CN116857021B - 一种分离式涡轮导向叶片 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃机轮机导向叶片技术领域，具体涉及一种分离式涡轮导向叶片，包括前部叶身、后部叶身、内叶缘和外叶缘；所述前部叶身拼接于后部叶身的前侧；前部叶身的内外两端分别与内叶缘和外叶缘插接连接，后部叶身的内外两端也分别与内叶缘和外叶缘插接连接；采用前部叶身、后部叶身、内叶缘和外叶缘等部件分体制造并组合使用的结构形成，使得涡轮导向叶片的前部叶身、后部叶身、内叶缘和外叶缘均可以才采用不同的熔铸温度、冷却温度、冷却速度，使得涡轮导向叶片各个部位的晶粒度更容易满足不同燃气轮机或者同一燃气轮机不同部位处的指定要求。

Description

一种分离式涡轮导向叶片

技术领域

本发明属于燃机轮机导向叶片技术领域，具体涉及一种分离式涡轮导向叶片。

背景技术

现有的涡轮导向叶片通常采用精密熔模铸造而成，晶粒度是影响铸造阶段叶片质量的重要因素。叶片的多种力学性能，如蠕变、低周期疲劳和热疲劳等，都与晶粒度有一定关系，大晶粒使叶片塑性和韧性降低，疲劳性能下降，但在高温环境下相对细晶粒可以增加位错运动阻力，使屈服强度提高。而小晶粒会导致金属的耐蠕变性能差，但对于叶片疲劳性能和低温拉伸有改善。所以不同工况下对导向叶片的叶身晶粒度要求差异大。大小合适，细致均匀的晶粒对保证导向叶片寿命及性能起到一定的作用

涡轮导向叶片熔铸结束冷却时在叶身与缘板交汇处容易受到缘板冷却速度的影响，将会从缘板处吸收金属进行补缩，且相较于叶身中间段更靠近冒口导致与叶身部分冷却成型速度不一致，导致产生相比叶身中间部位大小、形状和方向差异较大的大晶粒。而对于叶片尾部来说，在熔铸成型时影响晶粒大小的主要因素就是叶片冷却速度，例如：尾缘由于具有排气尾缝，该部位较薄，使得该部位的冷却速度远快于叶身中间壁面和叶身前部，造成尾缘会出现过于细小的晶粒，在高温工作环境下该部位的细小晶粒会发生融合变大，这一过程会减低导向叶片的疲劳性能，继而影响寿命。为了避免出现晶粒过大或过小的情况发生，控制其熔铸温度和冷却温度是常见且有效方式之一，但是现有导向叶片采用叶身与缘板一起整铸的结构形式，造成技术人员很难对导向叶片各个部位的熔铸温度和冷却温度进行协调统一的控制。

为此，有必要设计一种能够分体制造并组合使用的涡轮导向叶片结构。

发明内容

为了解决涡轮导向叶片整体熔铸影响各部位晶粒度控制的问题，本方案提供了一种分离式涡轮导向叶片。

本发明所采用的技术方案为：

一种分离式涡轮导向叶片，包括前部叶身、后部叶身、内叶缘和外叶缘；所述前部叶身拼接于后部叶身的前侧；前部叶身的内外两端分别与内叶缘和外叶缘插接连接，后部叶身的内外两端也分别与内叶缘和外叶缘插接连接。

作为上述分离式涡轮导向叶片的备选结构或补充设计：在前部叶身的后侧设置有一个或多个卡槽；在后部叶身的前侧设置有一个或多个限位凸扣；所述限位凸扣与卡槽咬合配合。

作为上述分离式涡轮导向叶片的备选结构或补充设计：所述前部叶身的后侧设置有应力槽；前部叶身与后部叶身拼接时，所述应力槽的槽沿与后部叶身的前侧相接，并使前部叶身与后部叶身之间形成用于降低内应力的空腔。

作为上述分离式涡轮导向叶片的备选结构或补充设计：所述前部叶身内设置有前冷却通道，前部叶身的表面设置有若干连通于前冷却通道的气膜孔；后部叶身内设置有后冷却通道，后部叶身的后侧设置有排气尾缝，排气尾缝连通于所述后冷却通道；所述后冷却通道与前冷却通道分离，以使两者内能够引入不同温度的冷却空气。

