CN1327109C - 涡轮动叶片和燃气轮机 - Google Patents

Abstract

一种涡轮动叶片，其具有高耐热性，通过改进涡轮动叶片的冷却效率，能够使用较长的时间，并且通过使用这种涡轮动叶片来改进燃气轮机的热效率和工作效率。为了达到该目的，本发明提供了一种布置在燃气流路中的涡轮动叶片，其中，在其外表面中形成用于吹出冷却介质的多个吹出口，其中，在沿着涡轮动叶片的叶片后缘从叶根附近到叶梢附近布置的多个冷却介质后缘吹出口中，位于叶梢附近的叶梢后缘吹出口的开口面积被设定得大于其它后缘吹出口的开口面积。

Description

涡轮动叶片和燃气轮机

技术领域

本发明涉及适合用于发电厂等的燃气轮机的涡轮动叶片以及包括该动叶片的燃气轮机，尤其涉及设置有冷却结构的涡轮动叶片。

背景技术

为了提高用于发电厂等的工业燃气轮机的热效率，提高在轮机入口处工作的燃气(流体)的温度是有效的。另一方面，由于涡轮动叶片、静叶片和其它暴露在燃气中的部件的耐热性能受到它们的材料的物理性能的限制，不可能简单地提高轮机入口的温度。

因此，通过增加轮机入口温度同时用诸如冷却空气等的冷却介质来冷却涡轮叶片来保证涡轮叶片的耐热性能，从而提高热效率。

这种涡轮叶片冷却方法的例子包括对流冷却，其中使冷却介质在涡轮叶片内部流动，以及冲击冷却(impingement cooling)方法。另外，也使用薄膜冷却，其中冷却介质被吹向涡轮叶片的外表面以形成冷却介质膜。

以下利用图7和图8说明现有的涡轮动叶片的结构。

如图7的内部截面图所示，涡轮动叶片50具有三个内部流路51、52和53，冷却介质通过它们流动，供给口51a、52a和53a设置在基端面中，冷却介质从供给口被供给，以及在外表面中形成的多个流出口，用于吹出冷却介质。如图8的横截面图所示，吹出口包括设置在涡轮动叶片50的前缘中的前缘吹出口54，以及设置在后缘66中的后缘吹出口56。后缘吹出口沿着后缘66从叶根57附近到叶梢58附近设置在多个位置处，每个后缘吹出口56形成相同的尺寸。多个叶片表面吹出口55设置在叶片表面65的高压侧，并且或朝前缘方向或朝后缘方向倾斜。通过从前缘吹出口54吹出A进行喷淋冷却，通过从叶片表面吹出口55吹出B进行全表面薄膜冷却，并且，通过从后缘吹出口56吹出C进行缝冷却(slotcooling)。

另外，设置多个紊流器59以相对于冷却介质的流动倾斜，以便通过搅动冷却介质的流动而提高冷却效率。在具有两个U形转弯部分的内部流路52的情况下，紊流器59如下设置。即，在U形转弯部分60的上游侧，紊流器被设置为：当从与U形转弯部分60的内侧壁61连续的壁朝向与U形转弯部分60的外侧壁62连续的壁时，紊流器从上游到下游倾斜。在U形转弯部分60的下游侧，紊流器59倾斜以具有相反的方向。由于下一个U形转弯部分63的转弯方向与U形转弯部分60相反，在U形转弯部分60下游侧的紊流器59的斜度成为U形转弯部分63上游侧的紊流器59的斜度。

然而，在如上所述的涡轮动叶片50中，尽管使用了各种设计以保证耐热性能，在冷却仍然不充分的情况下，存在着在涡轮动叶片50的各种位置，诸如叶梢和叶片表面中产生烧损或者破碎的问题。例如，由于从涡轮动叶片50的基端面的供给口51a、52a和53a供给的冷却介质的温度在其经过内部流路并到达叶梢时升高，存在着冷却效率在叶梢处降低的问题。结果，不仅缩短涡轮动叶片50的寿命和降低使用这种涡轮动叶片50的燃气轮机的工作效率，而且存在减小热效率的问题。

