双层壁冷却叶片、应用该冷却叶片的涡轮叶片及燃气轮机的制作方法

1.本技术涉及燃气轮机冷却设计的领域，尤其是涉及一种双层壁冷却叶片、应用该冷却叶片的涡轮叶片及燃气轮机。


背景技术：

2.随着燃气轮机设计技术水平的提高，燃气轮机涡轮进口燃气温度不断提高，涡轮部件所面临的热负荷极高，早已超过高温材料能够承受的极限。为了保证涡轮叶片安全可靠工作，需要对其进行复杂的冷却设计，以使叶片本体的温度和应力分布保持在合理的水平。
3.例如，在进行1600摄氏度温度等级（h级燃气轮机涡轮一级静、动叶片）燃气轮机涡轮叶片冷却设计时，已经开始考虑采用双层壁冷却结构，该结构被认为是冷却效率最接近发汗冷却的一种设计技术，在未来有望在高温等级燃气轮机的设计中得到应用。
4.但是，在相关技术中，双层壁冷却结构采用传统铸造方法一体成型，加工制造过程复杂、型芯的加工制造以及脱芯过程难以实现，而高温合金叶片3d打印技术也尚不成熟，因此，传统双层壁结构暂时还无法实现工程应用。


技术实现要素：

5.为了解决双层壁冷却结构的工程应用问题，本技术基于当前加工制造水平，提供一种双层壁冷却叶片、应用该冷却叶片的涡轮叶片及燃气轮机。
6.一方面，本技术提供的一种双层壁冷却叶片采用如下的技术方案：一种双层壁冷却叶片，包括：叶片内壁，所述叶片内壁围绕形成高压腔室；叶片外壁，所述叶片外壁位于所述叶片内壁外侧，并与所述叶片内壁可拆卸连接；所述叶片外壁与所述叶片内壁围成环形腔室；隔板，设置于所述环形腔室内，并将所述环形腔室分割为多个独立区域；换热结构，设置于每个所述独立区域；其中，所述叶片内壁开设有多个将高压腔室与环形腔室连通的冲击孔，所述叶片外壁设置有至少一排将环形腔室与外部连通的冷气孔。
7.通过采用上述技术方案，冷却空气自高压腔室内流动，进入环形腔室后，在隔板的限制下只能在独立存在的区域内流动，无法进入相邻的区域内，从而使得冷却空气对外壁进行冲击冷却后，会在该区域内部继续扩散流动，形成的冲击冷却乏气继续带走一部分热量，最后再重新流出至外壁表面形成气膜，对涡轮叶片起到冷却防护作用，因此隔板的设置能够充分提高冷却空气的热交换效率，提高冷却效率。并且，叶片内壁和叶片外壁可单独加工，组装后通过隔板形成连接，一方面，传统的叶片内壁和叶片外壁一体铸造成型，使用过程中叶片外壁温度高、叶片内壁温度低，二者之间有很高的应力，其使用强度大大降低，而本技术中，叶片内壁和叶片外壁可拆卸连接，由于热胀冷缩的原理，叶片内壁和叶片外壁之
间存在可自由相对运动的余量，强度和寿命得到有效保障；另一方面大大降低了现有的双层壁结构的加工制造难度，解决双层壁结构的工程应用问题。
8.可选的，每个所述独立区域对应连通的冷气孔与冲击孔错位设置。
9.通过采用上述技术方案，冷气由冲击孔进入冲击孔后，能够直接对叶片外壁的内表面造成冲击冷却，而由于冷气孔与冲击孔错位，因此冲击冷却乏气不会马上从冷气孔排出，而是会使得冷气能够在环形腔室内部继续扩散流动，最后再从冷气孔排出，在叶片外壁的表面形成一层气膜，以对叶片外壁实现降温保护，提高了冷却空气对整个涡轮叶片的冷却效率。
10.可选的，所述隔板与叶片外壁一体铸造或焊接固定，隔板至少部分与叶片内壁抵接配合。
11.通过采用上述技术方案，将隔板与叶片外壁采用一体铸造或者焊接固定，因此在装配时无需再单独安装隔板，提高装配便利性，同时隔板与叶片内壁采用抵接配合，能够将叶片内壁和叶片外壁形成稳定连接，同时隔板与叶片内壁不进行固定连接，具有可伸缩余量，确保涡轮叶片的强度和寿命。
12.可选的，所述隔板与叶片内壁一体铸造或焊接固定，隔板至少部分与叶片外壁抵接配合。
13.通过采用上述技术方案，将隔板与叶片内壁采用一体铸造或者焊接固定，因此在装配时无需再单独安装隔板，提高装配便利性，同时隔板与叶片外壁采用抵接配合，能够将叶片内壁和叶片外壁形成稳定连接，同时隔板与叶片外壁不进行固定连接，具有可伸缩余量，确保涡轮叶片的强度和寿命。
