CN114278387A - 叶顶冷却结构及采用该结构的燃气轮机透平动叶 - Google Patents

Abstract

一种叶顶冷却结构，包括叶片内靠近叶顶位置设置的冲击腔，所述叶顶布设有若干叶顶气膜孔，所述叶顶气膜孔与所述冲击腔连通，所述冲击腔与叶片内的供气腔仅通过若干冲击孔连通，由此形成冲击/气膜复合冷却结构。本发明有助于降低叶顶热负荷，保护叶顶区域稳定运行，为燃气轮机叶顶冷却结构设计提供借鉴。

Description

叶顶冷却结构及采用该结构的燃气轮机透平动叶

技术领域

本发明属于燃气轮机技术领域，涉及其叶片冷却技术，特别涉及一种叶顶冷却结构及采用该结构的燃气轮机透平动叶。

背景技术

为了追求的热效率和输出功率，燃气轮机的进口温度在不断提高，并远远超过了金属叶片可承受的温度。因此，燃机轮机内部的热端部件均布置有冷却结构，用以保护金属叶片。其中动叶叶顶的热负荷极高，烧蚀现象时有发生，是导致涡轮部件失效的重要原因之一，严重影响燃气轮机的安全稳定运行。因此，需要在叶顶区域设计更为先进的冷却技术来保护叶顶，对于提高燃气轮机的热效率和运行稳定性有重要意义。

目前关于叶顶冷却结构设计主要聚焦在以下几个方面：1、采用单一的气膜冷却结构，对于热负荷高的区域难以完全覆盖，造成叶顶局部热负荷过高；2、通过改变叶顶结构来提高叶顶冷却效率，但叶顶结构对于冷却效率的提高程度有限；3、通过布置更多的气膜孔和提高冷气流量来提高叶顶冷却效率，但意味着减小燃气轮机热效率。

由于动叶叶顶冷却结构设计存在上述的局限性，因此，需要设计新型的叶顶冷却结构来保护叶顶。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种叶顶冷却结构及采用该结构的燃气轮机透平动叶，利用传热学基本原理中冲击换热强度远远高于对流换热强度，设计了叶顶冲击/气膜复合冷却结构，通过此新型叶顶冷却结构能有效保护叶顶结构，同时为燃气轮机叶顶冷却结构设计提供借鉴。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种叶顶冷却结构，包括叶片内靠近叶顶位置设置的冲击腔，所述叶顶布设有若干叶顶气膜孔，所述叶顶气膜孔与所述冲击腔连通，所述冲击腔与叶片内的供气腔仅通过若干冲击孔连通，由此形成冲击/气膜复合冷却结构。

在一个实施例中，所述冲击腔的尺寸远小于所述供气腔的尺寸。

在一个实施例中，所述冲击腔的容积为所述供气腔容积的1/100至1/30。

在一个实施例中，所述冲击腔的截面形状与所述供气腔的外轮廓截面形状相同。

在一个实施例中，所述供气腔内设置导流片，冷气在其中曲折流动。

在一个实施例中，每一流道至少通过一个冲击孔与冲击腔连通。

在一个实施例中，所述供气腔与冲击腔之间设置冲击板，所述冲击孔是所述冲击板上的贯通孔。

在一个实施例中，所述叶顶气膜孔与所述冲击孔交错分布。

在一个实施例中，所述供气腔的水利直径相对于冲击孔和叶顶气膜孔的水利直径足够大，以使得冷却气体在流过冲击孔和叶顶气膜孔时保持稳定的流动状态。

本发明还要求保护一种采用所述叶顶冷却结构的燃气轮机透平动叶。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明设置了冲击板和冲击孔，由于冲击换热的强度远远高于对流换热，因此可以有效降低叶顶的热负荷。

2)本发明设置的冲击板可以根据叶顶热负荷的分布调节其厚度进而改变冲击强度。

3)本发明设置的冲击腔可以根据叶顶热负荷的分布调节其高度进而改变冲击强度。

4)本发明设置的冲击孔可以根据叶顶热负荷的分布改变其位置，直径大小，角度，形状，数目等，避免叶顶出现热负荷过高的区域。

5)本发明的供气腔的水利直径相对于冲击孔和叶顶气膜孔的水利直径足够大，供气腔能够稳定冷却气体压力，使得冷却气体在流过冲击孔和叶顶气膜孔时流动状态更加稳定。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2为本发明沿叶顶向叶根方向的截面示意图。

