内部冷却通道仿蜂窝排布的涡轮叶片及燃气轮机的制作方法

1.本发明涉及涡轮冷却叶片设计领域，具体地，涉及内部冷却通道仿蜂窝排布的涡轮叶片及燃气轮机。


背景技术：

2.对于涡轮机组所在的动力循环系统而言，提高涡轮进气温度是改进系统循环效率的重要途径，涡轮进气温度每提高100℃，整体循环效率就会增加20
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25％。对于小型或微型燃气轮机等设备而言，超过材料耐温极限的高温工作环境和小尺寸的结构设计限制，以及高效冷却和高稳定性、长寿命运行的要求，都对涡轮叶片的冷却方案设计带来了更高的要求。
3.在高温条件下，涡轮的导向叶片会受到高温气流的持续冲刷和腐蚀，而转子动叶片在运转过程中还要承受离心载荷、气动载荷、振动载荷等多种载荷。尤其在小型或微型燃气轮机等设备中，涡轮叶片尺寸相对较小，由于尺寸限制，内部冷却通道需要采用当量直径在0.2
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3mm的微小尺度内部冷却通道。此情况下，目前常见的叶片内部冷却结构形式多为直通道、s型或树状分叉结构微小尺度通道。但对于高温环境下长期服役运行的小尺寸涡轮叶片，不但需要有效的冷却通道排布方案，在有限尺寸的空间内实现较好的冷却效果，使涡轮叶片在高温环境下表面温度通过高效紧凑冷却结构设计降至材料耐受极限温度以下；而且还要兼顾叶片强度，尽可能降低带冷却结构的动叶片在高速旋转过程中叶片表面的最大应力值，提高安全裕度，保证小尺寸涡轮叶片在高温环境下可以稳定、长寿命地运行。
4.专利文献cn106555776b涉及一种涡轮风扇发动机及其风扇叶片。该风扇叶片包括压力面壁板、吸力面壁板和介于该压力面壁板与该吸力面壁板之间的芯板结构，该芯板结构具有多个第一接合部，该压力面壁板的内侧面与该多个第一接合部对应的位置分别具有多个凸台，该多个第一接合部与该多个凸台接合，其中各凸台的高度与该芯板结构的厚度之比为0.5:1至1:1。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种内部冷却通道仿蜂窝排布的涡轮叶片及燃气轮机。
6.根据本发明提供的一种内部冷却通道仿蜂窝排布的涡轮叶片，包括：涡轮叶片本体、冷却通道和气膜冷却孔；
7.所述涡轮叶片本体内部设置所述冷却通道，所述涡轮叶片本体表面设置所述气膜冷却孔，所述冷却通道连通所述气膜冷却孔；
8.所述冷却通道设置有多个并将所述涡轮叶片本体内部分割为蜂窝状。
9.优选地，所述涡轮叶片本体设置为长板状，所述涡轮叶片本体末端设置叶片底部榫槽；
10.优选地，所述涡轮叶片本体背向所述叶片底部榫槽一端设置为顶部，所述涡轮叶
片本体一侧面设置为前缘处，所述涡轮叶片本体另一侧面设置为尾缘处。
11.优选地，所述顶部、所述前缘处和所述尾缘处设置所述气膜冷却孔。
12.优选地，所述涡轮叶片本体设置所述叶片底部榫槽一端设置进气口；
13.所述进气口连通所述冷却通道。
14.优选地，当冷却气流从所述进气口通过所述冷却通道流至所述气膜冷却孔，所述冷却气流通过所述气膜冷却孔并形成冷却气膜。
15.优选地，多个所述冷却通道首尾连接为正六边形单元，所述涡轮叶片本体内部通过多个所述正六边形单元分割为蜂窝状并设置多个正六边形柱。
16.优选地，所述正六边形柱与所述冷却气流实现热交换。
17.优选地，所述冷却通道截面设置为矩形，所述进气口截面设置为矩形。
18.优选地，燃气轮机采用所述内部冷却通道仿蜂窝排布的涡轮叶片。
19.优选地，所述冷却通道截面的当量直径为0.2
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3mm。
20.优选地，所述气膜冷却孔设置为圆柱形，所述气膜冷却孔直径小于等于1mm。
21.优选地，所述进气口截面当量直径为所述冷却通道截面当量直径的4
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5倍。
22.优选地，所述涡轮叶片本体为小尺寸涡轮叶片，所述涡轮叶片本体厚度小于10mm，所述涡轮叶片本体弦长小于30mm；
23.所述厚度为所述涡轮叶片本体沿所述正六边形柱轴向方向高度，所述弦长为所述涡轮叶片本体沿所述前缘处延伸方向长度。
24.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
25.1、实现对小尺寸涡轮叶片内有限空间的高效利用，仿蜂窝结构的正六边形冷却通道排布方案，在相同面积内的可排布冷却通道长度，相比于同样通道截面当量直径条件下的正方形排布方案，可以更有效地利用小尺寸涡轮叶片内的有限空间。
26.2、本发明结合了叶片内部微小尺度通道冷却和外部气膜冷却，冷却气体在内部仿蜂窝结构排布的微小尺度冷却通道内不断聚合、分流，大大提高了内部流动湍流度，增强了换热效率，从而达到小尺寸涡轮叶片高效冷却的目的。
27.3、保证带冷却结构的小尺寸涡轮叶片强度，叶片内部冷却结构由若干相邻排布的正六边形微通道连通构成，整体分布呈蜂窝状，该排布方式可以很好保证空心叶片的结构强度，实现多个方向上抵抗离心载荷、气动载荷和振动载荷等各类载荷的能力，从而增加叶片材料的强度安全裕度与服役寿命。