14.可选的，所述隔板至少部分与叶片内壁、叶片外壁均抵接配合。
15.通过采用上述技术方案，本方案利用隔板与叶片内壁以及叶片外壁的方式抵接配合，在受到冷热交替时，具有较大的可伸缩余量，能够最大程度上提高整个涡轮叶片的强度和寿命。
16.可选的，所述隔板上开设有用于将相邻的独立区域连通的导通结构。
17.通过采用上述技术方案，在隔板上开设导通结构，能够实现被隔板隔开的相邻独立区域之间的冷气流动，调配两个独立区域之间的冷气量，一定程度上可以避免冷却空气的过量或者欠量实用，优化叶片冷却设计，从而使得整个涡轮叶片温度保持均匀。
18.可选的，所述换热结构可以为设置于环形腔室内的柱肋、壁面扰流肋片、开设于叶片外壁表面的凹坑结构中的其中一种或多种组合。
19.通过采用上述技术方案，冷却空气进入被隔板隔开的独立区域内部后，对叶片外壁进行冲击冷却，由于换热结构的作用，冲击冷却乏气会绕着换热结构绕流，对换热结构以及叶片外壁进行进一步的对流冷却，提高换热效率，进而提高涡轮叶片的冷却效率。
20.另一方面，本技术提供一种涡轮叶片，包含至少一个如上述所述的双层壁冷却叶片。
21.再一方面，本技术提供一种燃气轮机，应用上述所述的涡轮叶片。
22.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：1.通过在叶片内壁和叶片外壁之间布置隔板，可以达到限制冲击冷却乏气自由流动的目的，从而最大化提高冷却效率；
2.通过将叶片内壁和叶片外壁设计为可拆卸连接方式，降低生产制造难度，解决当前的双层壁的工程应用问题；3.通过将叶片内壁、叶片外壁、隔板等结构设计为不需要一体化铸造加工，缓解了内外壁之间的固定约束关系，解决了叶片内壁、叶片外壁之间应力过大问题，大大提高了双层壁冷却结构的寿命。
附图说明
23.图1是本技术实施例1中双层壁冷却叶片的结构示意图；图2是双层壁冷却结构中被隔板隔开的其中一个区域的截面示意图；图3是图2中a
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a处的剖视图；图4是图2中b
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b处的剖视图；图5是基于图2的涡轮叶片双层壁冷却结构组合应用示意图；图6是实施例4中旨在强调连通孔的示意图；图7是实施例5中旨在强调扰流肋片结构的示意图；图8是实施例6中旨在强调凹坑结构的示意图。
24.附图标记说明：1、叶片内壁；2、叶片外壁；3、柱肋；31、扰流肋片结构；32、凹坑结构；4、隔板；41、连通孔；5、高压腔室；6、环形腔室；7、冲击孔；8、冷气孔；9、叶片前缘；10、叶片尾缘。
具体实施方式
25.以下结合附图1
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8对本技术作进一步详细说明。
26.实施例1本技术实施例公开一种双层壁冷却叶片。参照图1，双层壁冷却叶片包括叶片内壁1、叶片外壁2、换热结构以及隔板4。其中，叶片外壁2环绕设置于叶片内壁1外围，换热结构以及隔板4均设置于叶片内壁1和叶片外壁2之间。本技术中，叶片外壁2和叶片内壁1采用单独加工后装配方式安装固定，在现有技术条件下可低成本、高可靠性的加工和制造，具有重要的工程实用价值。
27.叶片内壁1和叶片外壁2可以采用任意形状，如截面为矩形、不规则环形或者弓形，具体形状可以根据实际情况进行设计选用，如图2所示，可以理解为叶片内壁1和叶片外壁2均采用截面为矩形的结构。
