CN114412577B - 涡轮动叶长叶片 - Google Patents

Abstract

本申请涉及涡轮叶片冷却技术领域，尤其是涉及一种涡轮动叶长叶片。涡轮动叶长叶片的叶身满足：H≥2L；H为叶身的高度，L为叶身的最大宽度。涡轮动叶长叶片的内部设置有用于供冷却介质流通的冷却结构，冷却结构位于涡轮动叶长叶片的下半部分，冷却结构满足：M≤0.5H；M为冷却结构在叶身内部的部分的最大高度。本申请通过将冷却结构设置于涡轮动叶长叶片的下半部分，使冷却结构在涡轮动叶长叶片的叶身内部的最大高度不超过叶身高度的一半，以对涡轮动叶长叶片的应力较大的下半部分进行冷却降温，满足涡轮动叶长叶片的冷却需求，同时避免了在叶身上半部分去除内部材料以形成冷却结构的冷却流道而影响叶片的强度和使用寿命。

Description

涡轮动叶长叶片

技术领域

本申请涉及涡轮叶片冷却技术领域，尤其是涉及一种涡轮动叶长叶片。

背景技术

燃气轮机或者航空发动机的涡轮叶片工作在高温高压环境中，燃气进口温度超过金属材料可承受的温度，因此带有空心冷却结构的叶片是必不可少的；叶片的空心冷却结构的设计有以下几个限制条件：一是需要节约冷气，提高机组效率；二是要与叶片气动外形匹配，最大程度地降低空心冷却结构对叶片强度的影响；三是制造工艺的便利性，确保工艺可行性及成本控制。

对于涡轮的1～2级动叶，其承受温度较高，需要全方位冷却，由于1～2级动叶一般为短叶片，叶身的叶型最大厚度和尾缘厚度均较厚，适用于在其内部布置空心冷却结构。

但对于涡轮动叶长叶片，本身处于第三级及以后，燃气温度已经下降很多，冷却需求不要求太高，且动叶长叶片的叶型最大厚度和尾缘厚度都很薄，叶顶也具有明显的收缩减薄趋势，设置于1～2级动叶内部的较复杂的空心冷却结构难以布置在动叶长叶片内而不影响叶片的强度和寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带有空心冷却结构的涡轮动叶长叶片。

本发明提供了一种涡轮动叶长叶片，包括叶根、叶片平台和叶身；所述涡轮动叶长叶片设置有冷却结构，所述冷却结构包括形成于所述涡轮动叶长叶片的内部的用于供冷却介质流通的冷却流道；

