CN114893254A - 发动机叶片和燃气轮机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发动机叶片和燃气轮机，包括叶本体，所述叶本体包括叶身部和缘板部，所述叶身部通过圆角过渡连接与所述缘板部相连，所述叶本体内设有冷却通道，所述圆角过渡连接具有围成部分所述冷却通道的圆角内周壁，所述圆角内周壁设有扰流部，所述扰流部适于扰动所述圆角内周壁内的流体。本发明的发动机叶片的冷却效果好，在长期高温使用时不容易断裂，保证了燃气轮机使用的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，具体地，涉及一种发动机叶片和应用该发动机叶片的燃气轮机。
背景技术
燃气轮机是一种以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转的旋转叶轮式热力发动机，近年来，随着航空、船舶、发电等行业的快速发展，燃气轮机也得以快速发展。但是相关技术中，燃气轮机在长期使用时容易出现断裂，降低了燃气轮机的安全性和使用寿命，严重时甚至会造成重大安全事故。
发明内容
本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：
相关技术中，发动机叶片包括叶身和缘板，为了增强叶身和缘板的连接处的结构强度并避免应力集中的问题，叶身和缘板的连接处通常采用圆角过渡的设计形式，圆角连接处的厚度要大于其他叶身区域的厚度，由此，使得圆角连接处的冷却效果较差，在燃气轮机长时间运行后，圆角连接处容易高温蠕变、疲劳，严重时甚至会产生断裂，从而降低了燃气轮机的安全性和使用寿命。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明实施例提出一种发动机叶片，该发动机叶片的冷却效果好，在长期高温使用时不容易断裂，保证了燃气轮机使用的安全性。
本发明实施例还提出一种应用上述发动机叶片的燃气轮机。
本发明实施例的发动机叶片包括叶本体，所述叶本体包括叶身部和缘板部，所述叶身部通过圆角过渡连接与所述缘板部相连，所述叶本体内设有冷却通道，所述圆角过渡连接具有围成部分所述冷却通道的圆角内周壁，所述圆角内周壁设有扰流部，所述扰流部适于扰动所述圆角内周壁内的流体。
本发明实施例的发动机叶片的冷却效果好，在长期高温使用时不容易断裂，保证了燃气轮机使用的安全性。
在一些实施例中，所述扰流部包括多个凹槽和/或多个凸起，多个所述凹槽和/或多个所述凸起均布于所述圆角内周壁。
在一些实施例中，所述扰流部包括多个所述凹槽，多个所述凹槽分为多个凹槽组，多个凹槽组沿着所述冷却通道的延伸方向间隔排布，且每个所述凹槽组均包括多个沿着所述圆角内周壁的周向间隔排布的多个所述凹槽；
或，所述凹槽为环槽，多个所述凹槽沿着所述冷却通道的延伸方向间隔排布，且每个所述凹槽沿着所述圆角内周壁的周向延伸闭合。
在一些实施例中，所述扰流部包括多个所述凸起，多个所述凸起分为多个凸起组，多个凸起组沿着所述冷却通道的延伸方向间隔排布，且每个所述凸起组均包括多个沿着所述圆角内周壁的周向间隔排布的多个所述凸起；
或，所述凸起为环形，多个所述凸起沿着所述冷却通道的延伸方向间隔排布，且每个所述凸起沿着所述圆角内周壁的周向延伸闭合。
在一些实施例中，所述圆角过渡连接的厚度尺寸沿着从所述缘板部至所述叶身部的方向逐渐变小，多个所述凹槽沿着从所述缘板部至所述叶身部的方向间隔排布，且多个所述凹槽的槽深尺寸沿着从所述缘板部至所述叶身部的方向逐渐变小。
在一些实施例中，所述凹槽的槽底设有凸出部，所述凸出部向所述凹槽的槽口一侧凸出。
在一些实施例中，在沿着所述冷却通道的延伸方向上，相邻两个所述凹槽的间隔为第一宽度，所述凹槽的槽底的宽度为第二宽度，所述第一宽度小于所述第二宽度；
和/或，相邻两个所述凸起的间隔为第三宽度，所述凸起的宽度为第四宽度，所述第三宽度小于所述第四宽度。