发明内容

考虑到这些情况，本发明的目的是提供一种涡轮动叶片，其具有高的耐热性并能够使用较长的时间，并且通过提高涡轮动叶片的冷却效率提高燃气轮机的热效率和工作效率。

为了达到上述目的，本发明提供了一种设置在燃气流路中的涡轮动叶片，其中在其外表面中形成用于吹出冷却介质的多个吹出口，其中，在沿着涡轮动叶片的叶片后缘从叶根附近到叶梢附近布置的多个冷却介质后缘吹出口中，位于叶梢附近的叶梢后缘吹出口的开口面积被设定为大于其它后缘吹出口的开口面积。

根据上述涡轮动叶片，在沿着涡轮动叶片的叶片后缘从叶根附近到叶梢附近的多个位置处成直线设置的多个冷却介质后缘吹出口中，由于位于叶梢附近的叶梢后缘吹出口(尖标记特征)的开口面积被设定为大于其它后缘吹出口的开口面积，从叶梢后缘吹出口吹出的冷却介质的流量增加得比其它后缘吹出口要多，从而提高叶梢处的冷却效率。换句话说，通过增加在叶梢处的冷却介质流量而提高冷却效果，抵销了由于在涡轮动叶片的叶梢处冷却介质的温度升高而引起的冷却效果的降低，从而提高了冷却效果。结果，涡轮动叶片的耐热性提高了，可防止烧损和破碎，并延长了涡轮动叶片的寿命。

另外，为了达到上述目的，本发明提供了另一种设置在燃气流路中的涡轮动叶片，其中在其外表面中形成用于吹出冷却介质的多个吹出口，其中，设置内部流路，通过该内部流路冷却介质在其中流动，内部流路具有至少一个U形转弯部分，紊流器相对于冷却介质的流动方向倾斜，当从与U形转弯部分的外侧壁连续的壁朝向与内侧壁连续的壁时，在U形转弯部分上游侧的紊流器的倾斜方向为从上游到下游。

根据上述涡轮动叶片，流过具有U形转弯部分的内部流路和紊流器的冷却介质被U形转弯部分转向相反的方向，同时被设置为倾斜的紊流器搅动。这时，由于紊流器设置在U形转弯部分的上游侧以便当从与U形转弯部分的外侧壁连续的壁朝向与内侧壁连续的壁时从上游向下游倾斜，在U形转弯部分中的压力损失被减小。换句话说，尽管由于冷却介质被转向相反方向产生的离心力使得冷却介质通常很难在U形转弯部分的内侧壁上流动，但是，由于在U形转弯部分的上游侧设置紊流器以促使冷却介质朝向U形转弯部分的内侧流动，冷却介质易于流过U形转弯部分，从而减少了压力损失。因此，可增加流过内部流路的冷却介质的流量，从而提高了冷却效率。

另外，为了达到上述目的，本发明提供了另一种设置在燃气流路中的涡轮动叶片，其中在其外表面中形成用于吹出冷却介质的多个吹出口，其中，设置尖端孔，所述尖端孔释放冷却介质到叶梢附近的叶片表面，其中所述尖端孔朝向叶梢方向倾斜，并具有朝向叶梢方向扩张的扇形开口。

根据上述涡轮动叶片，由于从在叶梢附近的叶片表面中打开的尖端孔释放冷却介质，在叶梢附近获得薄膜冷却效果，并且，由于这些尖端孔朝向叶梢方向倾斜并且有朝向叶梢方向扩张的扇形开口，与现有技术相比，冷却介质更易于流到翼梢，提高了在翼梢处的薄膜冷却效果。结果，在叶梢处获得满意的冷却效果，从而有可能防止在叶梢处的烧损和破碎。

本发明还提供一种设置在燃气流路中的涡轮动叶片，其中在其外表面形成多个用于吹出冷却介质的多个吹出口，其中，在沿着叶片后缘从叶根附近到叶梢附近布置的多个冷却介质后缘吹出口中，位于叶梢附近的叶梢后缘吹出口的开口面积被设定为大于其它后缘吹出口的开口面积；紊流器被设置在燃气流路中，其中在动叶片的叶根后缘返回并向着叶梢流动的冷却介质流动，从而紊流器的倾斜方向为在冷却介质的流动方向上从前边侧壁向着后边侧壁的上游到下游的方向。