作为上述分离式涡轮导向叶片的备选结构或补充设计：所述前部叶身的前脊侧、叶盆侧和叶背侧设置的气膜孔为前气孔、叶盆气孔和叶背气孔；叶盆气孔的孔径大于前气孔和叶背气孔的孔径；所述气膜孔均为斜孔；所述后部叶身的叶盆侧和叶背侧均不设置孔结构。

作为上述分离式涡轮导向叶片的备选结构或补充设计：所述外叶缘的外侧设置有盖板；盖板与外叶缘之间形成有外缘气腔，在外缘气腔的前侧设置有外进气口；所述前部叶身外端的外插接头穿出到盖板外；所述后部叶身外端的外插榫头插接到外叶缘上，并使外缘气腔与后冷却通道连通。

作为上述分离式涡轮导向叶片的备选结构或补充设计：所述盖板包括前盖板和后盖板，所述前盖板与外叶缘之间形成有外缘前气腔，所述后盖板与外叶缘之间形成有外缘后气腔；外进气口设置于外缘前气腔的前侧，外缘前气腔与外缘后气腔之间设置有传递孔。

作为上述分离式涡轮导向叶片的备选结构或补充设计：在后部叶身的外端设置有固定耳板，所述固定耳板固定连接到盖板的外侧；固定耳板与外插榫头之间形成有端部卡口，所述盖板能够卡入到端部卡口的外侧，并在盖板的内壁与外插榫头之间形成外缘气腔与后冷却通道的连通通道。

作为上述分离式涡轮导向叶片的备选结构或补充设计：所述内叶缘的内部设置有内缘气腔，在内缘气腔的前侧设置有内进气口；所述前部叶身内端的内插接头穿过接头内过孔和接头外过孔并伸出于内叶缘；所述后部叶身内端的内插榫头插接到内叶缘上并钎焊固定，并使内缘气腔与后冷却通道连通。

作为上述分离式涡轮导向叶片的备选结构或补充设计：内叶缘与外叶缘之间连接有多个前部叶身和后部叶身的拼接结构；多个后部叶身的外端连通同一个外缘气腔，多个后部叶身的内端连通同一个内缘气腔。

作为上述分离式涡轮导向叶片的备选结构或补充设计：所述内叶缘和所述外叶缘均采用陶瓷基复合材料制造而成。

本发明的有益效果为：

1、本方案中，采用前部叶身、后部叶身、内叶缘和外叶缘等部件分体制造并组合使用的结构形成，使得涡轮导向叶片的前部叶身、后部叶身、内叶缘和外叶缘均可以才采用不同的熔铸温度、冷却温度、冷却速度，使得涡轮导向叶片各个部位的晶粒度更容易满足不同燃气轮机或者同一燃气轮机不同部位处的指定要求；

2、本方案中的分离式结构形式，能够在部分部件发生故障时，仅对对应部件进行更换即可，降低成本，同时也避免了涡轮导向叶片因局部熔铸质量不合格而造成的整体报废；

3、本方案中的前部叶身和后部叶身内设置有分别的冷却通道，前冷却通道和后冷却通道相互分离的结构形式，能够向两者中分别通入不同温度的冷却空气，能够有效的节省冷能，提高冷却空气的使用效率；

4、本方案中的内叶缘和外叶缘采用陶瓷基复合材料制造，由于陶瓷基复合材料热变形小、使用温度高、耐腐蚀效果好，有利于提高涡轮导向叶片的使用温度。

附图说明

为了更清楚地说明本方案实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本方案中的分离式涡轮导向叶片的组合结构图；

