燃气轮机的透平叶片前缘冷却结构的制作方法

1.本技术涉及叶轮机械技术领域，具体涉及一种燃气轮机的透平叶片前缘冷却结构。


背景技术：

2.为了发展更加先进的燃气轮机，透平入口的燃气温度不断得到提升，而透平叶片材料的性能已经远远不能满足日益增长的透平入口温度，因此有必要发展透平叶片冷却技术，在保证叶片气动性能的前提下降低叶片承受的热负荷，延长叶片的使用寿命，提升燃气轮机的可靠性和安全性。
3.对于透平叶片而言，透平叶片的前缘是透平叶片热负荷最高的区域之一，也是透平叶片最容易烧蚀的部位之一。实际燃气轮机透平叶片通常使用冲击－气膜复合冷却结构来降低叶片前缘热负荷，冷却设计在提升内部结构换热系数的同时，还应保证气膜冷却的供气温度不宜过高且流量分配合理。
4.现有的一种透平叶片冲击－气膜复合冷却装置包括设于透平叶片内部的供气腔和冲击腔，供气腔和冲击腔由隔板分隔，隔板上设有冲击孔，冲击孔连通供气腔和冲击腔，前述隔板为平直板，在各处的厚度相同。
5.这种透平叶片冲击－气膜复合冷却装置，虽然具有较好的冷却效果，但仍然存在一些不足：如冷气在从透平叶片的叶根到叶顶的流动过程中，必然会有流动损失，这样一来，会影响叶顶处冲击冷却效果和气膜冷却效果，进而导致叶片前缘叶顶区域温度过高。