此外，为了达到上述目的，本发明提供了一种燃气轮机，包括压缩空气的压缩机、产生高温高压流体的燃烧室，以及通过用叶片将流体能转换为机械功而产生轴的转矩的涡轮机，其中所述燃气轮机包括所述涡轮动叶片。

根据上述燃气轮机，由于它包括上述的涡轮动叶片，即使在轮机入口处工作的燃气(流体)的温度达到高温时，也能抑制涡轮动叶片的烧损和破碎。结果，由于在轮机入口处工作的燃气的温度可提高到较高温度，从而有可能提高燃气轮机的热效率，由于涡轮动叶片的维修也可以减少，燃气轮机的工作效率也可以提高。

附图说明

图1是在本发明一个实施例中的燃气轮机的示意方块图；

图2是在本发明一个实施例中的涡轮动叶片的内部截面图；

图3是设置在涡轮动叶片中的尖部孔的前视图；

图4是沿着图2的Z-Z线的截面图；

图5是用于CFD分析的通过现有技术的倾斜紊流器的内部流路的示意图；

图6是用于CFD分析的通过本发明的倾斜紊流器的内部流路的示意图；

图7是现有技术的涡轮动叶片的内部截面图；和

图8是现有技术的涡轮动叶片的截面图。

具体实施方式

以下参照附图说明实施本发明的一种模式。

图1是本实施例的燃气轮机40的总体构成的截面图。用压缩机41压缩的空气在燃烧室42中与燃料混合后进行燃烧，该燃烧气体(流体)接着被从轮机入口43送入气轮机44的内部。在涡轮机44内部的燃气流路45中，燃气被涡轮静叶片46精馏，燃气的能量在设置在转轴47上的涡轮动叶片1的作用下产生轴的转矩。

用于燃气轮机40的涡轮动叶片1的内部截面图在图2中示出。涡轮动叶片1的根部2被固定到转轴47上，内部流路3、4、5设置在其中，供应冷却介质的供给口 6、7、8设置在根部表面9中。另外，将冷却介质吹出到外表面的多个吹出口设置在涡轮动叶片1中。在图2中，示出了在后缘10中打开的多个后缘吹出口11以及在叶梢表面12中打开的多个叶梢表面吹出口13。后缘吹出口11沿着涡轮动叶片1的后缘10设置在从根部14附近到叶梢15附近的多个位置处。在多个后缘吹出口11中，位于叶梢附近的叶梢后缘吹出口11A被设置为具有大于其它后缘吹出口11的开口区域。而且，图2的箭头的方向指示冷却介质流动的方向。

多个紊流器16相对于冷却介质的流动倾斜设置在内部流路3、4、5中。在具有两个U形转弯部分17和18的内部流路3的情况下，紊流器如下设置。即，在第一U形转弯部分17上游侧的流路3a中，紊流器被设置为当从与U形转弯部分17的外侧壁19连续的壁朝向与U形转弯部分17的内侧壁20连续的壁时从上游向下游倾斜。换句话说，由于冷却介质在U形转弯部分中被转向右方，在流路3a中的紊流器这样倾斜以便于它们的左侧为上游侧，而它们的右侧成为下游侧。

另外，由于在U形转弯部分17的下游侧的流路3b相对于下一个U形转弯部分18成为上游侧，在流路3b中，紊流器被设置为当从与U形转弯部分18的外侧壁21连续的壁朝向与U形转弯部分18的内侧壁22连续的壁时从上游向下游倾斜。换句话说，紊流器16被设置为它们的倾斜方向与U形转弯部分1 7的上游和下游侧相反。另外，在U形转弯部分18下游侧的流路3c中，紊流器16被设置为当从作为前缘侧的壁23朝向作为后缘侧的壁24时从上游向下游倾斜。另外，流路4也具有U形转弯部分，紊流器16的倾斜以与流路3的紊流器16的倾斜相类似的方式设置。

