CN114278388A

CN114278388A - 一种透平叶片的气膜冷却结构

Info

Publication number: CN114278388A
Application number: CN202111599666.XA
Authority: CN
Inventors: 金婷婷; 张岳飞; 潘丞雄; 焦广云
Original assignee: Shanghai Electric Gas Turbine Co ltd
Current assignee: Shanghai Electric Gas Turbine Co ltd
Priority date: 2021-12-24
Filing date: 2021-12-24
Publication date: 2022-04-05

Abstract

本发明公开了透平叶片冷却技术领域的一种透平叶片的气膜冷却结构，包括叶身，叶身内设有冷却气通道，冷却气通道具有低温内表面；平台，平台设置于叶身的一端，平台与叶身间设有圆角过渡区，圆角过渡区具有高温外表面；气膜孔，气膜孔设置于圆角过渡区，气膜孔连通低温内表面和高温外表面，用于将冷却气通道内的冷却气引流至高温外表面，并形成冷却气膜。本发明中的气膜孔可使叶身内部冷却气通道的低温内表面与圆角过渡区的高温外表面连通，以将冷却气通道内的冷却气引流至高温外表面，并形成冷却气膜，该冷却气膜可对圆角过渡区进行气膜冷却，降低圆角过渡区的温度，并防止蠕变裂纹的产生，进而延长透平叶片的使用寿命。

Description

一种透平叶片的气膜冷却结构

技术领域

本发明涉及透平叶片冷却技术领域，具体涉及一种透平叶片的气膜冷却结构。

背景技术

随着燃气轮机技术的不断发展，燃气轮机效率不断的提高，如今燃气轮机的透平进口温度已远远超出了透平叶片合金材料本身的耐热极限，因此透平叶片普遍采用了陶瓷涂层和冷却结构等技术，以确保对部件的冷却均匀且充分。若对部件的冷却不充分，则会在该部件上产生热应力，长时间的循环热应力会造成诸如涡轮叶片等部件发生热疲劳，进而导致故障的发生。

典型的透平叶片冷却方式主要有：冲击冷却、气膜冷却以及内部通道冷却等。上述冷却方式对透平叶片直接遭受高温燃气冲刷的叶身和平台起到了很好的保护作用，延长了透平叶片的使用寿命。但经过长期的生产实践发现，现有透平叶片的叶身与平台之间的圆角过渡区在使用过程中容易出现裂纹，影响了透平叶片的使用寿命。

发明内容

发明人发现：在叶身与平台之间的圆角过渡区，遭受着高温燃气的冲刷，但却没有相应的冷却结构来进行冷却，导致圆角过渡区局部温度过高，容易产生热应力并导致蠕变应变过高，长此以往，叶身与平台之间的圆角过渡区易出现裂纹，影响了透平叶片的使用寿命。

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种透平叶片的气膜冷却结构，以解决现有透平叶片的圆角过渡区易出现裂纹的技术问题。

本发明所采用的技术方案为：一种透平叶片的气膜冷却结构，包括：

叶身，所述叶身内部设有冷却气通道，所述冷却气通道具有低温内表面；

平台，所述平台设置于所述叶身的一端，所述平台与所述叶身连接处设有圆角过渡区，所述圆角过渡区具有高温外表面；

气膜孔，所述气膜孔设置于所述圆角过渡区并连通所述低温内表面和所述高温外表面，用于将所述冷却气通道内的冷却气引流至所述高温外表面，并形成用于对所述圆角过渡区进行冷却的冷却气膜。

优选的，所述气膜孔的数量至少为2个。

优选的，多个所述气膜孔沿所述高温外表面上高温燃气流动方向线性排布于所述圆角过渡区。

优选的，多个所述气膜孔上下交错排布于所述圆角过渡区。

优选的，所述气膜孔的轴线方向与所述高温外表面上高温燃气流动方向的夹角为A，A≦90°。

优选的，所述气膜孔的轴线方向与所述冷却气通道内冷却气流动方向的夹角为B，B≦90°。

优选的，所述气膜孔通过激光打孔或电火花打孔工艺成型于所述圆角过渡区。

优选的，所述气膜孔的横截面为圆孔、方孔、扇形孔和椭圆孔中一种或两种。

优选的，所述气膜孔的直径为φ，0.5mm≦φ≦2mm。

优选的，相邻两个所述气膜孔的间距为D，2φ≦D。

本发明的有益效果：

本发明在透平叶片的叶身与平台之间的圆角过渡区设有气膜孔，该气膜孔使叶身内部冷却气通道的低温内表面与圆角过渡区的高温外表面连通，以将冷却气通道内的冷却气引流至高温外表面并形成冷却气膜，该冷却气膜可对圆角过渡区进行气膜冷却，以降低圆角过渡区的温度，并防止蠕变裂纹的产生，进而延长透平叶片的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的透平叶片的气膜冷却结构的结构示意图之一；

