燃气轮机的叶片及燃气轮机的制作方法

1.本发明涉及燃气轮机技术领域，还涉及一种燃气轮机的叶片及具有该叶片的燃气轮机。


背景技术：

2.燃气轮机是一种重要的动力机械，在航空推进、船舶推进、发电等诸多领域都有其重要应用。目前燃气轮机的透平进口温度已远高于高温合金的耐热极限温度，必须采取相应措施来降低叶片运行温度，所以叶片冷却成为保障叶片安全可靠运行的燃机重大关键技术之一。透平高温叶片普遍采用空心结构，通过从压气机抽取的高压气体来对叶片内部进行冷却。目前广泛使用的叶片的冷却方式主要包括冲击冷却、带肋通道冷却、柱肋冷却、气膜冷却等，但是这些冷却方式的强化换热能力仍然有限，无法满足更高热载荷的先进燃机运行条件。并且随着几十年的技术发展，对上述冷却方式的研究已相对充分，其冷却效果已接近自身的技术极限，若想大幅提升冷却效果，现有典型叶片内部结构较难实现。


技术实现要素：

3.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。为此，本发明的实施例提出一种燃气轮机的叶片，进一步提升燃气轮机的叶片的冷却能力。本发明的实施例还提出一种具有该叶片的燃气轮机。
4.本发明实施例提供的燃气轮机的叶片包括壳体，所述壳体具有内腔，所述壳体的底部设有冷却气进口，所述壳体的顶部、前缘、尾缘均开设有出气口；交错肋结构，所述交错肋结构由两层交错布置的肋片构成并限定出交错的的网格流道，所述交错肋结构设于所述内腔内，且其与所述内腔的两个侧壁面相连；导流结构，所述导流结构设于所述内腔内并位于所述交错肋结构的后侧，所述导流结构限定出若干导流道，进入所述内腔的冷却气在所述网格流道和所述导流道的导流作用下最终从所述出气口喷出。
5.本发明实施例提供的燃气轮机的叶片的内部结构进行简化，冷却结构仅包括交错肋结构和导流结构，无需设置多层内部壁面即可实现空心叶片的内部冷却。交错肋结构的设置同时实现对叶片压力面、吸力面和前缘的冷却作用，导流结构的设置实现对叶片尾缘的冷却。
6.因此，本发明实施例提供的燃气轮机的叶片可以显著提升内部结构的换热能力，大大提高冷却气对高温叶片的冷却效果。
7.在一些实施例中，所述交错肋结构的前侧与所述内腔的前壁面之间具有间隔。
8.在一些实施例中，所述交错肋结构的顶部与所述内腔的顶壁面之间具有间隔。
9.在一些实施例中，所述交错肋结构位于所述内腔的中部，所述导流结构位于所述内腔的尾部。
10.在一些实施例中，所述导流结构由若干导流柱构成，相邻两个所述导流柱之间形成所述导流道，所述导流柱的两端分别与所述内腔的两个侧壁面相连。
11.在一些实施例中，所述导流柱的横截面为倾斜向下延伸的长条形状，若干所述导流柱沿上下方向间隔分布，所述网格流道后侧流出的冷却气沿所述导流道流动并从所述尾缘处的出气口流出。
12.在一些实施例中，所述导流柱的横截面为圆形，若干所述导流柱交错分布，所述网格流道后侧流出的冷却气沿所述导流道流动并从所述尾缘处的出气口流出。
13.在一些实施例中，所述壳体的前缘设有多个第一出气孔，所述壳体的顶部设有多个第二出气孔，所述尾缘设有劈缝。
14.本发明另一方面实施例提供的燃气轮机包括上述任一项实施例中的燃气轮机的叶片。
附图说明
15.图1是本发明实施例提供的燃气轮机的叶片的轮廓图。
16.图2是图1的a-a截面图。
17.图3是图2的b-b截面图。
18.图4是本发明实施例提供的叶片的交错肋结构的结构示意图。
19.图5是本发明实施例提供的叶片的柱肋结构的结构示意图。
20.图6是本发明实施例提供的叶片的另一种柱肋结构的结构示意图。
21.附图标记：
22.叶片100、壳体1、内腔11、前缘12、尾缘13、压力面14、吸力面15、交错肋结构2、第一肋片21、第一流道211、第二肋片22、第二流道221、导流结构3、导流柱31、导流道32。
具体实施方式