在一些实施例中，在垂直于所述圆角内周壁内所述冷却通道的横向方向上，所述凹槽的槽深尺寸不超过位于同一横向方向上的所述圆角过渡连接的厚度尺寸的三分之一。
在一些实施例中，多个所述凹槽的横截面形状包括矩形、半圆形、椭圆形、拱形、三角形的至少一种。
本发明实施例的燃气轮机包括发动机叶片，所述发动机叶片为上述任一实施例中所述的发动机叶片。
附图说明
图1是本发明实施例的发动机叶片的整体结构示意图。
图2是图1中发动机叶片的A向示意图。
图3是图2中B-B处的剖视示意图。
图4是图3中发动机叶片的冷却通道的示意图。
图5是图4中C处的局部放大示意图。
图6是图4中D处的局部放大示意图。
图7是本发明另一实施例的扰流部的示意图。
图8是本发明又一实施例的扰流部的示意图。
附图标记：
叶本体100；
叶身部1；
缘板部2；
圆角过渡连接3；圆角内周壁31；
冷却通道4；
扰流部5；凹槽51；凸出部52。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1至图6所示，本发明实施例的发动机叶片包括叶本体100，叶本体100包括叶身部1和缘板部2，叶身部1通过圆角过渡连接3与缘板部2相连。例如，叶身部1和缘板部2可以通过浇筑的方式一体成型，在叶身部1和缘板部2的连接处进行圆角处理并形成圆角过渡连接3。
需要说明的是，圆角过渡连接3的壁厚尺寸要大于叶身部1的壁厚尺寸，由此，可以使得叶身部1和缘板部2之间具有较好的连接结构强度，满足了使用要求。
叶本体100内设有冷却通道4，圆角过渡连接3具有围成部分冷却通道4的圆角内周壁31，圆角内周壁31设有扰流部5，扰流部5适于扰动圆角内周壁31内的流体。
如图2至图4所示，叶本体100为中空结构，叶本体100的内部中空形成冷却通道4，冷却通道4可以沿着上下方向贯穿叶身、圆角过渡结构和缘板部2，使用时，冷却空气可以流入冷却通道4内，从而可以实现对叶本体100的冷却散热。
圆角过渡连接3大体为环形，圆角过渡连接3具有圆角内周壁31，部分冷却通道4形成在圆角内周壁31所围成的空间内。如图5所示，圆角内周壁31上设有扰流部5，扰流部5具有扰流效果，由此，在冷却通道4的流体(气流)流经圆角过渡连接3处时，扰动的气流可以增强圆角过渡连接3处的冷却效果。
本发明实施例的发动机叶片，由于在圆角过渡连接3的圆角内周壁31上设有扰流部5，从而可以增强对该区域的扰流，进而可以增强对圆角过渡连接3的冷却效果，降低了圆角内周壁31的壁面温度，避免了相关技术中，叶身部1和缘板部2之间的圆角过渡连接3容易高温蠕变、疲劳的问题，进而避免了圆角过渡连接3容易断裂的问题，保证了使用的安全性，延长了使用寿命。
其次，扰流部5的设置可以增加圆角内周壁31的散热面积，从而可以加快圆角过渡连接3的散热速度，进一步增强冷却效果。另外，在相同耗材的情况下，凹凸不平的扰流部5还具有增强结构强度的效果，从而保证了叶身部1和缘板部2之间的连接强度。
在一些实施例中，扰流部5包括多个凹槽51和/或多个凸起，多个凹槽51和/或多个凸起均布于圆角内周壁31。如图5和图6所示，扰流部5可以仅包括多个凹槽51，多个凹槽51可以均布在圆角内周壁31上。由此，在冷却通道4内的气流流经扰流部5时，气流可以在各个凹槽51内形成涡流和紊流，从而起到增强对圆角内周壁31冷却的效果。
可以理解的是，在其他一些实施例中，扰流部5也可以仅包括多个凸起，每个凸起均凸出圆角内周壁31的表面，多个凸起可以均布在圆角内周壁31上，通过凸起的挡止也可以形成对气流的扰动，从而增强冷却效果。另外，由于增设了凸起，还起到进一步增强结构强度的效果。
在其他一些实施例中，扰流部5也可以同时包括多个凹槽51和多个凸起，多个凹槽51和多个凸起可以在上下方向交替排布，也可以在圆角内周壁31的周向上交替排布。由此，可以进一步增强扰流效果并进一步增强冷却效果。