图2为图1中的A-A视图；

图3为图1中的B-B截面图；

图4为本发明的透平叶片的气膜冷却结构的结构示意图之二。

图中附图标记说明：

10、叶身；

11、冷却气通道；12、低温内表面；

20、平台；

30、圆角过渡区；31、高温外表面；

40、气膜孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

实施例，如图1-图3所示，一种透平叶片的气膜冷却结构，包括：

叶身10，在叶身10内部沿叶身10高度方向设有冷却气通道11，该冷却气通道11具有低温内表面12。

平台20，该平台20设置于叶身10的底端，在平台20与叶身10连接处设有圆角过渡区30，该圆角过渡区30具有环形的高温外表面31。

气膜孔40，该气膜孔40设置于圆角过渡区30并连通低温内表面12和高温外表面31，用于将冷却气通道11内的冷却气引流至高温外表面31，并形成用于对圆角过渡区30进行冷却的冷却气膜。

本申请在透平叶片的叶身10与平台20之间的圆角过渡区30设有气膜孔40，该气膜孔40使叶身10内部冷却气通道11的低温内表面12与圆角过渡区30的高温外表面31连通，可将冷却气通道11内的冷却气引流至高温外表面31并形成冷却气膜。气膜孔40内流动的冷却气可对圆角过渡区30进行预冷却，且由气膜孔40流出的冷却气可在高温燃气与圆角过渡区30之间形成冷却气膜，该冷却气膜不仅用于对圆角过渡区进行二次冷却，还可将高温燃气与圆角过渡区30隔离，以降低圆角过渡区30的温度，并防止蠕变裂纹的产生，进而延长透平叶片的使用寿命。

在一具体实施例中，如图3所示，图中，高温燃气在高温外表面31上沿逆时针方向流动，圆角过渡区30上气膜孔40的数量至少为2个。如此设置，是因为叶身10与平台20之间圆角过渡区30呈环形，高温燃气在圆角过渡区30上流动时，会形成内外两股同向流动的气流。因此，为了降低圆角过渡区30的温度，并防止圆角过渡区30局部温度过高，需要在叶身10两侧的圆角过渡区30分别设置气膜孔40。

在一具体实施例中，如图2所示，多个气膜孔40沿高温外表面31上高温燃气流动方向线性排布于圆角过渡区30。如此设置，是因为由气膜孔40流出的冷却气可在高温燃气与圆角过渡区30之间形成冷却气膜，将气膜孔40沿高温外表面31上高温燃气流动方向线性排布，可使所有的气膜孔40流出的冷却气形成的冷却气膜组成一气膜层，该气膜层可将高温燃气与圆角过渡区30隔离，从而防止圆角过渡区30局部温度过高。

在一具体实施例中，如图4所示，沿叶身10高度方向，在圆角过渡区30设有上下两排线性排布的气膜孔40，且上排气膜孔40与下排气膜孔40沿高温外表面31上高温燃气流动方向交错排布设置。如此设置，是因为圆角过渡区30上不同高度位置的高温燃气的温度分布不同，同时圆角过渡区30上不同高度位置的蠕变应力分布也不同；将一排气膜孔40设置在圆角过渡区30与高温燃气高温区相对的位置，另一排气膜孔40设置在圆角过渡区30的蠕变应力集中位置，可大大降低圆角过渡区30出现蠕变裂纹的可能。同时将上下两排气膜孔40沿高温燃气流动方向交错分布，可以降低气膜孔40成型对圆角过渡区30结构强度的影响。

在一具体实施例中，如图3所示，气膜孔40的轴线方向与高温外表面31上高温燃气流动方向的夹角为A，A≦90°。如此设置，是因为当气膜孔40的轴线方向与高温外表面31上高温燃气流动方向的夹角A为锐角时，由气膜孔40流出的冷却气可在流动的高温燃气的带动下，与高温燃气同向流动，进而便于在圆角过渡区30与高温燃气之间形成冷却气膜，以提高圆角过渡区30的冷却效果，进而延长透平叶片的使用寿命。

在一具体实施例中，如图2所示，气膜孔40的轴线方向与冷却气通道11内冷却气流动方向的夹角为B，B≦90°。如此设置，是因为当气膜孔40的轴线方向与冷却气通道11内冷却气流动方向的夹角B为锐角时，冷却气通道11内的一部分冷却气容易进入气膜孔40，进而实现对圆角过渡区30的冷却。