图2是前部叶身和后部叶身的组合结构图；

图3是前部叶身结构图；

图4是后部叶身结构图；

图5前部叶身和后部叶身的截面结构图；

图6是外叶缘的结构示意图；

图7是内叶缘的结构示意图；

图8是分离式涡轮导向叶片的另一视角结构图；

图9是通过锁紧螺钉固定的涡轮导向叶片的结构图；

图10是二联叶片式的涡轮导向叶片的结构图。

图中：1-前部叶身；11-前气孔；12-叶盆气孔；13-内插接头；14-外插接头；15-卡槽；16-前冷却通道；17-叶背气孔；18-应力槽；2-后部叶身；21-固定耳板；22-端部卡口；23-后冷却通道；24-外插榫头；25-排气尾缝；26-限位凸扣；27-内插榫头；28-导流槽；3-内叶缘；31-接头内过孔；32-内缘气腔；33-内榫头孔；34-第一溢气膜孔；35-接头外过孔；36-内进气口；4-外叶缘；41-外进气口；42-传递孔；43-叶身外插孔；44-第二溢气膜孔；45-外缘气腔；5-前盖板；6-后盖板；7-锁紧螺钉。

具体实施方式

下面将结合附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是一部分实施例，而非是全部，基于本方案中的实施例，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，都属于本方案的保护范围。

实施例1

由于整体熔铸的涡轮导向叶片，在进行熔铸和冷却时，将会造成叶身和缘板等部件的不同部位处的晶粒度各不相同，技术人员在生产时很难实现协调控制。

为此，本实施例设计了一种分离式涡轮导向叶片，如图1至图9所示，本实施例中的分离式涡轮导向叶片包括前部叶身1、后部叶身2、内叶缘3和外叶缘4等部件。

所述前部叶身1拼接于后部叶身2的前侧；具体的，在前部叶身1的后侧设置有一个或多个卡槽15，该卡槽15可以横向于前部叶身1；在后部叶身2的前侧设置有一个或多个限位凸扣26，限位凸扣26的形状和数量与卡槽15的形状和数量一一对应，使用时，该所述限位凸扣26与卡槽15咬合配合，即可实现前部叶身1、后部叶身2的拼接。

前部叶身1的内端和外端分别与内叶缘3和外叶缘4插接连接，后部叶身2的内外两端也分别与内叶缘3和外叶缘4插接连接。具体方式，可以采用参考现有的榫卯插接方式，也可以参考实施例2中的结构，此处不做详述。

所述前部叶身1的后侧设置有应力槽18；前部叶身1与后部叶身2拼接时，所述应力槽18的槽沿与后部叶身2的前侧相接，并使前部叶身1与后部叶身2之间形成用于降低内应力的空腔，该空腔不仅能够阻挡前部叶身1与后部叶身2之间的温度传递，同时在前部叶身1与后部叶身2在不同温度下发生应力形变时，能够利用该空腔来控制前部叶身1的后壁面的厚度，同时降低前部叶身1在高温时产生的内应力变形。

内叶缘3和外叶缘4均呈弧形，从而使得多个内叶缘3能够拼接成圆环形，多个外叶缘4也能够拼接成圆环形。

本实施例采用前部叶身1、后部叶身2、内叶缘3和外叶缘4等部件分体制造并组合使用的结构形成，使得涡轮导向叶片的前部叶身1、后部叶身2、内叶缘3和外叶缘4均可以才采用不同的熔铸温度、冷却温度、冷却速度，使得涡轮导向叶片各个部位的晶粒度更容易满足不同燃气轮机或者同一燃气轮机不同部位处的指定要求；此外，在部分部件发生故障时，仅需要将对应部件进行更换即可，降低成本，同时也避免了涡轮导向叶片因局部熔铸质量不合格而造成的整体报废。

实施例2

现有技术中降低涡轮导向叶片温度的主要措施是叶片内腔注入冷气，通过气膜孔和排气尾缝25进行降温。而由于涡轮导向叶片进气边处的温度高于排气边的温度，造成叶身前侧对冷却空气的需求更高，而现有涡轮导向叶片结构中，仅有小部分冷气从叶片前侧的气膜孔流出实现叶片前侧的降温，大部分冷气都直接从排气尾缝25流出，冷却效果有限，特别是对叶型较长的涡轮导向叶片而言，冷气对涡轮导向叶片前侧的降温效果明显较弱。

为此，本实施例在实施例1的结构基础上，进行进一步的改进。

前部叶身1内设置有前冷却通道16，前部叶身1的表面设置有若干连通于前冷却通道16的气膜孔；所述前部叶身1的前脊侧、叶盆侧和叶背侧设置的气膜孔为前气孔11、叶盆气孔12和叶背气孔17；叶盆气孔12的孔径大于前气孔11和叶背气孔17的孔径；所述气膜孔均为斜孔；前冷却通道16中的冷气能够从前气孔11、叶盆气孔12和叶背气孔17等气膜孔处排出，不仅降低前部叶身1的温度，同时也能够在前部叶身1和后部叶身2上形成气膜，从而实现前部叶身1和后部叶身2的冷却。