在一些实施例中，扰流部5包括多个凹槽51，多个凹槽51分为多个凹槽组，多个凹槽组沿着冷却通道4的延伸方向间隔排布，且每个凹槽组均包括多个沿着圆角内周壁31的周向间隔排布的多个凹槽51。如图5所示，扰流部5可以仅布置有多个凹槽51，多个凹槽51形成的凹槽组可以沿着上下方向间隔排布，每个凹槽组内的多个凹槽51均沿着周向方向间隔排布，由此，使得多个凹槽51有规则的分布在圆角内周壁31上，可以保证圆角过渡连接3的各个部分的冷却效果大体一致。
在其他一些实施例中，凹槽51为环槽，多个凹槽51沿着冷却通道4的延伸方向间隔排布，且每个凹槽51沿着圆角内周壁31的周向延伸闭合。凹槽51可以设有多个，每个凹槽51均可以为环形槽，多个凹槽51沿着上下方向间隔排布。由此，凹槽51内可以形成环形流道，气流可以在环形流道内流动，由于环形流道内气流的流动方向和冷却通道4内气流的流动方向大体垂直，从而可以进一步增强对气流的扰动并增强冷却效果。
在一些实施例中，扰流部5包括多个凸起，多个凸起分为多个凸起组，多个凸起组沿着冷却通道4的延伸方向间隔排布，且每个凸起组均包括多个沿着圆角内周壁31的周向间隔排布的多个凸起。凸起组的整体设置效果与上述凹槽组的技术效果大体一致，不同于设置凹槽51的情况，凸起由于要凸出圆角内周壁31，一定程度上会使得冷却通道4的通流面积减小，从而可以加速气流在圆角过渡连接3内的流动速度，有利于进一步提升冷却效果并加强结构强度。
在其他一些实施例中，凸起为环形，多个凸起沿着冷却通道4的延伸方向间隔排布，且每个凸起沿着圆角内周壁31的周向延伸闭合。相邻两个凸起之间也可以形成环形槽，从而也可以形成环形流道，环形流道的技术效果与上述实施例中相同，此处不再赘述。其次，环形凸起也具有缩小流通面积的作用，从而也可以进一步提升冷却效果并加强结构强度。
在一些实施例中，圆角过渡连接3的厚度尺寸沿着从缘板部2至叶身部1的方向逐渐变小，多个凹槽51沿着从缘板部2至叶身部1的方向间隔排布，且多个凹槽51的槽深尺寸沿着从缘板部2至叶身部1的方向逐渐变小。
如图4和图5所示，圆角过渡连接3的厚度尺寸沿着从下至上的方向逐渐变小，凹槽51的槽口朝向冷却通道4一侧，凹槽51的槽深尺寸大体为凹槽51在水平方向的深度尺寸。圆角内周壁31上的多个凹槽51的槽深尺寸大体也沿着从下至上的方向逐渐变小，由此，一方面可以起到减小壁厚的效果，使得圆角过渡连接3的壁厚在上下方向上大体能够保持一致，另一方面可以使得冷却效率和效果随着圆角过渡尺寸的厚度变化适应性变化，从而可以保证圆角过渡连接3在各处的冷却的一致性和均衡性。
在一些实施例中，凹槽51的槽底设有凸出部52，凸出部52向凹槽51的槽口一侧凸出。如图8所示，凸出部52可以与叶本体100一体设置，凸出部52即为凹槽51的槽底上的隆起，凸出部52的表面可以为曲面。凸出部52的设置可以增强对凹槽51内的气流的扰动，从而可以进一步增加散热面积并增强冷却效果。
在一些实施例中，在沿着冷却通道4的延伸方向上，相邻两个凹槽51的间隔为第一宽度，凹槽51的槽底的宽度为第二宽度，第一宽度小于第二宽度。如图5所示，冷却通道4的延伸方向大体为上下方向，第一宽度可视为第一宽度L1，第二宽度可视为第二宽度L2，第一宽度L1要小于第二宽度L2。由此，可以保证凹槽51对气流的扰流效果，避免第二宽度L2较大时扰流效果不明显的问题，从而保证了冷却效果。
在另一些实施例中，相邻两个凸起的间隔为第三宽度，凸起的宽度为第四宽度，第三宽度小于第四宽度。第三宽度可视为上述示例中的第一宽度L1，第四宽度可视为上述示例中的第二宽度L2，由此，也可以保证扰流效果，进而保证了冷却效果。
在一些实施例中，在垂直于圆角内周壁31内冷却通道4的横向方向上，凹槽51的槽深尺寸不超过位于同一横向方向上的圆角过渡连接3的厚度尺寸的三分之一。如图6所示，横向方向可以大体为水平方向，在同一水平方向，凹槽51的槽深尺寸L3和对应的圆角过渡连接3的厚度尺寸L4的比值不超过三分之一，例如，槽深尺寸L3和厚度尺寸L4的比值可以为四分之一、五分之一、六分之一等。由此，一方面为凹槽51的设计提供了具体的参数依据，在且在该范围内可以保证冷却效果，另一方面可以避免对圆角过渡连接3的结构强度影响较大的情况。
