叶片、透平和燃气轮机的制作方法

1.本发明涉及燃气轮机的技术领域，具体地，涉及一种叶片、透平和燃气轮机。


背景技术：

2.燃气轮机与蒸汽轮机相比具有体积小、重量轻、启动快等一系列优势，在航空、船舶、电力等国民经济支柱产业中扮演着重要角色。燃气轮机主要包括：压气机、燃烧室和透平三个主要部件。
3.在燃气轮机的实际工作过程中，提升透平燃气进口温度是提高燃气轮机效率的有效手段，而目前燃气轮机透平燃气进口温度已经超过了叶片的熔点，这给叶片的设计带来了严峻的挑战。相关技术中，为提高叶片的安全性，通常会在叶片上涂覆耐高温的热障涂层或者选择耐高温的金属材料，但是金属耐受温度的提高速度，远远低于透平燃气进口温度的提高速度，因此需要采用冷却技术来降低叶片温度。但是相关技术中的叶片的冷却效果不佳，安全性较低。


技术实现要素：

4.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。
5.为此，本发明的实施例提出一种冷却效果好且可靠性高的叶片。
6.本发明的实施例还提出一种透平。
7.本发明的实施例还提出一种燃气轮机。
8.根据本发明的实施例的叶片，所述叶片具有沿其弦向方向上布置的前缘、叶身和尾缘，所述叶片具有沿其高度方向相对布置的叶顶和叶底，所述前缘沿所述叶片的高度方向上排布有多个第一叉型气膜孔，每个所述第一叉型气膜孔均包括第一流道和多个第一叉道，所述叶身内设有冷却工质腔，所述第一流道的一端与所述冷却工质腔连通，所述第一流道的另一端与多个所述第一叉道连通。
9.根据本发明的实施例的叶片，在对叶片进行冷却时，冷却工质腔内的冷却工质通过第一流道向多个第一叉道均匀分散，然后在叶片的前缘部分形成保护范围较大且较为均匀的冷却气膜，从而提高了叶片前缘处的冷却效果，保证了叶片工作时的可靠性。
10.在一些实施例中，每个所述第一叉型气膜孔均包括三个所述第一叉道。
11.在一些实施例中，每个所述第一叉型气膜孔的相邻两个所述第一叉道的轴向之间的夹角大于等于30度且小于等于60度。
12.在一些实施例中，所述叶身具有在其厚度方向上相对布置的第一侧面和第二侧面，所述第一侧面和所述第二侧面中的任一者上设有多个第二叉型气膜孔，每个所述第二叉型气膜孔均包括第二流道和多个第二叉道，所述第二流道与所述冷却工质腔和多个所述第二叉道连通。
13.在一些实施例中，所述第一侧面和所述第二侧面中的任一者上设有多个叶身气膜孔，多个所述叶身气膜孔分别排布于所述第二叉型气膜孔沿所述叶片的高度方向上的两
侧。
14.在一些实施例中，所述第二叉型气膜孔与所述叶底之间的叶身气膜孔距所述叶底的宽度占所述叶身的高度的10％
‑
20％，
15.和/或，所述第二叉型气膜孔与所述叶顶之间的叶身气膜孔距所述叶顶的宽度占所述叶身的高度的10％
‑
20％。
16.在一些实施例中，所述第一叉型气膜孔沿所述叶片的高度方向的间距与所述第一叉道的孔径之间的比值大于等于1.5且小于等于3，所述第一叉型气膜孔沿所述叶片的弦向方向的间距与所述第一叉道的孔径之间的比值大于等于2且小于等于4；和/或，所述第二叉型气膜孔沿所述叶片的高度方向的间距与所述第二叉道孔径之间的比值大于等于1.5且小于等于3，所述第二叉型气膜孔沿所述叶片的弦向方向的间距与所述第二叉道的孔径之间的比值大于等于2且小于等于4；和/或，所述叶身气膜孔沿所述叶片的高度方向的间距与所述叶身气膜孔的孔径之间的比值大于等于1.5且小于等于3，所述叶身气膜孔沿所述叶片的弦向方向的间距与所述叶身气膜孔的孔径之间的比值大于等于2且小于等于4。
17.在一些实施例中，所述第二叉型气膜孔的第二流道和第二叉道均与所述冷却工质腔连通，且所述第二叉型气膜孔的横截面积之和为所述叶身气膜孔的横截面积的2至3倍。
18.在一些实施例中，所述叶顶设有多个球窝和多个叶顶气膜孔，所述叶顶气膜孔与所述冷却工质腔连通。
19.在一些实施例中，多个所述球窝和多个所述叶顶气膜孔沿所述叶片的弦向方向交错排布。
20.在一些实施例中，所述球窝的深径比大于等于0.1且小于等于0.3。
21.根据本发明的另一实施例的透平，包括壳体和叶片，所述叶片为上述实施例中任一项所述的叶片，所述叶片为多个，多个所述叶片沿所述壳体的周向间隔布置。
22.根据本发明的实施例的透平的冷却效果较好，可靠性高。
23.根据本发明的又一实施例的燃气轮机，包括上述实施例所述的透平。
24.根据本发明的实施例的燃气轮机的冷却效果较好，可靠性高。