后部叶身2内设置有后冷却通道23，后部叶身2的后侧设置有排气尾缝25，排气尾缝25连通于所述后冷却通道23；后部叶身2的叶盆侧和叶背侧均不设置孔结构。后冷却通道23中的冷气仅仅从排气尾缝25处排出，从而提高排气尾缝25处的气流量，从而减少后部叶身2后侧的产生的尾流扰动。

以上结构中，所述后冷却通道23与前冷却通道16分离，后冷却通道23和前冷却通道16内能够引入不同温度的冷却空气，送入前冷却通道16中的冷却空气的温度可以低于送入后冷却通道23中的冷却空气，不仅能够提高冷空气的利用率和使用效率，还能够有效的节省冷能。

在外叶缘4的外侧设置有盖板；盖板盖合于外叶缘4的外侧，并与外叶缘4之间形成有外缘气腔45，在外缘气腔45的前侧设置有外进气口41，通入到后冷却通道23中的冷却空气可以从该外进气口41处进气。所述盖板可以包括前盖板5和后盖板6，所述前盖板5与外叶缘4之间形成有外缘前气腔，所述后盖板6与外叶缘4之间形成有外缘后气腔；外进气口41设置于外缘前气腔的前侧，外缘前气腔与外缘后气腔之间设置有传递孔42。

所述前部叶身1外端的外插接头14穿出到盖板外，具体的：在外叶缘4的内底部设置有翼形孔，在盖板上也设置供外插接头14穿过的盖孔，外插接头14穿过该翼形孔的前部分，然后穿过盖孔并伸出盖板外，从而通过外插接头14引入盖板外部的冷却空气。所述后部叶身2外端的外插榫头24插接到外叶缘4上，并使外缘气腔45与后冷却通道23连通，具体的：外插榫头24穿过该翼形孔的后部分并伸入到外缘气腔45内。此外，在后部叶身2的外端设置有固定耳板21，所述固定耳板21能够通过锁紧螺钉7固定连接到盖板的外侧；而在固定耳板21与外插榫头24之间形成有端部卡口22，所述盖板的盖孔处能够卡入到端部卡口22处，使得固定耳板21抵于盖板的外侧，在盖板的内壁与外插榫头24之间应当保留一定的间距，从而盖板与外插榫头24之间能够形成外缘气腔45与后冷却通道23的连通通道，从而使得经外进气口41流入到外缘气腔45中的冷却空气能够流入到后冷却通道23。在外缘气腔45的腔壁上设置有第二溢气膜孔44，外缘气腔45中的冷却空气能够从第二溢气膜孔44流入内缘板与外缘板之间的主气流通道内。

所述内叶缘3的内部设置有内缘气腔32，在内缘气腔32的前侧设置有内进气口36；所述前部叶身1内端的内插接头13穿过接头内过孔31和接头外过孔35并伸至内叶缘3的内侧，从而从内叶缘3的内侧将冷却空气引入到前冷却通道16中。所述后部叶身2内端的内插榫头27插接到内叶缘3上并钎焊固定，并使内缘气腔32与后冷却通道23连通，内进气口36进入内缘气腔32中的冷却空气能够流入到后冷却通道23内。在内缘气腔32的腔壁上设置有第一溢气膜孔34，内缘气腔32中的冷却空气能够从第一溢气膜孔34流入内缘板与外缘板之间的主气流通道内。

实施例3

在实施例2的结构基础上，当两个叶身设置于内叶缘3与外叶缘4之间时，将能够形成二联叶片式的涡轮导向叶片，如图10所示；该结构中，两个后部叶身2的外端连通外叶缘4内的同一个外缘气腔45，两个后部叶身2的内端连通内叶缘3内的同一个内缘气腔32。此外，还可以将多个叶身设置于内叶缘3与外叶缘4之间时，从而形成多联叶片式的涡轮导向叶片。