另外，设置在涡轮动叶片1的叶梢表面12附近的叶片表面中的尖端孔25的前视图在图3中示出，而它的截面在图4中示出。尖端孔25包括当从内部流路3(在流路4和5中类似)朝向高压侧叶片表面65(见图8)时从涡轮动叶片1的根部侧朝向叶梢表面12倾斜的圆孔26，以及与圆孔26连续并朝向叶梢方向扩张的扇形开口27。开口27形成为其右侧表面27a和左侧表面27b(当从前面看时)及顶侧表面27c(当从截面图中看时)中的每一个都从圆孔26的中心轴线O偏移，其中中心轴线O从内部流路3朝向高压侧叶片表面65延伸，并且在高压侧叶片表面65中形成的开口27的边缘28当从前面看时呈扇形。

在该涡轮动叶片1中，从供给口6供至内部流路3的冷却介质流过流路3a同时被紊流器16搅动，在U形转弯部分17和18处改变方向，一部分在经过流路3c时被从后缘吹出口11吹出，并且被从设置在流路3c端部处的叶梢后缘吹出口11A吹出。与之相伴，冷却介质还从叶梢表面吹出口13和尖端孔25吹出到涡轮动叶片1的外表面上。

这时，由于叶梢后缘吹出口11A被设定为具有比其它后缘吹出口11大的开口面积，通过叶梢后缘吹出口11A的冷却介质的流量大于通过其它后缘吹出口的流量，从而在叶梢15附近提高了冷却效果。另外，由于通过增加叶梢后缘吹出口11A的开口面积可提高通过内部流路3本身的流量，从而提高了内部流路3的冷却效果。因此，可提高涡轮动叶片1的热效率，防止烧损或破碎的出现，并且涡轮动叶片1的寿命可以延长。

另外，由于设置多个紊流器16以便当从U形转弯部分17上游侧的流路3a中的与外侧壁19连续的壁朝向与内侧壁20连续的壁时紊流器16从上游向下游倾斜，从而减小了在U形转弯部分17中的压力损失。换句话说，由于紊流器16被设置为将冷却介质从U形转弯部分17上游推向U形转弯部分内侧，因此压力损失被认为减小了。这允许在U形转弯部分18和流路4的U形转弯部分中获得类似的效果。

图5和6示出了在流路31和流路33中的用于计算流体动力学(CFD)分析的示意图，其中在流路31中紊流器30以现有技术的倾斜方式设置，在流路33中紊流器32以实施本发明的形式的倾斜方式设置。CFD分析是一种根据产生的熵量的分布量化评估在流路中产生的压力损失的技术。根据该CFD分析，在图6的区域Y和区域X中确定压力损失系数有大约15％的减小。

另外，由于尖端孔25朝向叶梢表面12倾斜，并具有扇形开口27，增加了朝向叶梢表面12释放的冷却介质的流量，从而提高了在叶梢表面12附近的薄膜冷却效果。因此，在叶梢表面12附近获得了满意的冷却效果，可防止叶梢表面12附近中的烧损和破碎。

另外，由于以上效果提高了涡轮动叶片1的耐热性，在轮机入口43处的燃气(流体)的温度被升高到比现有技术更高的温度，从而提高了在燃气流路45中设置有涡轮动叶片1的燃气轮机40的热效果。另外，由于防止了涡轮动叶片1的烧损和破碎，涡轮动叶片1可被使用较长的时间，可减少由于进行涡轮动叶片1的维修而对燃气轮机40的进行的操作和停止，从而有可能提高燃气轮机40的效率。

并且，尽管在实施例中在流路3中设置有两个U形转弯部分17和18，U形转弯部分可被设置在一个位置或两个或更多个位置中。另外，尽管后缘吹出口11设置在涡轮动叶片1的后缘10上，本发明也可以用于设置有针状翅片的涡轮动叶片。另外，流路并不限于三条流路，流路的数量可以少于或多于三条。

Claims (1)

1.一种设置在燃气流路中的涡轮动叶片，其中在涡轮动叶片的外表面中形成用于吹出冷却介质的多个吹出口，

其中，设置内部流路，通过该内部流路冷却介质在其中流动，所述内部流路具有至少一个在一个位置处的U形转弯部分；

其中，在所述内部流路中设置紊流器，所述紊流器相对于所述冷却介质的流动方向倾斜，和

其中，当从与所述U形转弯部分的外侧壁连续的壁朝向与所述U形转弯部分的内侧壁连续的壁时，在所述U形转弯部分上游侧的所述紊流器的倾斜方向为从上游到下游。

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