附图说明
25.图1是本发明实施例的叶片的示意图。
26.图2是本发明实施例的叶片的截面图。
27.图3是图2中a的放大图。
28.附图标记：
29.100、前缘；101、第一叉型气膜孔；1011、第一叉道；1012、第一流道；
30.200、叶身；201、冷却工质腔；202、第二叉型气膜孔；2021、第二叉道；2022、第二流道；203、叶身气膜孔；
31.300、尾缘；301、劈缝；
32.400、叶顶；401、叶顶气膜孔；402、球窝；
33.500、叶底。
具体实施方式
34.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。
35.下面参考附图描述根据本发明实施例的叶片、透平和燃气轮机。
36.如图1至图3所示，本发明实施例的叶片具有沿其弦向方向(如图1中的左右方向)上布置的前缘100、叶身200和尾缘300，叶片具有沿其高度方向(如图1中的上下方向)相对布置的叶顶400和叶底500，前缘100沿叶片的高度方向上排布有多个第一叉型气膜孔101，每个第一叉型气膜孔101均包括第一流道1012和多个第一叉道1011，叶身200内设有冷却工质腔201，第一流道1012的一端与冷却工质腔201连通，第一流道1012的另一端与多个第一叉道1011连通。
37.根据本发明的实施例的叶片，在对叶片进行冷却时，冷却工质腔201内的冷却工质通过第一流道1012向多个第一叉道1011均匀分散，然后在叶片的前缘100部分形成保护范围较大且较为均匀的冷却气膜，从而提高了叶片的前缘100处的冷却效果，保证了叶片工作时的可靠性。
38.对于前缘100而言，为了尽可能不影响叶片内的主流冷却结构，相关技术中通常设置单列的单孔前缘气膜孔。发明人通过实验研究发现，如果设置多列单孔的前缘气膜孔，由于前缘100的位置尺寸较小，因此多列单孔的前缘气膜孔不宜加工，且喷出的冷却工质不够均匀。而本发明的实施例的第一叉型气膜孔101可以通过第一流道1012将冷却工质均匀的分散给各个第一叉道1011，从而使得前缘100形成较为均匀的冷却气膜，可便于加工和制造。
39.优选地，如图3所示，每个第一叉型气膜孔101均包括三个第一叉道1011。发明人通过实验研究发现，三叉型的第一叉型气膜孔101相比其他叉型的气膜孔结构能够比较均匀的在前缘100喷出冷却气形成冷却气膜以覆盖前缘100的所有位置，冷却效果更佳。
40.进一步地，如图3所示，每个第一叉型气膜孔101的相邻两个第一叉道1011的轴向之间的夹角大于等于30度且小于等于60度。发明人通过实验研究发现，当相邻两个第一叉道1011的轴向之间的夹角满足上述范围时，可以减小对高温燃气工质流动的影响，并且可以使得冷却工质更快的喷射至叶片前缘100，从而快速地在前缘100处形成保护范围更大且更均匀的冷却气膜。
41.在一些实施例中，如图1和图2所示，叶身200具有在其厚度方向(如图2中的前后方向)上相对布置的第一侧面和第二侧面，第一侧面和第二侧面中的任一者上设有多个第二叉型气膜孔202，每个第二叉型气膜孔202均包括第二流道2022和多个第二叉道2021，第二流道2022与冷却工质腔201和多个第二叉道2021连通。可选地，每个第二叉型气膜孔202均包括三个第二叉道2021。本发明的叶片通过设置第二叉型气膜孔202可以使得叶身200处喷出较多的冷却工质以在叶身200处形成更均匀的冷却气膜，从而提高了叶身200的冷却效果。
42.进一步地，如图1和图2所示，第一侧面和第二侧面中的任一者上设有多个叶身气膜孔203，多个叶身气膜孔203分别排布于第二叉型气膜孔202沿叶片的高度方向上的两侧，可以理解的是，一部分叶身气膜孔203设于多个第二叉型气膜孔202的上侧，另一部分叶身气膜孔203设于多个第二叉型气膜孔202的下侧，从而本发明实施例的叶片通过设置上下布
置的叶身气膜孔203可以避免了第二叉型气膜孔202在叶顶400一侧和叶底500一侧对高温燃气工质边界层流动的影响。
43.进一步地，如图1和图2所示，第二叉型气膜孔202的第二流道2022和第二叉道2021均与冷却工质腔201连通，且第二叉型气膜孔202的横截面积之和为叶身气膜孔203的横截面积的2至3倍，以使得叶身200处喷出较多的冷却工质以在叶身200处形成更均匀的冷却气膜，从而提高了叶身200的冷却效果。
44.在一些实施例中，如图1和图2所示，第二叉型气膜孔202与叶底500之间的叶身气膜孔203距叶底500的宽度占叶身200的高度的10％