所述内叶缘3和所述外叶缘4均采用陶瓷基复合材料制造而成。从而利用陶瓷基复合材料热变形小、使用温度高、耐腐蚀效果好的优点，提高涡轮导向叶片的使用温度和使用寿命。

上述实施例仅仅是为了清楚地说明所做的举例，而并非对实施方式的限定；这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本技术的保护范围内。

Claims (8)

1.一种分离式涡轮导向叶片，其特征在于：包括前部叶身（1）、后部叶身（2）、内叶缘（3）和外叶缘（4）；所述前部叶身（1）拼接于后部叶身（2）的前侧；前部叶身（1）的内外两端分别与内叶缘（3）和外叶缘（4）插接连接，后部叶身（2）的内外两端也分别与内叶缘（3）和外叶缘（4）插接连接；

所述前部叶身（1）内设置有前冷却通道（16），前部叶身（1）的表面设置有若干连通于前冷却通道（16）的气膜孔；后部叶身（2）内设置有后冷却通道（23），后部叶身（2）的后侧设置有排气尾缝（25），排气尾缝（25）连通于所述后冷却通道（23）；所述后冷却通道（23）与前冷却通道（16）分离，以使两者内能够引入不同温度的冷却空气；

所述外叶缘（4）的外侧设置有盖板；盖板与外叶缘（4）之间形成有外缘气腔（45），在外缘气腔（45）的前侧设置有外进气口（41）；所述前部叶身（1）外端的外插接头（14）穿出到盖板外；所述后部叶身（2）外端的外插榫头（24）插接到外叶缘（4）上，并使外缘气腔（45）与后冷却通道（23）连通。

2.根据权利要求1所述的分离式涡轮导向叶片，其特征在于：在前部叶身（1）的后侧设置有一个或多个卡槽（15）；在后部叶身（2）的前侧设置有一个或多个限位凸扣（26）；所述限位凸扣（26）与卡槽（15）咬合配合。

3.根据权利要求2所述的分离式涡轮导向叶片，其特征在于：所述前部叶身（1）的后侧设置有应力槽（18）；前部叶身（1）与后部叶身（2）拼接时，所述应力槽（18）的槽沿与后部叶身（2）的前侧相接，并使前部叶身（1）与后部叶身（2）之间形成用于降低内应力的空腔。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的分离式涡轮导向叶片，其特征在于：所述前部叶身（1）的前脊侧、叶盆侧和叶背侧设置的气膜孔为前气孔（11）、叶盆气孔（12）和叶背气孔（17）；叶盆气孔（12）的孔径大于前气孔（11）和叶背气孔（17）的孔径；所述气膜孔均为斜孔；所述后部叶身（2）的叶盆侧和叶背侧均不设置孔结构。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的分离式涡轮导向叶片，其特征在于：在后部叶身（2）的外端设置有固定耳板（21），所述固定耳板（21）固定连接到盖板的外侧；固定耳板（21）与外插榫头（24）之间形成有端部卡口（22），所述盖板能够卡入到端部卡口（22）的外侧，并在盖板的内壁与外插榫头（24）之间形成外缘气腔（45）与后冷却通道（23）的连通通道。

6.根据权利要求1所述的分离式涡轮导向叶片，其特征在于：所述内叶缘（3）的内部设置有内缘气腔（32），在内缘气腔（32）的前侧设置有内进气口（36）；所述前部叶身（1）内端的内插接头（13）穿过接头内过孔（31）和接头外过孔（35）并伸出于内叶缘（3）；所述后部叶身（2）内端的内插榫头（27）插接到内叶缘（3）上并钎焊固定，并使内缘气腔（32）与后冷却通道（23）连通。

7.根据权利要求6所述的分离式涡轮导向叶片，其特征在于：内叶缘（3）与外叶缘（4）之间连接有多个前部叶身（1）和后部叶身（2）的拼接结构；多个后部叶身（2）的外端连通同一个外缘气腔（45），多个后部叶身（2）的内端连通同一个内缘气腔（32）。

8.根据权利要求1所述的分离式涡轮导向叶片，其特征在于：所述内叶缘（3）和所述外叶缘（4）均采用陶瓷基复合材料制造而成。