所述冷却结构位于所述涡轮动叶长叶片的朝向所述叶根的下半部分，且所述冷却结构的部分位于叶身的内部；

所述叶身满足：H≥2L，所述冷却结构满足：M≤0.5H；

其中，H为所述叶身的高度，L为所述叶身的最大宽度，M为所述冷却结构在所述叶身的内部的最大高度。

进一步地，所述冷却结构包括进气腔室、冷却腔室和出气腔室；

所述叶身的宽度方向的一侧为叶片前缘，所述叶身的宽度方向的另一侧为叶片尾缘；

所述进气腔室位于所述涡轮动叶长叶片的靠近所述叶片前缘的一侧，所述出气腔室位于所述涡轮动叶长叶片的靠近所述叶片尾缘的一侧；

所述冷却腔室位于所述进气腔室和所述出气腔室之间，所述进气腔室通过所述冷却腔室与所述出气腔室相连通；

所述进气腔室、所述冷却腔室和所述出气腔室的内部空间形成所述冷却流道；

所述冷却结构在所述涡轮动叶长叶片的本体上形成有与所述进气腔室相连通的进气口，所述冷却结构在所述涡轮动叶长叶片的本体上形成有与所述出气腔室相连通的出气口。

进一步地，所述进气口位于所述叶根上，所述出气口位于所述叶片平台上。

进一步地，所述进气腔室位于所述冷却腔室朝向所述涡轮动叶长叶片的叶根的一侧，所述冷却腔室朝向所述叶根的一侧与所述进气腔室相连通；

所述出气腔室与所述冷却腔室之间形成有阻隔部，所述冷却腔室远离所述叶根的一端与所述出气腔室相连通。

进一步地，所述进气腔室位于所述冷却腔室朝向所述叶片前缘的一侧，所述冷却腔室朝向所述叶片前缘的一侧与所述进气腔室相连通；

所述出气腔室位于所述冷却腔室朝向所述叶片尾缘的一侧，所述冷却腔室朝向所述叶片尾缘的一侧与所述出气腔室相连通。

进一步地，所述冷却腔室包括多个彼此间隔开的且相互平行的第一通道，多个所述第一通道相互连通；

多个所述第一通道中的至少一个与所述进气腔室相连通，多个所述第一通道中的至少一个与所述出气腔室相连通。

进一步地，所述冷却腔室包括多个彼此间隔开的且相互平行的第二通道；

所述叶身的厚度方向的两侧分别为叶盆侧和叶背侧，多个所述第一通道位于靠近所述叶盆侧的一侧，多个所述第二通道位于靠近所述叶背侧的一侧；

多个所述第二通道相互连通，且多个所述第二通道中的至少一个与所述进气腔室相连通，多个所述第二通道中的至少一个与所述出气腔室相连通。

进一步地，多个所述第一通道的长度延伸方向与多个所述第二通道的长度延伸方向之间具有预定的角度，使多个所述第一通道和多个所述第二通道呈相互交叉；

至少一个所述第一通道与一个所述第二通道在通道末端相连通。

进一步地，任意相互交叉的所述第一通道和所述第二通道在交叉点处相连通。

进一步地，所述第一通道的延伸方向与所述叶身的宽度方向之间的夹角β满足：5°≤β≤85°。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的涡轮动叶长叶片，包括叶根、叶身和叶片平台，叶身具有预定的高度和最大宽度，且叶身满足：H≥2L；其中，H为叶身的高度，L为叶身的最大宽度，即涡轮动叶长叶片的叶身满足叶身的高度大于或等于叶身的最大宽度的2倍。涡轮动叶长叶片的内部设置有冷却结构，冷却结构包括冷却流道，冷却流道形成于涡轮动叶长叶片的内部，冷却流道用于供冷却介质流通。冷却结构位于涡轮动叶长叶片的朝向叶根的下半部分的内部，且冷却结构满足：M≤0.5H；其中M为冷却结构在叶身内部的部分的最大高度，H为叶身的高度。

本申请通过将冷却结构设置于涡轮动叶长叶片的下半部分，使冷却结构在涡轮动叶长叶片的叶身内部的最大高度不超过叶身高度的一半，以对涡轮动叶长叶片的应力较大的下半部分进行冷却降温，满足涡轮动叶长叶片的冷却需求，同时避免了在叶身上半部分去除内部材料以形成冷却结构的冷却流道而影响叶片的强度和使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的具有一种冷却结构的涡轮动叶长叶片的第一视角下的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的具有一种冷却结构的涡轮动叶长叶片的第二视角下的结构示意图；

图3为图2中A-A处剖面示意图；

图4为图1中的一种冷却结构的示意图；

图5为本发明实施例提供的具有又一种冷却结构的涡轮动叶长叶片的第一视角下的结构示意图；

图6为图5中的又一种冷却结构的示意图。

附图标记：

1-涡轮动叶长叶片、11-叶身、111-叶背侧，112-叶盆侧，113-叶片前缘，114-叶片尾缘，12-叶片平台，13-叶根，2-冷却结构，21-进气腔室，22-出气腔室，23-冷却腔室，231-第一通道，232-第二通道，24-进气口，25-出气口。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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”、“第三”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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面参照图1至图6描述根据本申请一些实施例所述的涡轮动叶长叶片。

如图1和图2所示，本申请提供了一种涡轮动叶长叶片1，包括叶根13、叶身11和叶片平台12，叶根13设置于叶片平台12的一侧，叶身11设置于叶片平台12的另一侧；比如，叶根13和叶身11分别一体形成于叶片平台12的两侧。叶身11具有预定的高度和最大宽度，且叶身11满足：H≥2L；其中，H为叶身11的高度，L为叶身11的最大宽度，即涡轮动叶长叶片1的叶身11满足叶身11的高度大于或等于叶身11的最大宽度的2倍。