图3为冲击板和冲击孔结构示意图。

其中，1-供气腔，2-冲击孔，3-冲击板，4-冲击腔，5-叶顶气膜孔，6-叶顶，7-叶片壁面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

燃气轮机透平动叶是装配在燃气轮机透平转轴上的旋转部件，来自燃烧室的高温高压主流流过动叶时能够推动动叶做功，进而带动透平转轴旋转，输出机械功，一般为内部中空结构，由于叶顶与上端壁存在一个间隙，高温主流在动叶压力面和吸力面两侧压差作用下流过叶顶表面，同时，由于其流动的边界层很薄，换热较强，使得其叶顶的热负荷极高。

基于此，本发明提供了一种叶顶冷却结构，在动叶叶片内，靠近叶顶6位置设置了冲击腔4，冲击腔4一方面通过叶顶6的若干叶顶气膜孔5连通至叶片外部，另一方面仅通过若干冲击孔2与动叶叶片内原有的供气腔1连通，由此形成冲击/气膜复合冷却结构。

其详细的原理在于：冷却气体进入供气腔1，在供气腔1尽可能地获得稳定状态，之后通过冲击孔2进入冲击腔4，经冲击孔2流出的冷却气体直径冲击在叶顶6的下表面，进行高强度的冲击换热，带走一部分叶顶的热量，降低叶顶热负荷6，并最终由叶顶气膜孔5排出，在叶顶6表面形成气膜，隔绝叶顶6与高温主流，进一步降低叶顶6热负荷，得到冲击/气膜复合冷却效果。

在本发明的一个实施例中，冲击腔4的尺寸应远小于供气腔1的尺寸。示例地，冲击腔4的容积一般宜为供气腔1容积的1/100至1/30，供气腔1应足够大，使得冷却气体在流出不同的冲击孔3时流量分配均匀，同时冲击腔4应较小，使得冷却气体在流出冲击孔3时能够直接冲击到叶顶6的下表面，保证冲击强度。

在本发明的一个实施例中，为使得供气腔1能够稳定冷却气体的压力，示例地，供气腔1的水利直径相对于冲击孔2和叶顶气膜孔5的水利直径足够大，以使得冷却气体在流过冲击孔2和叶顶气膜孔5时保持稳定的流动状态。

在本发明的一个实施例中，为使得叶顶6得到均匀稳定的冷却效果，冲击腔4的截面形状与供气腔1的外轮廓截面形状相同，即，与叶片的截面形状相同或者相似。

在本发明的一个实施例中，为提升冲击对流的效果，可在供气腔1内设置导流片，使得冷气在其中曲折流动。示例地，每一流道应至少通过一个冲击孔2与冲击腔4连通。使得叶顶6的对应区域有冲击效果，防止叶顶6出现热负荷过高的区域。

在本发明的一个实施例中，一种可行的实现方式，供气腔1与冲击腔4之间以冲击板3隔开，而冲击孔2则是冲击板3上的贯通孔。冲击板3与叶顶6、叶片壁面7相互连接，由于叶片材料存在导热性，冷却气体流经冲击板3表面和冲击孔2时可以带走一部分热量，能够降低叶顶6和叶片壁面7的热负荷。同时，经由冲击孔2出流的冷却气体速度较高，直接冲击在叶顶6的下表面，由于冲击换热强度很大，可以有效的降低叶顶热负荷。

在本发明的一个实施例中，叶顶气膜孔5与冲击孔2交错分布。这样可以使得冷却气流在流出冲击孔2后直接冲击在叶顶6的下表面某个没有叶顶气膜孔5的区域，保证冲击效果。

前述的叶顶冷却结构中，供气腔1、冲击孔2、冲击板3、冲击腔4、叶顶气膜孔5、叶顶6、叶片壁面7等均可由铸造加工而成

本发明的具体设计步骤为：

1)根据叶顶6表面热负荷分布，首先设计叶顶气膜孔5的布局，可以改变叶顶气膜孔5的角度、直径、个数、位置、形状等。

2)确定冲击腔4的高度。

3)确定冲击板3厚度。

4)确定冲击孔2的角度、直径、个数、位置、形状等。

在本发明中，冲击孔2可以根据叶顶6热负荷的分布改变其角度、直径、个数、位置、形状等，以避免叶顶6出现热负荷过高的区域。具体地，当叶顶6某一区域热负荷过高时，可以在该区域正对冲击板3的位置布置冲击孔2；并且布置的冲击孔2个数可以为单个或者多个；冲击孔2相对于冲击板3水平面的角度可以为90度，同时采用水利直径比较小的冲击孔2，进而增大气流的冲击速度；冲击孔2形状可以采用圆形或者矩形。