技术实现要素：

6.因此，本技术要解决的技术问题在于克服现有技术中的冷气从透平叶片的叶根到叶顶的流动过程中经历流动损失后，会影响前缘叶顶处冲击冷却效果和气膜冷却效果的缺陷，从而提供一种燃气轮机透平叶片前缘的冷却结构。
7.为解决上述技术问题，本技术的技术方案如下，
8.燃气轮机的透平叶片前缘冷却结构，冷却结构设于透平叶片的前缘内部，包括由隔板隔开的供气腔和冲击腔，且所述隔板上开设有若干冲击孔以连通所述供气腔和所述冲击腔；自所述透平叶片的叶根向所述透平叶片的叶顶方向上，所述供气腔的横截面积逐渐减小，且所述隔板的厚度也逐渐减小；所述冷却结构还包括开设于所述透平叶片的前缘侧壁上的若干气膜冷却孔，所述气膜冷却孔连通所述冲击腔。
9.进一步地，所述冲击孔位于所述供气腔和所述冲击腔靠近所述透平叶片的压力面一侧。
10.进一步地，所述冲击孔的横截面形状为跑道形，且冲击孔的长轴与冲击孔的短轴的比值为a，a的取值范围为1－2。
11.进一步地，所述冲击孔的长轴与所述透平叶片的叶高方向之间的夹角为α，α的取值范围为0
°
－8
°
。
12.进一步地，所述冲击孔分别在邻接所述供气腔和所述冲击腔处设有倒圆；所述倒圆的半径与所述冲击孔的短轴的比值为b，b的取值范围为0.5－2.5。
13.进一步地，所述隔板的厚度值为所述透平叶片的叶片弦长值的1％－5％。
14.进一步地，所述冲击孔沿叶高方向等距分布。
15.进一步地，所述气膜冷却孔沿所述叶高方向开设有至少一排，所述冲击孔的数量不少于同一排所述气膜冷却孔的数量。
16.进一步地，所述气膜冷却孔的轴线倾斜于所述透平叶片的前缘侧壁的法线设置。
17.进一步地，所述冲击腔、所述供气腔和所述冲击孔与所述透平叶片一体铸造成型。
18.本技术技术方案，具有如下优点：
19.1.本技术提供的燃气轮机的透平叶片前缘的冷却结构，隔板的厚度自叶根向叶顶方向逐渐减小，使得冲击孔的高度也逐渐减小，这样一来，虽然冷气自叶根向叶顶方向会产生流动损失，但是，因为在叶顶处冷气需穿过的冲击孔的高度相应减小并且供气腔的横截面积也相应减小，可保证冷气进入叶顶处的冲击腔后的流速和流量，进而保证冷气在叶顶处的冲击冷却效果和气膜冷却效果。
附图说明
20.为了更清楚地说明本技术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技术的一些实施方式，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。
21.图1为本技术的燃气轮机透平动叶的内部结构示意图；
22.图2为图1中的局部放大示意图；
23.图3为图1中b截面的剖面图；
24.图4为本技术中隔板上的冲击孔的平面示意图。
25.附图标记说明，
26.1、透平叶片；11、叶根；12、叶顶；15、前缘；2、供气腔；3、冲击腔；23、隔板；4、冲击孔；5、气膜冷却孔；6、倒圆；7、压力面；8、吸力面；9、冲击孔的长轴；10、冲击孔的短轴。
具体实施方式
27.下面将结合附图对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
28.在本技术的描述中，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技术和简化描述，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技术的限制。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。
29.在本技术的描述中，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技术中的具体含义。
30.此外，下面所描述的本技术不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
31.实施例
32.下面以某重型燃气轮机透平动叶来说明本发明的具体实施方式，前缘是透平叶片热负荷最高的区域之一，也是叶片最容易烧蚀的部位之一，通常使用冲击－气膜复合冷却结构。因此，前缘冷却设计除了需要考虑内部结构换热系数的提升，同时还应考虑气膜冷却流量分配的合理性。
33.如图1至图4所示，本实施例提供一种燃气轮机的透平叶片前缘冷却结构，包括设置在透平叶片1的前缘15内的供气腔2、冲击腔3、冲击孔4以及气膜冷却孔5。在本实施例中，供气腔2、冲击腔3、冲击孔4与透平叶片1一体铸造成型。
34.供气腔2与冲击腔3分别位于隔板23的两侧，但又通过若干贯穿隔板23的冲击孔4相连通。如图1所示，自透平叶片1的叶根11到透平叶片1的叶顶12的方向，供气腔2的横截面积逐渐减小，且分隔冲击腔3与供气腔2的隔板23的厚度l逐渐减小，l的取值范围为1％b－5％b，其中，b为叶片弦长，由于隔板23的厚度l逐渐减小，使得冲击孔4的高度(如图1中箭头c－c方向)也逐渐减小。在本实施案例中，叶根11处的叶片弦长优选为132mm，叶顶12处的叶片弦长优选为126mm，在叶根11处，隔板23的厚度l优选地为4.65mm，在叶顶12处，隔板23的厚度l优选地为2.15mm，综合考虑冲击冷却与气膜冷却的耦合效应，这样设计，可使得冲击冷却过程中冷却气体具有较好的换热能力，且冷却气流在透平叶片1的前缘15处的分配更加合理，进而可提升冷却气体在前缘15所在区域的冷却效果。
35.冲击孔4的横截面形状为圆形、椭圆形或者跑道形。如图4所示，在本实施案例中，冲击孔4的横截面形状为跑道形，冲击孔的长轴9与冲击孔的短轴10的比为a，a的取值范围为1－2，优选地，a的取值为1.3。冲击孔的长轴9与透平叶片1的叶高(如图1中箭头a－a所指方向)方向之间的夹角为α，α的取值范围为0