在一些实施例中，多个凹槽51的横截面形状包括矩形、半圆形、椭圆形、拱形、三角形的至少一种。例如，如图7所示，凹槽51的横截面形状可以为矩形，在其他一些实施例中。如图6所示，凹槽51的横截面形状也可以为半圆形，在另一些实施例中。如图8所示，凹槽51的横截面形状也可以为异形等。
需要说明的是，圆角内周壁31上的多个凹槽51的形状也可以富于变化，例如，部分凹槽51的横截面形状可以为拱形，部分凹槽51的横截面形状可以为三角形，部分凹槽51的横截面形状可以为椭圆形，由此，可以进一步增强扰动效果。
下面描述本发明实施例的燃气轮机。
本发明实施例的燃气轮机包括发动机叶片，发动机叶片可以为上述实施例中描述的发动机叶片。发动机叶片可以为燃气轮机的动叶或静叶。本发明实施例的燃气轮机的发动机叶片的冷却效果好，在长期高温使用时不容易断裂，保证了燃气轮机使用的安全性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种发动机叶片，其特征在于，包括叶本体，所述叶本体包括叶身部和缘板部，所述叶身部通过圆角过渡连接与所述缘板部相连，所述叶本体内设有冷却通道，所述圆角过渡连接具有围成部分所述冷却通道的圆角内周壁，所述圆角内周壁设有扰流部，所述扰流部适于扰动所述圆角内周壁内的流体。
2.根据权利要求1所述的发动机叶片，其特征在于，所述扰流部包括多个凹槽和/或多个凸起，多个所述凹槽和/或多个所述凸起均布于所述圆角内周壁。
3.根据权利要求2所述的发动机叶片，其特征在于，所述扰流部包括多个所述凹槽，多个所述凹槽分为多个凹槽组，多个凹槽组沿着所述冷却通道的延伸方向间隔排布，且每个所述凹槽组均包括多个沿着所述圆角内周壁的周向间隔排布的多个所述凹槽；
或，所述凹槽为环槽，多个所述凹槽沿着所述冷却通道的延伸方向间隔排布，且每个所述凹槽沿着所述圆角内周壁的周向延伸闭合。
4.根据权利要求2所述的发动机叶片，其特征在于，所述扰流部包括多个所述凸起，多个所述凸起分为多个凸起组，多个凸起组沿着所述冷却通道的延伸方向间隔排布，且每个所述凸起组均包括多个沿着所述圆角内周壁的周向间隔排布的多个所述凸起；
或，所述凸起为环形，多个所述凸起沿着所述冷却通道的延伸方向间隔排布，且每个所述凸起沿着所述圆角内周壁的周向延伸闭合。
5.根据权利要求2所述的发动机叶片，其特征在于，所述圆角过渡连接的厚度尺寸沿着从所述缘板部至所述叶身部的方向逐渐变小，多个所述凹槽沿着从所述缘板部至所述叶身部的方向间隔排布，且多个所述凹槽的槽深尺寸沿着从所述缘板部至所述叶身部的方向逐渐变小。
6.根据权利要求2所述的发动机叶片，其特征在于，所述凹槽的槽底设有凸出部，所述凸出部向所述凹槽的槽口一侧凸出。
7.根据权利要求2所述的发动机叶片，其特征在于，在沿着所述冷却通道的延伸方向上，相邻两个所述凹槽的间隔为第一宽度，所述凹槽的槽底的宽度为第二宽度，所述第一宽度小于所述第二宽度；
和/或，相邻两个所述凸起的间隔为第三宽度，所述凸起的宽度为第四宽度，所述第三宽度小于所述第四宽度。
8.根据权利要求2所述的发动机叶片，其特征在于，在垂直于所述圆角内周壁内所述冷却通道的横向方向上，所述凹槽的槽深尺寸不超过位于同一横向方向上的所述圆角过渡连接的厚度尺寸的三分之一。
9.根据权利要求2-8中任一项所述的发动机叶片，其特征在于，多个所述凹槽的横截面形状包括矩形、半圆形、椭圆形、拱形、三角形的至少一种。
10.一种燃气轮机，其特征在于，包括发动机叶片，所述发动机叶片为根据权利要求1-9中任一项所述的发动机叶片。
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