在本发明中，冲击板3可以根据叶顶6热负荷的分布调节其厚度进而改变冲击强度。具体地，当叶顶6的热负荷过高时，应当增加冲击板3的厚度，使得冷却气体在流过冲击孔2时带走更多热量。

在本发明中，冲击腔4可以根据叶顶6热负荷的分布调节其高度进而改变冲击强度。具体地，当叶顶6的热负荷过高时，应当降低冲击腔4的高度，进而减小冲击距离，增强气流冲击的强度。

在本发明中，叶顶气膜孔5可以根据叶顶6热负荷的分布改变其角度、直径、个数、位置、形状等。具体地，当叶顶6某一区域热负荷过高时，可以在该区域的上游布置叶顶气膜孔5；并且布置的叶顶气膜孔5个数可以为单个或者多个；叶顶气膜孔5相对于叶顶6的水平面的角度尽可能小，同时采用水利直径比较大的叶顶气膜孔5，使得叶顶气膜孔5出流的冷却气体更好的覆盖叶顶6高热负荷区域；叶顶气膜孔5的形状可以采用扇形孔。

在本发明中，叶顶6可以根据叶顶热负荷的分布而改变叶顶6的厚度。具体地，当叶顶6的热负荷过高时，应当增加叶顶6的厚度，使得冷却气体在流过叶顶气膜孔5时带走更多热量。

在本发明中，叶片壁面7可以根据叶顶热负荷的分布而改变叶顶壁面7的厚度。具体地，当叶顶6的热负荷过高时，应当叶片壁面7的厚度，使得冷却气体在供气腔1和冲击腔4内流动时带走更多热量。

利用前述的叶顶冷却结构，即得相应的燃气轮机透平动叶。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种叶顶冷却结构，其特征在于，包括叶片内靠近叶顶(6)位置设置的冲击腔(4)，所述叶顶(6)布设有若干叶顶气膜孔(5)，所述叶顶气膜孔(5)与所述冲击腔(4)连通，所述冲击腔(4)与叶片内的供气腔(1)仅通过若干冲击孔(2)连通，由此形成冲击/气膜复合冷却结构。

2.根据权利要求1所述叶顶冷却结构，其特征在于，所述冲击腔(4)的尺寸远小于所述供气腔(1)的尺寸。

3.根据权利要求1所述叶顶冷却结构，其特征在于，所述冲击腔(4)的容积为所述供气腔(1)容积的1/100至1/30。

4.根据权利要求1所述叶顶冷却结构，其特征在于，所述冲击腔(4)的截面形状与所述供气腔(1)的外轮廓截面形状相同。

5.根据权利要求1所述叶顶冷却结构，其特征在于，所述供气腔(1)内设置导流片，冷气在其中曲折流动。

6.根据权利要求5所述叶顶冷却结构，其特征在于，每一流道至少通过一个冲击孔(2)与冲击腔(4)连通。

7.根据权利要求1所述叶顶冷却结构，其特征在于，所述供气腔(1)与冲击腔(4)之间设置冲击板(3)，所述冲击孔(2)是所述冲击板(3)上的贯通孔。

8.根据权利要求1所述叶顶冷却结构，其特征在于，所述叶顶气膜孔(5)与所述冲击孔(2)交错分布。

9.根据权利要求1所述叶顶冷却结构，其特征在于，所述供气腔(1)的水利直径相对于冲击孔(2)和叶顶气膜孔(5)的水利直径足够大，以使得冷却气体在流过冲击孔(2)和叶顶气膜孔(5)时保持稳定的流动状态。

10.一种采用权利要求1～9任一项所述叶顶冷却结构的燃气轮机透平动叶。

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