附图说明
28.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
29.图1为内部冷却通道仿蜂窝排布的涡轮叶片结构示意图；
30.图中所示：
31.具体实施方式
32.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
33.实施例1
34.如图1所示，一种内部冷却通道仿蜂窝排布的涡轮叶片，包括：涡轮叶片本体1、冷却通道4和气膜冷却孔；涡轮叶片本体1内部设置冷却通道4，涡轮叶片本体1表面设置气膜冷却孔，冷却通道4连通气膜冷却孔，冷却通道4设置有多个并将涡轮叶片本体1内部分割为蜂窝状。涡轮叶片本体1设置为长板状，涡轮叶片本体1末端设置叶片底部榫槽2；涡轮叶片本体1背向叶片底部榫槽2一端设置为顶部6，涡轮叶片本体1一侧面设置为前缘处5，涡轮叶片本体1另一侧面设置为尾缘处7。顶部6、前缘处5和尾缘处7设置气膜冷却孔，涡轮叶片本体1设置叶片底部榫槽2一端设置进气口3，进气口3连通冷却通道4，冷却通道4截面设置为矩形，进气口3截面设置为矩形。
35.多个冷却通道4首尾连接为正六边形单元，涡轮叶片本体1内部通过多个正六边形单元分割为蜂窝状并设置多个正六边形柱。当冷却气流从进气口3通过冷却通道4流至气膜冷却孔，冷却气流通过气膜冷却孔并形成冷却气膜，正六边形柱与冷却气流实现热交换。燃气轮机可采用本发明。
36.实施例2
37.一种内部冷却通道仿蜂窝排布的涡轮叶片，包括涡轮叶片本体1和叶片底部榫槽2，所述涡轮叶片本体1内部按照蜂窝结构排布微小尺度冷却通道4，涡轮叶片本体1表面在叶片前缘处5、顶部6和尾缘处7布置的气膜冷却孔，与内部冷却通道4连通。叶片底部榫槽2处有冷却气流的进气口3。涡轮叶片本体1的叶厚小于10mm，涡轮叶片本体1弦长小于30mm，为一种适用于小型或微型燃气轮机的小尺寸涡轮叶片。涡轮叶片本体1内部仿蜂窝结构排布的微小尺度冷却通道4的截面为矩形，当量直径为0.2
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3mm，由若干相邻排布的正六边形微通道连通构成，整体分布呈蜂窝状。冷却气流从叶片底部榫槽2处的进气口3进入到叶片内部仿蜂窝结构排布的冷却通道4中，进气口3截面为矩形，当量直径为内部主冷却通道4当量直径的4
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5倍。冷却气流最终通过分布在前缘处5、顶部6和尾缘处7的气膜冷却孔排出，气膜冷却孔为直径小于1mm的气流圆柱通道，连通叶片外表面与内部主冷却通道4。冷却气流从叶片底部榫槽2处的进气口3进入到冷却通道4中，在冷却通道4内与高温叶片内的正六边形柱壁面对流换热，从而降低叶片表面温度，最终通过分布在叶片前缘处5、顶部6和尾缘处7的气膜冷却孔排出，形成一层冷却气膜，进一步对叶片进行冷却。
38.本发明实现对小尺寸涡轮叶片内有限空间的高效利用。仿蜂窝结构的正六边形冷
却通道4排布方案，在相同面积内的可排布冷却通道4长度，相比于同样通道截面当量直径条件下的正方形排布方案，能够增加10％以上，可以更有效地利用小尺寸涡轮叶片内的有限空间。本发明结合了叶片内部微小尺度通道冷却和外部气膜冷却，经过仿真评估，其综合冷却效果可以将叶片高度8mm、叶片弦长18mm的小尺寸涡轮叶片表面平均温度降低200k左右。冷却气体在内部仿蜂窝结构排布的微小尺度冷却通道内不断聚合、分流，大大提高了内部流动湍流度，增强了换热效率，从而达到小尺寸涡轮叶片高效冷却的目的。本发明保证带冷却结构的小尺寸涡轮叶片强度，叶片内部冷却结构由若干相邻排布的正六边形微通道连通构成，整体分布呈蜂窝状，该排布方式可以很好保证空心叶片的结构强度，实现多个方向上抵抗离心载荷、气动载荷、振动载荷等各类载荷的能力。经仿真评估，本发明叶片相比于布置直通型内部冷却通道的普通叶片，在高转速工作过程中动叶片表面最大应力值能够降低10％以上，从而增加叶片材料的强度安全裕度与服役寿命。
39.具体地，内部冷却通道仿蜂窝排布的小尺寸涡轮叶片厚度为9mm，叶片弦长为18mm，带有冷却结构，用于小型燃气轮机。冷却通道4截面为矩形，当量直径为1mm，由若干相邻排布的正六边形微通道连通构成，整体分布呈蜂窝状。进气口3截面为矩形，当量直径为5mm，是内部主冷却通道当量直径的5倍。在叶片前缘处5、顶部6和尾缘处7布置的气膜冷却孔为直径为0.3mm的气流圆柱通道，连通叶片外表面与内部主冷却通道4。冷却气流从叶片底部榫槽2处的进气口3进入到叶片内部仿蜂窝结构排布的冷却通道4中，在冷却通道4内与高温叶片内壁面对流换热，从而降低叶片表面温度，最终通过分布在叶片前缘处5、顶部6和尾缘处7的气膜冷却孔排出，形成一层冷却气膜，进一步对叶片进行冷却。
40.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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。
41.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。