28.结合图2和图5，叶片内壁1围绕形成的内腔为高压腔室5，叶片内壁1与叶片外壁2之间形成的空间为环形腔室6，叶片外壁2开设至少一排将环形腔室6与外界环境连通的冷气孔8，叶片内壁1开设多个将高压腔室5与环形腔室6连通的冲击孔7，冷却空气在高压腔室5内流动，由冲击孔7进入环形腔室6内，对叶片外壁2进行冲击冷却，并从冷气孔8排出，在叶片外壁2的外表面形成一层气膜，以起到对整个涡轮叶片的降温保护作用。
29.结合图3和图4，冲击孔7和冷气孔8可以是任意形状，如冲击孔7为圆形、冷气孔8为方形，或者冲击孔7为方形、冷气孔8为圆形，且冲击孔7和冷气孔8的排布方式以相互错开为宜，目的在于冷气由冲击孔7进入冲击孔7后，能够直接对叶片外壁2的内表面造成冲击冷却，使得冷气能够在环形腔室6内部继续扩散流动，最后从冷气孔8排出，在叶片外壁2的表
面形成一层气膜，以对叶片外壁2实现降温保护，提高了冷却空气对整个涡轮叶片的冷却效率。
30.为了进一步清楚地描述环形腔室6内部的结构布局，我们首先对叶片外壁2结构进行定义：如图1所示，以叶片外壁2的叶片前缘9到叶片尾缘10的连线方向为横向，以垂直于叶片前缘9到叶片尾缘10的连线为纵向。
31.环形腔室6内设置有多个隔板4，多个隔板4将环形腔室6分割为多个相互独立的区域。本实施例中，隔板4沿横向设置1
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10个，沿纵向设置0
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10个。叶片内壁1和叶片外壁2之间可通过隔板4形成稳定的连接，并且隔板4与叶片内壁1之间或隔板4与叶片外壁2之间至少其中一处采用抵接配合方式连接，因此叶片内壁1、叶片外壁2、隔板4不需要一体化铸造加工，可以分别加工后组装而成，并且冷却过程中，缓解了叶片内壁1和叶片外壁2之间的固定约束关系，解决了内外壁之间应力过大问题，提高了双层壁冷却结构的使用寿命。
32.隔板4沿横向和纵向设置的数量不宜过多，数量如果过多，加工过程不便，且装配起来复杂，如果数量过少，则对于冲击冷却乏气的自由流动无法很好限制，冲击冷却乏气对于叶片内壁1以及叶片外壁2的冷却效果较差，综合考虑，本实施例将隔板4数量在横向布置1
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10个、纵向布置0
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10个，能够兼顾加工、安装便利性以及冷却效果最大化。
33.具体地，在本实施例中，隔板4的两侧至少部分分别与叶片内壁1、叶片外壁2紧密抵接，因此在加工阶段，叶片内壁1、叶片外壁2、隔板4可以单独加工制造，降低了加工制造难度，并且在冷却阶段，由于隔板4与叶片内壁1、叶片外壁2之间存在热胀冷缩的余量，因此隔板4与内外壁之间的应力均不会过大，延长使用寿命。
34.进一步地，隔板4的尺寸、数量可以根据局部区域的冷却设计需要进行调整，从而充分考虑叶片外壁2内的主流区域、端壁区域、压力面和吸力面等区域的流动和换热特征差别，有针对性地进行设计。
35.换热结构包括柱肋3，本实施例中，柱肋3采用柱体结构，如图5所示，且柱肋3的一端与叶片内壁1或叶片外壁2固定连接，连接方式可采用焊接或者一体铸造成型，柱肋3的另一端采用抵接方式与对应的叶片外壁2或叶片内壁1连接，或者柱肋3与对应的叶片外壁2、叶片内壁1之间存在间隙。
36.进一步地，柱肋3可以采用耐高温的多孔材料体制作而成，或者在柱肋3表面开设至少一个微小尺度通道结构。
37.值得说明的是，柱肋3的位置、数量、尺寸以及布置位置可以根据冷却设计需求灵活确定，从而获得最小的压力损失或者最优的换热效率。