°
－8
°
。冲击孔4在与供气腔2和冲击腔3相连接处均设有倒圆6，倒圆6的半径与冲击孔的短轴10之间的比值为b，b的取值范围为0.5－2.5，本实施案例中，b的取值优选为1.5。冲击孔4的横截面形状为跑道形，且冲击孔4与供气腔2和冲击腔3连接处均设有倒圆6，这样一来，可降低冷气的流动损失，提高对透平叶片1的前缘15的冷却效率。
36.在本实施例中，冲击孔4靠近压力面7侧设置，也即，同一冲击孔4与压力面7所在侧的透平叶片1外壁面的距离小于与吸力面8所在侧的透平叶片1外壁面的距离，这样设计，可使冷却气体于冲击腔3内对需冷却的冷却壁面产生旋流冲击，提高冲击冷却效率。冲击孔4沿叶高方向等距分布，冲击孔4的个数应不少于一排设置于前缘15的气膜冷却孔5的个数，在本实施案例中，冲击孔4的个数为23个。
37.透平叶片1上靠近前缘15的冷却壁面上沿叶高方向设有三排气膜冷却孔5，当然，也可以设置更多排，冲击冷气可通过气膜冷却孔5喷射至透平叶片1的外壁面，这样设计，可使从气膜冷却孔5出来的冷气覆盖更多透平叶片1的外壁面，形成较好的气膜冷却，降低透平叶片1的表面温度。另外，气膜冷却孔5的轴线与待冷却壁面的法线之间呈夹角设置，使得
冷却气体自气膜冷却孔5出来后可以更好地朝透平叶片1的外壁面覆盖，提高气膜冷却效率。
38.在本实施例中，由于隔板23的厚度自叶根11向叶顶12方向逐渐减小，使得冲击孔4的高度也逐渐减小，这样一来，虽然冷气自叶根11向叶顶12方向会产生流动损失，但是，因为在叶顶12处冷气需穿过的冲击孔4的高度相应减小并且供气腔2的横截面积也相应减小，可保证冷气进入叶顶12处的冲击腔3后的流速和流量，进而保证冷气在叶顶12处的冲击冷却效果和气膜冷却效果。
39.总之，本实施例提供的燃气轮机的透平叶片前缘冷却结构，从整体上来看，可以让冷气流量分配更合理，进而可有效提升透平叶片1的前缘15的冷却效率，降低透平叶片1的前缘15区域的温度，延长透平叶片1的使用寿命，提高运行安全性。
40.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本技术创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种燃气轮机的透平叶片前缘冷却结构，其特征在于，冷却结构设于透平叶片(1)的前缘(15)的内部，包括由隔板(23)隔开的供气腔(2)和冲击腔(3)，且所述隔板(23)上开设有若干冲击孔(4)以连通所述供气腔(2)和所述冲击腔(3)；自所述透平叶片(1)的叶根(11)向所述透平叶片(1)的叶顶(12)方向上，所述供气腔(2)的横截面积逐渐减小，且所述隔板(23)的厚度也逐渐减小；所述冷却结构还包括开设于所述透平叶片(1)的前缘侧壁上的若干气膜冷却孔(5)，所述气膜冷却孔(5)连通所述冲击腔(3)。2.如权利要求1所述的燃气轮机的透平叶片前缘冷却结构，其特征在于，所述冲击孔(4)位于所述供气腔(2)和所述冲击腔(3)靠近所述透平叶片(1)的压力面(7)一侧。3.如权利要求1所述的燃气轮机的透平叶片前缘冷却结构，其特征在于，所述冲击孔(4)的横截面形状为跑道形，且冲击孔的长轴(9)与冲击孔的短轴(10)的比值为a，a的取值范围为1－2。4.如权利要求3所述的燃气轮机的透平叶片前缘冷却结构，其特征在于，所述冲击孔的长轴(9)与所述透平叶片(1)的叶高方向之间的夹角为α，α的取值范围为0
°
－8
°
。5.如权利要求3所述的燃气轮机的透平叶片前缘冷却结构，其特征在于，所述冲击孔(4)分别在邻接所述供气腔(2)和所述冲击腔(3)处设有倒圆(6)；所述倒圆(6)的半径与所述冲击孔的短轴(10)的比值为b，b的取值范围为0.5－2.5。6.如权利要求1所述的燃气轮机的透平叶片前缘冷却结构，其特征在于，所述隔板(23)的厚度值为所述透平叶片(1)的叶片弦长值的1％－5％。7.如权利要求1所述的燃气轮机的透平叶片前缘冷却结构，其特征在于，所述冲击孔(4)沿叶高方向等距分布。8.如权利要求7所述的燃气轮机的透平叶片前缘冷却结构，其特征在于，所述气膜冷却孔(5)沿所述叶高方向开设有至少一排，所述冲击孔(4)的数量不少于同一排所述气膜冷却孔(5)的数量。9.如权利要求8所述的燃气轮机的透平叶片前缘冷却结构，其特征在于，所述气膜冷却孔(5)的轴线倾斜于所述透平叶片(1)的所述前缘侧壁的法线设置。10.如权利要求1所述的燃气轮机的透平叶片前缘冷却结构，其特征在于，所述冲击腔(3)、所述供气腔(2)和所述冲击孔(4)与所述透平叶片(1)一体铸造成型。

技术总结
本申请公开了一种燃气轮机的透平叶片前缘的冷却结构，冷却结构设于透平叶片的前缘内部，包括由隔板隔开的供气腔和冲击腔，且隔板上开设有若干冲击孔连通供气腔和冲击腔；自透平叶片的叶根向透平叶片的叶顶方向上，供气腔的横截面积逐渐减小，且隔板的厚度也逐渐减小，同一冲击孔与透平叶片的压力面的距离小于与透平叶片的吸力面的距离；冷却结构还包括开设于透平叶片的前缘的侧壁上的若干气膜冷却孔，气膜冷却孔连通冲击腔。冷气自叶根向叶顶方向会产生流动损失，但是，因为叶顶处的冲击孔的高度也相应减小并且供气腔的横截面积也相应减小，可保证冷气进入叶顶处的冲击腔后的流速和流量，进而保证冷气在叶顶处的冲击冷却效果和气膜冷却效果。效果和气膜冷却效果。效果和气膜冷却效果。


技术研发人员：肖俊峰 高松 段静瑶 李园园 于飞龙 刘战胜 何伟 张浩浩 武耀族 伍赫
受保护的技术使用者：西安热工研究院有限公司
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/6/28