应区域的静叶叶片的温度；
所述导流管1包括折板组件，就导流管1的整个结构部分来讲，整个导流管1结构的下半部分为弯折部分，也即是由弯折组件构成的，而整个导流管1结构的上半部分具有一定的弧度，导流管1对叶片尾部通道7的内壁面具有强化冷却作用，防止该区域出现高温氧化腐蚀，解决了传统导流管1在该区域受工艺限制无法布置的问题，提高了叶片使用寿命；且折板组件在静叶2后腔3的尾部通道处进行弯折，形成了第一折板8、第二折板9和第三折板10，第一折板8与第二折板9和第三折板10依次进行弯折设置；且沿靠近后腔3尾部的方向，如图1和图2中沿箭头的方向为沿靠近后腔3尾部的方向，第一折板8朝向静叶2吸力面11的内壁面，也即是第一折板8与静叶2吸力面11的内壁面之间的距离逐渐缩小，对冷却气体有加速作用，加强了该区域的流动换热效果；且沿后腔3尾部方向，第一折板8上端部与第三折板10上端部之间的连线向外直线延伸，分别与压力面12的内壁面和吸力面11的内壁面相交于A、B两点，也即是A点对应压力面B点对应吸力面其中A和B之间的直线距离3mm≤S≤7mm；具体的，S≤7mm空间属于狭长通道了，此时如果不进行折板设计，布置传统导流管比较困难，不能保证足够冲击距离，另外，传统导流管小直径尾缘冲压存在较大困难，而该导流管折板结构此时才能够发挥优势。而S＞7mm或者S＜3mm的空间布置不适用于该结构。
且第一折板8沿后腔3尾部方向逐渐靠近静叶2吸力面11，且第一折板8的端部延长线与静叶2吸力面11的内壁面相交于一点，且第一折板8与静叶2吸力面11的内壁面之间的夹角α为8°≤α≤15°，该范围内的角度值可以保证较好的对流冷却和冲击冷却效果；第一折板8上还开设有至少一个冲击孔6，其作用是通过对叶片吸力面11内壁面的冲击冷却，进一步降低该区域的叶片温度；具体的，尾部通道的结构为弯折处至后腔3尾部末端所构成的封闭空间，也即是图3中A、B连线与尾部之间；
沿靠近后腔3尾部的方向，第二折板9朝向静叶2压力面12的内壁面，也即是第二折板9与静叶2压力面12的内壁面之间的距离逐渐缩小；且第二折板9上开有至少一个冲击孔6，通过对叶片吸力面11的内壁面的冲击冷却，进一步降低该区域的叶片温度；其中第二折板9沿后腔3尾部反方向逐渐靠近静叶2吸力面11，且第二折板9的端部延长线与静叶2吸力面11的内壁面相交于一点，且第二折板9与静叶2吸力面11的内壁面之间的夹角β为15°≤β≤25°，该范围内的角度值可以保证较好的对流冷却和冲击冷却效果；
沿靠近后腔3尾部的方向，第三折板10朝向叶片压力面12的内壁面，也即是第三折板10与静叶2压力面12的内壁面之间的距离逐渐缩小，且第三折板10的端部延长线与静叶2压力面12的内壁面相交于一点，且第三折板10与静叶2压力面12的内壁面之间的夹角γ为3°≤γ≤8°，该范围内的角度值可以保证较好的对流冷却和冲击冷却效果，第三折板10上至少开设有一个冲击孔6，通过对叶片压力面12内壁面的冲击冷却，进一步降低该区域的叶片温度；具体的，导流管1折板结构主要是对传统导流管1的优化改进，解决现有导流管1在狭长的尾部通道7区域内无法布置的问题，同时通过折板结构和冲击孔特殊结构，强化了该狭长的尾部通道7区域流体的对流换热和冲击冷却效果。该处结构可以用肋结构替代，但肋结构压损损耗更大，不利冷气从尾部排出，换热效果没也有折板结构冷却效果好，同时肋结构还也增加了铸造的难度，降低了铸造叶片成品率。
其中，通过焊接方式将所述第二折板9的端部和第三折板10的端部固定在一起，例如可选择通过氩弧焊进行焊接；第一折板8、第二折板9和第三折板10举可利用钣金件进行冲压形成，也即是第一折板8、第二折板9和第三折板10都是一体的，直接冲压形成，而第二折板9和第三折板10的下端部位置需要焊接固定操作。且导流管1设置折板结构会促使流道先收缩，对流体具有加速作用，可以加强对流换热，如果各折板的布置方式相反，流体将会减速，对流冷却效果将会变差,同时结构上也不太好实现，不利于第二折板9上冲击孔6对更靠近尾缘地方的冲击冷却。