38.实施例2本实施例与实施例1的区别在于：隔板4的一侧与叶片内壁1采用焊接方式固定连接、或者与叶片内壁1一体铸造成型，隔板4的另一侧至少部分与叶片外壁2紧密抵接。
39.且在此实施例基础上，为了提高叶片内壁1和叶片外壁2的装配便利性，柱肋3与叶片内壁1采用采用焊接方式或一体铸造成型方式固定。
40.实施例3本实施例与实施例1的区别在于：隔板4的一侧与叶片外壁2采用焊接方式固定连接、或者与叶片外壁2一体铸造成型，隔板4的另一侧至少部分与叶片内壁1紧密抵接。
41.且在此实施例基础上，为了提高叶片内壁1和叶片外壁2的装配便利性，柱肋3与叶
片外壁2采用采用焊接方式或一体铸造成型方式固定。
42.实施例4本实施例与实施例1
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3的区别在于：隔板4上开设有用于将相邻的独立区域连通的导通结构，实现被隔板4隔开的相邻区域之间的冷气可控流动，从而增加设计可调裕度。导通结构可以是在隔板4上打孔或者开槽，或者将隔板4设计成不严格封闭结构。如图6所示，在隔板4上开设有连通孔41，当冷气1的供应量超过气膜1的消耗量，而冷气2的供应量低于气膜2的消耗量时，可通过连通孔41来调配两个双层壁之间的冷气量。这种冷却结构避免了冷却空气的过量或者欠量使用，很容易在最小冷却空气用量下，最优化叶片冷却设计，从而使整个燃气轮机透平叶片温度保持均匀。
43.实施例5本实施例与实施例1的区别在于：如图7所示，换热结构采用壁面扰流肋片结构31，具体地，壁面扰流肋片可以固定连接于叶片内壁1或叶片外壁2，为了加工制造的便利性以及叶片内壁1和叶片外壁2的装配顺畅性，扰流肋片结构31的固定连接侧与隔板4的固定连接侧相同。冷却空气进入叶片内壁1和叶片外壁2之间后，首先对叶片外壁2造成冲击冷却，由于壁面扰流肋片结构31的存在，使得冲击冷却乏气在对应区域内的流动被扰动形成紊乱流动，进一步提高冷却气体对于整个涡轮叶片的换热效率。
44.实施例6本实施例与实施例1的区别在于：如图8所示，换热结构采用凹坑结构32，且凹坑结构32可以开设于叶片内壁1、也可以开设于叶片外壁2，或者同时开设于叶片内壁1和叶片外壁2。但是由于叶片外壁2直接与高温燃气接触，为了提高冷却效率，本实施例中，优选将凹坑结构32开设于叶片外壁2表面。冷却空气自冲击孔7进入叶片内壁1和叶片外壁2之间后，对叶片外壁2进行冲击冷却，形成的冲击冷却乏气继续流动，并且会在对应的凹坑结构32内回旋，延长冲击冷却乏气的停留时间，使得整个涡轮叶片的冷却效果提高。
45.本实施例还公开一种涡轮叶片，应用上述的双层壁冷却叶片结构。应理解，在本技术实施例提供的涡轮叶片，也采用上述实施例1
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实施例6示例的任一种双层壁冷却叶片，且涡轮叶片的个数为多个时，可采用同一实施例的双层壁冷却叶片，或者采用不同实施例的双层壁冷却叶片，在本技术公开的技术方案中，不做具体限定。
46.本实施例还公开一种燃气轮机，至少应用一个上述的涡轮叶片结构。
47.本实施例的实施原理为：冷却空气通过冲击孔7进入环形腔室6内部，由于隔板4的限制，冷却空气进入环形腔室6后只能在隔板4限制的双层壁冷却结构区域内部流动，无法进入相邻的双层壁冷却结构区域。冷却空气首先对叶片外壁2进行冲击冷却，形成的冲击冷却乏气继续绕流柱肋3，然后对柱肋3和外壁进行进一步的对流冷却，最终冷却气体从冷气孔8进入主流高温燃气，并在叶片外壁2表面形成冷气保护膜。由于隔板4的限制，冷却空气进入每个单独的双层壁冷却区域后，会在本区域内部充分流动，从而能够高效降温，大大提高了对整个涡轮叶片的保护力度。
48.以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。