涡轮动叶长叶片1的内部设置有冷却结构2，冷却结构2包括冷却流道，冷却流道形成于涡轮动叶长叶片1的内部，且冷却流通用于供冷却介质流通，冷却介质比如为空气，以通过冷却介质与涡轮动叶长叶片1进行热交换，从而实现对涡轮动叶长叶片1的冷却降温。

如图1和图2所示，涡轮动叶长叶片1设置有叶根13的一端为涡轮动叶长叶片1的高度方向的下端，另一端则为涡轮动叶长叶片1的高度方向的上端，冷却结构2位于涡轮动叶长叶片1的朝向叶根13的下半部分的内部；冷却结构2的部分位于叶身11的内部，且冷却结构2满足：M≤0.5H；其中M为冷却结构2在叶身11内部的部分的最大高度，H为叶身11的高度，即冷却结构2在叶身11内部的最大高度不超过叶身11高度的一半，当冷却结构2内有冷却介质流通时，能够对涡轮动叶长叶片1的下半部分进行冷却降温。

对于用于燃气轮机或者航空发动机的第三级及以后的涡轮动叶长叶片1，由于其所处环境的燃气温度相较于1～2级动叶所处环境的燃气温度已经下降很多，冷却需求也相对较低，且涡轮动叶长叶片1的叶型最大厚度和尾缘厚度都很薄，叶顶具有明显的收缩趋势，同时，涡轮动叶长叶片1在使用时的主要应力承受部位为叶型截面50％以下的部位，且承受应力较大；本申请通过将冷却结构2设置于涡轮动叶长叶片1的下半部分，使冷却结构2在涡轮动叶长叶片1的叶身11内部的最大高度不超过叶身11高度的一半，以对涡轮动叶长叶片1的应力较大的下半部分进行冷却降温，一方面在能够满足涡轮动叶长叶片1的冷却需求，同时避免了叶身11上半部分需要去除内部材料以形成冷却结构2的冷却流道而影响叶片的强度和使用寿命。

在本申请的一个实施例中，优选地，如图2和图3所示，冷却结构2包括形成于涡轮动叶长叶片1的内部的进气腔室21、冷却腔室23和出气腔室22；叶身11的宽度方向的一侧为叶身11的叶片前缘113，叶身11的宽度方向的另一侧为叶身11的叶片尾缘114，进气腔室21位于涡轮动叶长叶片1的内部靠近叶片前缘113的一侧，出气腔室22位于涡轮动叶长叶片1的内部靠近叶片尾缘114的一侧，冷却腔室23位于进气腔室21和出气腔室22之间，且进气腔室21通过冷却腔室23与出气腔室22相连通；冷却结构2在涡轮动叶长叶片1的本体上形成有与进气腔室21相连通的进气口24，冷却结构2在涡轮动叶长叶片1的本体上形成有与出气腔室22相连通的出气口25，外部的冷却介质能够经由进气口24进入涡轮动叶长叶片1的内部，然后依次流过进气腔室21、冷却腔室23和出气腔室22，最后经由出气口25流出涡轮动叶长叶片1；即，在具有预定高度的冷却结构2内，冷却介质有涡轮动叶长叶片1的宽度方向的一侧流动至另一侧，从而实现对涡轮动叶长叶片1的下半部分的充分的冷却降温。

冷却结构2在涡轮动叶长叶片1的本体上形成的进气口24；比如，如图1所示，进气口24位于涡轮动叶长叶片1的叶根13上。冷却结构2在涡轮动叶长叶片1的本体上形成的出气口25；比如，如图1所示，出气口25位于涡轮动叶长叶片1的叶片平台12上。即，避免了在叶身11的表面开孔，从而避免对叶片强度和使用寿命造成不利影响。

在本申请的一个实施例中，优选地，如图2和图4所示，冷却腔室23包括多个第一通道231，多个第一通道231沿着叶身11的宽度方向彼此间隔开的并相互平行设置，多个第一通道231在涡轮动叶片的内部均具有沿着涡轮动叶长叶片1的高度方向的高度；多个第一通道231彼此相互连通，且多个第一通道231中的至少一个与进气腔室21相连通，多个第一通道231中的至少一个与出气腔室22相连通；进气腔室21内的冷却介质能够进入到与进气腔室21相连通的第一通道231内，然后分散至全部第一通道231；多个第一通道231内的冷区介质能够通过与出气腔室22相连通的第一通道231汇聚至出气腔室22，然后经由出气口25流出涡轮动叶长叶片1。