‑
20％。第二叉型气膜孔202与叶顶400之间的叶身气膜孔203距叶顶400的宽度占叶身200的高度的10％
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20％。换言之，位于第二叉型气膜孔202的上侧的多个叶身气膜孔203的宽度占叶身200的高度的10％
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20％。位于第二叉型气膜孔202的下侧的多个叶身气膜孔203的宽度占叶身200的高度的10％
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20％，从而本发明实施例的叶片可以在尽量不影响主流的情况下确保叶身200冷却气膜的形成。
45.在一些实施例中，如图1和图2所示，第一叉型气膜孔101沿叶片的高度方向的间距与第一叉道1011的孔径之间的比值大于等于1.5且小于等于3，第一叉型气膜孔101沿叶片的弦向方向的间距与第一叉道1011的孔径之间的比值大于等于2且小于等于4。第二叉型气膜孔202沿叶片的高度方向的间距与第二叉道2021孔径之间的比值大于等于1.5且小于等于3，第二叉型气膜孔202沿叶片的弦向方向的间距与第二叉道2021的孔径之间的比值大于等于2且小于等于4。叶身气膜孔203沿叶片的高度方向的间距与叶身气膜孔203的孔径之间的比值大于等于1.5且小于等于3，叶身气膜孔203沿叶片的弦向方向的间距与叶身气膜孔203的孔径之间的比值大于等于2且小于等于4。发明人通过试验研究发现，当第一叉型气膜孔101、第二叉型气膜孔202和叶身气膜孔203采用上述方式排布时，可以进一步地提高叶片的冷却效果，进一步地提高叶片工作使得可靠性。
46.在一些实施例中，如图1所示，叶顶400设有多个球窝402和多个叶顶气膜孔401，叶顶气膜孔401与冷却工质腔201连通。多个球窝402和多个叶顶气膜孔401沿叶片的弦向方向交错排布，本发明实施例的叶片通过在叶顶400布置球窝402结构以进一步地提升叶片的耦合冷却性能。优选地，球窝402的深径比大于等于0.1且小于等于0.3，发明人通过试验研究发现，当球窝402的深径比满足上述范围时叶片的耦合冷却性能较高。
47.具体地，叶片的冷却过程如下。
48.如图1至图3所示，冷却工质由叶底500喷入冷却工质腔201中，部分冷却工质由第一叉型气膜孔101的三个第一叉道1011中喷出，在前缘100形成冷却气膜以隔绝前缘100的高温燃气。另一部分冷却工质在叶身200中部由第二叉型气膜孔202和叶身气膜孔203中喷出，在叶身200表面形成冷却气膜以提高冷却效果。另一部分冷却工质由叶顶气膜孔401喷射至叶顶400，在叶顶400形成冷却气膜并在球窝402内形成冷却气涡，以隔绝高温燃气与叶顶400的接触。最终，其余部分冷却工质在尾缘300的劈缝301排出，与高温燃气主流快速混合。
49.根据本发明的另一方面的实施例的透平，包括壳体和叶片，叶片为本发明实施例的叶片，叶片为多个，多个叶片沿壳体的周向间隔布置，根据本发明的实施例的透平的冷却效果较好，可靠性高。
50.根据本发明的又一方面的实施例的燃气轮机，包括上述实施例的透平，根据本发
明的实施例的燃气轮机的冷却效果较好，可靠性高。
51.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。
52.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。
53.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。
54.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。
55.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。
56.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，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，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。