具体的工作原理为：冷却气体进入叶片后腔3的供气腔5内，经导流管1的冲击孔6加速喷射到叶片压力面12内壁面和吸力面11内壁面，产生冲击冷却效果，可以有效冷却叶身区域。冲击冷却完成的冷气进入环形通道4，一部分气体通过叶片表面气膜孔喷出，对叶片表面起到气膜保护作用，其余流向叶片尾缘。在叶片尾部狭窄通道，由于第一折板8导致的流道收缩，加速了吸力面11的环形通道4气体的流动，加强了该区域的对流换热效果，同时第二折板9冲击孔6对壁面进行冲击冷却，进一步降低该区域的叶片温度，另外，第三折板10导致的流道收缩及第三折板10上的冲击孔6对壁面进行冲击冷却，加速了压力面12的环形通道4气体的流动，加强了该区域的对流换热效果。最终压力面12和吸力面11环形通道4气体在尾部汇合，通过尾缘扰流柱和出气槽后排出。
以上仅为本发明的实施方式，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 (9)
1.一种具有导流管的燃气轮机静叶，其特征在于，包括前腔、中腔和后腔；所述前腔、中腔和后腔依次设置，且后腔内设有供气腔；
还包括导流管，导流管设于后腔内部，且导流管的外围与后腔的壁面之间形成有环形通道，导流管包围住供气腔，且导流管上设有连通环形通道和供气腔的冲击孔；
所述导流管包括折板组件，折板组件包括第一折板、第二折板和第三折板，第一折板与第二折板和第三折板依次进行弯折设置；且沿靠近后腔尾部的方向，第一折板与静叶吸力面的内壁面之间的距离逐渐缩小；沿靠近后腔尾部的方向，第二折板与静叶压力面的内壁面之间的距离逐渐缩小；沿靠近后腔尾部的方向，第三折板与静叶压力面的内壁面之间的距离逐渐缩小。
2.根据权利要求1所述的一种具有导流管的燃气轮机静叶，其特征在于，沿后腔尾部方向，所述第一折板上端部与第三折板上端部之间的连线向外直线延伸，分别与压力面的内壁面和吸力面的内壁面相交于A、B两点，且A和B之间的直线距离S取值范围为3mm≤S≤7mm。
3.根据权利要求1所述的一种具有导流管的燃气轮机静叶，其特征在于，所述第一折板沿后腔尾部方向逐渐靠近静叶吸力面，且第一折板的端部延长线与静叶吸力面的内壁面相交于一点，且第一折板与静叶吸力面的内壁面之间的夹角α为8°≤α≤15°。
4.根据权利要求1所述的一种具有导流管的燃气轮机静叶，其特征在于，所述第二折板沿后腔尾部反方向逐渐靠近静叶吸力面，且第二折板的端部延长线与静叶吸力面的内壁面相交于一点，且第二折板与静叶吸力面的内壁面之间的夹角β为15°≤β≤25°。
5.根据权利要求1所述的一种具有导流管的燃气轮机静叶，其特征在于，所述第三折板沿后腔尾部方向逐渐靠近静叶压力面，且第三折板的端部延长线与静叶压力面的内壁面相交于一点，且第三折板与静叶压力面的内壁面之间的夹角γ为3°≤γ≤8°。
6.根据权利要求1所述的一种具有导流管的燃气轮机静叶，其特征在于，所述第一折板、第二折板和第三折板上均分别至少设有一个冲击孔。
7.根据权利要求1所述的一种具有导流管的燃气轮机静叶，其特征在于，通过焊接将所述第二折板的端部和第三折板的下端部固定在一起。
8.根据权利要求1所述的一种具有导流管的燃气轮机静叶，其特征在于，所述前腔、中腔和后腔为相互独立的空气冷却通道。
9.根据权利要求1所述的一种具有导流管的燃气轮机静叶，其特征在于，导流管围成一空腔，供气腔设置在空腔内。
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