在本申请的一个实施例中，优选地，冷却腔室23还包括多个第二通道232，多个第二通道232也沿着叶身11的宽度方向彼此间隔开的并相互平行设置，多个第二通道232在涡轮动叶片的内部均具有沿着涡轮动叶长叶片1的高度方向的高度；如图3所示，涡轮动叶长叶片1的叶身11的厚度方向的两侧分别为叶盆侧112和叶背侧111，多个第一通道231靠近叶盆侧112设置，多个第二通道232靠近叶背侧111设置，从而在涡轮动叶长叶片1的内部沿着叶身11的厚度方向形成双层流道，即一层为多个第一通道231形成，另一层为多个第二通道232形成。多个第二通道232彼此相互连通，且多个第二通道232中的至少一个与进气腔室21相连通，多个第二通道232中的至少一个与出气腔室22相连通；进气腔室21内的冷却介质能够进入到与进气腔室21相连通的第二通道232内，然后分散至全部第二通道232；多个第二通道232内的冷区介质能够通过与出气腔室22相连通的第二通道232汇聚至出气腔室22，然后经由出气口25流出涡轮动叶长叶片1。从而，通过在涡轮动叶长叶片1的内部设置双层流道，即多个第一通道231和多个第二通道232，在一定程度上增加了换热面积，使换热效率更高，同时也使换热区域的换热更均匀，降低了换热不均带来的热应力的影响。

在本申请的一个实施例中，优选地，如图2和图4所示，多个第一通道231的长度延伸方向与多个第二通道232的长度方向方向之间具有预定的角度，使得多个第一通道231和多个第二通道232呈相互交叉；比如，多个第一通道231的上端均朝向叶片尾缘114的一侧倾斜，多个第二通道232的上端均朝叶片前缘113的一侧倾斜。至少一个第一通道231与一个第二通道232相连通，从而使冷却介质在冷却腔室23内流通时，会发生由第一通道231换向至第二通道232，或者由第二通道232换向至第一通道231，进而增加冷却介质的在涡轮动叶长叶片1的内部的流程，提高换热效率。

优选地，如图2所示，第一通道231的长度延伸方向与叶身11的宽度方向之间的夹角β满足：5°≤β≤85°。

关于冷却腔室23、进气腔室21和出气腔室22的布置，在本申请的一个实施例中，优选地，如图1和图4所示，结构复杂的冷却腔室23设置于涡轮动叶长叶片1厚度较大的中部和叶片前缘113的一侧，进气腔室21位于冷却腔室23的下方，且冷却腔室23的下端与进气腔室21相连通；出气腔室22结构简单，设置于涡轮动叶长叶片1厚度较薄的叶片尾缘114的一侧，且出气腔室22与冷却腔室23之间形成有阻隔部，使得冷却腔室23的上端与出气腔室22相连通；从而冷却介质会由下方的进气腔室21向上流入冷却腔室23，然后再由冷却腔室23的上端流入出气腔室22，并顺着出气腔室22向下流动直至流出涡轮动叶长叶片1，使得冷却介质在涡轮动叶长叶片1的内部呈大体为U型的流动趋势，以保证冷却介质能够对涡轮动叶长叶片1的下半部分的有效换热，并通过整体的U型流动趋势以及第一通道231和第二通道232之间的转折换向增加介质的流程，提高换热效率。

在本申请的一个实施例中，优选地，如图5和图6所示，还可以将进气腔室21和出气腔室22分别设置于冷却腔室23的宽度方向的两侧，即进气腔室21位于冷却腔室23朝向叶片前缘113的一侧，且冷却腔室23朝向叶片前缘113的一侧与进气腔室21相连通；出气腔室22位于冷却腔室23朝向叶片尾缘114的一侧，且冷却腔室23朝向叶片尾缘114的一侧与出气腔室22相连通，使得冷却介质在涡轮动叶长叶片1的内部沿着涡轮动叶长叶片1的宽度方向由叶片前缘113的一侧流至叶片尾缘114的一侧，以保证对涡轮动叶长叶片1的下半部分的有效换热，并通过冷却介质在第一通道231和第二通道232内的换向增加冷却介质的流程，提高换热效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种涡轮动叶长叶片，包括叶根、叶片平台和叶身；其特征在于，所述涡轮动叶长叶片设置有冷却结构，所述冷却结构包括形成于所述涡轮动叶长叶片的内部的用于供冷却介质流通的冷却流道；