在一具体实施例中，气膜孔40通过激光打孔工艺或电火花打孔工艺，由高温外表面31至低温内表面12成型于圆角过渡区30。

需要说明的是，当叶身10的冷却气通道11的低温内表面12上设有肋时，气膜孔40在低温内表面12上的起始位置要避开肋。

在一具体实施例中，如图1、图2所示，气膜孔40的横截面为圆孔、方孔、扇形孔和椭圆孔中一种或两种。具体的，当气膜孔40为单型孔时，气膜孔40的横截面可以为圆孔、方孔、扇形孔和椭圆孔中的任意一种；当气膜孔40为复合型孔时，气膜孔40的进气端的横截面为圆孔，出气端的横截面为方孔。

在一具体实施例中，如图1所示，气膜孔40的直径为φ，0.5mm≦φ≦2mm。如此设置，是因为当气膜孔40的直径φ﹤0.5mm时，由于气膜孔40径向尺寸较小，导致由气膜孔40引流至高温外表面31上的冷却气气量不足，影响圆角过渡区30的冷却效果。当气膜孔40的直径2mm﹤φ时，由于气膜孔40径向尺寸较大，一是影响圆角过渡区30的结构强度，二是导致由气膜孔40引流至高温外表面31上的冷却气气量过多，影响冷却气通道11内冷却气对叶身10及其他部位的冷却效果。

优选的，相邻两个气膜孔40的间距为D，2φ≦D。如此设置，是因为当相邻两个气膜孔40的间距D≦2φ时，不仅会使相邻两个气膜孔40流出的冷却气形成的冷却气膜存在大量的重叠，导致冷却气的浪费，还会因气膜孔40数量过多影响圆角过渡区30的结构强度。

与现有技术相比，本申请至少具有以下有益技术效果：

本申请在叶身10和平台20之间的圆角过渡区30设置有气膜孔40，该气膜孔40可从叶身10的冷却气通道11中引流出很小一部分的冷却气，而引流出的冷却气可对圆角过渡区30进行气膜冷却，进而提高透平叶片的冷却效果，延长透平叶片的使用寿命。

本申请的气膜冷却结构一方面能够降低第二级静叶圆角过渡区30的高蠕变应力区域的温度，减小局部热应力，防止蠕变裂纹的出现，以延长透平叶片的使用寿命，降低透平叶片维修时的成本。另一方面，由于引出的冷却气气量相对于冷却气通道11内的总气量来说非常小，不会影响到透平叶片的叶身10及其他部分的冷却效果。

本申请采用气膜孔40对圆角过渡区30进行冷却，具有结构简单、方便实用的优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种透平叶片的气膜冷却结构，其特征在于，包括：

叶身(10)，所述叶身(10)内部设有冷却气通道(11)，所述冷却气通道(11)具有低温内表面(12)；

平台(20)，所述平台(20)设置于所述叶身(10)的一端，所述平台(20)与所述叶身(10)连接处设有圆角过渡区(30)，所述圆角过渡区(30)具有高温外表面(31)；

气膜孔(40)，所述气膜孔(40)设置于所述圆角过渡区(30)并连通所述低温内表面(12)和所述高温外表面(31)，用于将所述冷却气通道(11)内的冷却气引流至所述高温外表面(31)，并形成用于对所述圆角过渡区(30)进行冷却的冷却气膜。

2.根据权利要求1所述的一种透平叶片的气膜冷却结构，其特征在于，所述气膜孔(40)的数量至少为2个。

3.根据权利要求2所述的一种透平叶片的气膜冷却结构，其特征在于，多个所述气膜孔(40)沿所述高温外表面(31)上高温燃气流动方向线性排布于所述圆角过渡区(30)。

4.根据权利要求3所述的一种透平叶片的气膜冷却结构，其特征在于，多个所述气膜孔(40)上下交错排布于所述圆角过渡区(30)。

5.根据权利要求1所述的一种透平叶片的气膜冷却结构，其特征在于，所述气膜孔(40)的轴线方向与所述高温外表面(31)上高温燃气流动方向的夹角为A，A≦90°。

6.根据权利要求1所述的一种透平叶片的气膜冷却结构，其特征在于，所述气膜孔(40)的轴线方向与所述冷却气通道(11)内冷却气流动方向的夹角为B，B≦90°。

7.根据权利要求1所述的一种透平叶片的气膜冷却结构，其特征在于，所述气膜孔(40)通过激光打孔或电火花打孔工艺成型于所述圆角过渡区(30)。

8.根据权利要求1所述的一种透平叶片的气膜冷却结构，其特征在于，所述气膜孔(40)的横截面为圆孔、方孔、扇形孔和椭圆孔中一种或两种。

9.根据权利要求1所述的一种透平叶片的气膜冷却结构，其特征在于，所述气膜孔(40)的直径为φ，0.5mm≦φ≦2mm。

10.根据权利要求9所述的一种透平叶片的气膜冷却结构，其特征在于，相邻两个所述气膜孔(40)的间距为D，2φ≦D。