所述冷却结构位于所述涡轮动叶长叶片的朝向所述叶根的下半部分，且所述冷却结构的部分位于叶身的内部；

所述叶身满足：H≥2L，所述冷却结构满足：M≤0.5H；

其中，H为所述叶身的高度，L为所述叶身的最大宽度，M为所述冷却结构在所述叶身的内部的最大高度。

2.根据权利要求1所述的涡轮动叶长叶片，其特征在于，所述冷却结构包括进气腔室、冷却腔室和出气腔室；

所述叶身的宽度方向的一侧为叶片前缘，所述叶身的宽度方向的另一侧为叶片尾缘；

所述进气腔室位于所述涡轮动叶长叶片的靠近所述叶片前缘的一侧，所述出气腔室位于所述涡轮动叶长叶片的靠近所述叶片尾缘的一侧；

所述冷却腔室位于所述进气腔室和所述出气腔室之间，所述进气腔室通过所述冷却腔室与所述出气腔室相连通；

所述进气腔室、所述冷却腔室和所述出气腔室的内部空间形成所述冷却流道；

所述冷却结构在所述涡轮动叶长叶片的本体上形成有与所述进气腔室相连通的进气口，所述冷却结构在所述涡轮动叶长叶片的本体上形成有与所述出气腔室相连通的出气口。

3.根据权利要求2所述的涡轮动叶长叶片，其特征在于，所述进气口位于所述叶根上，所述出气口位于所述叶片平台上。

4.根据权利要求2所述的涡轮动叶长叶片，其特征在于，所述进气腔室位于所述冷却腔室朝向所述涡轮动叶长叶片的叶根的一侧，所述冷却腔室朝向所述叶根的一侧与所述进气腔室相连通；

所述出气腔室与所述冷却腔室之间形成有阻隔部，所述冷却腔室远离所述叶根的一端与所述出气腔室相连通。

5.根据权利要求2所述的涡轮动叶长叶片，其特征在于，所述进气腔室位于所述冷却腔室朝向所述叶片前缘的一侧，所述冷却腔室朝向所述叶片前缘的一侧与所述进气腔室相连通；

所述出气腔室位于所述冷却腔室朝向所述叶片尾缘的一侧，所述冷却腔室朝向所述叶片尾缘的一侧与所述出气腔室相连通。

6.根据权利要求2所述的涡轮动叶长叶片，其特征在于，所述冷却腔室包括多个彼此间隔开的且相互平行的第一通道，多个所述第一通道相互连通；

多个所述第一通道中的至少一个与所述进气腔室相连通，多个所述第一通道中的至少一个与所述出气腔室相连通。

7.根据权利要求6所述的涡轮动叶长叶片，其特征在于，所述冷却腔室包括多个彼此间隔开的且相互平行的第二通道；

所述叶身的厚度方向的两侧分别为叶盆侧和叶背侧，多个所述第一通道位于靠近所述叶盆侧的一侧，多个所述第二通道位于靠近所述叶背侧的一侧；

多个所述第二通道相互连通，且多个所述第二通道中的至少一个与所述进气腔室相连通，多个所述第二通道中的至少一个与所述出气腔室相连通。

8.根据权利要求7所述的涡轮动叶长叶片，其特征在于，多个所述第一通道的长度延伸方向与多个所述第二通道的长度延伸方向之间具有预定的角度，使多个所述第一通道和多个所述第二通道呈相互交叉；

至少一个所述第一通道与一个所述第二通道在冷却通道末端相连通。

9.根据权利要求8所述的涡轮动叶长叶片，其特征在于，任意相互交叉的所述第一通道和所述第二通道在交叉点处相连通。

10.根据权利要求8所述的涡轮动叶长叶片，其特征在于，所述第一通道的延伸方向与所述叶身的宽度方向之间的夹角β满足：5°≤β≤85°。