23.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。
24.下面根据图1-图6描述本发明实施例提供的燃气轮机的叶片的基本结构。
25.叶片100包括壳体1和位于壳体1内的交错肋结构2以及导流结构3。叶片100为中空结构，壳体1内部限定出内腔11，内腔11的底部设有冷却气进口，冷却气从冷却气进口进入内腔11中。壳体1的顶部、前缘12和尾缘13均开设有出气口，冷却气由出气口从内腔11内喷出。本领域的技术人员可知，壳体1的前缘12为其外轮廓较宽的一侧，壳体1的尾缘13为其外轮廓较窄的一侧。壳体1的两个外侧壁面分为为向内凹陷的压力面14和向外突出的吸力面15。
26.如图2和图4所示，交错肋结构2由两层交错布置的肋片构成，并限定出交错的网格流道。交错肋结构2设于内腔11内，且其与内腔11的两个侧壁面相连。换言之，交错肋结构2支撑于壳体1的两个侧壁之间，与压力面14和吸力面15相对应，用于对压力面14和吸力面15进行冷却。
27.如图2和图5、图6所示，导流结构3设置在内腔11内，并位于交错肋结构2的后方，导流结构3限定出若干导流道32。例如，导流结构3可以对应设置在尾缘13处，在导流结构3的导流作用下，冷却气沿导流道32流动后从尾缘13处开设的出气口喷出，增加尾缘13结构强度的同时提高尾缘13处的冷却效果。
28.进入内腔11的冷却气在网格流道和导流道的导流作用下最终从出气口喷出。具体地，在交错肋结构2的导流作用下，一半冷却气流向前缘12方向，另一半冷却气流向尾缘13方向，在此流动过程中，可以显著增加内部换热面积和气流之间的掺混作用，从而提高对压力面14和吸力面15内壁的冷却效果。同时，由于交错肋结构2自身的导热作用，使得压力面14和吸力面15的温度更加均匀，减小温度梯度导致的热应力。气流流出交错肋结构2后，部分冷却气斜向冲击前缘12的内壁面，再沿前缘12内壁面流向顶部方向，从而达到类似冲击冷却的效果，显著降低前缘12温度。并且在流动过程中冷却气会从前缘12和顶部的出气口喷出，在叶片100外部形成气膜保护叶片100。
29.本发明实施例提供的燃气轮机的叶片的内部结构进行简化，冷却结构仅包括交错肋结构和导流结构，无需设置多层内部壁面即可实现空心叶片的内部冷却。交错肋结构的设置同时实现对叶片压力面、吸力面和前缘的冷却作用，导流结构的设置实现对叶片尾缘的冷却。
30.因此，本发明实施例提供的燃气轮机的叶片可以显著提升内部结构的换热能力，大大提高冷却气对高温叶片的冷却效果。
31.下面根据图1-图5描述本发明的一个具体实施例中的叶片100。为描述方便，以图2所示冷却气的进气方向为向上的方向，即图2中的竖直方向为上下方向，与上下方向相互垂直的水平方向为前后方向为例描述本实施例的技术方案，上下方向和前后方向如图2中的箭头所示。
32.叶片100包括壳体1和设在壳体1内的交错肋结构2和导流结构3。壳体1的前缘12和顶部均开设有出气孔，壳体1的尾缘13形成劈缝。在其他实施例中，壳体1的尾缘13处也可以设有出气孔，此处对出气口的形式不做限制。
33.交错肋结构2位于导流结构3的前侧。如图2所示，交错肋结构2在前后方向上的尺寸明显大于导流结构3在前后方向上的尺寸。交错肋结构2位于内腔11的中部，导流结构3位于内腔11的尾部，即尾缘13处。因此交错肋结构2主要对前缘12、内腔11的两个侧壁面起冷却作用，导流结构3主要对尾缘13起冷却作用。
34.如图4所示，交错肋结构2为双层结构，由两层交错布置的肋片构成。具体地，交错肋结构2包括若干相互平行的第一肋片21和若干相互平行的第二肋片22。第一肋片21向上向前倾斜延伸，第二肋片22向上向后倾斜延伸。若干第一肋片21均位于若干第二肋片22的同一侧。在本实施例中，如图3所示，第一肋片21一侧和与压力面14相对应的壳体1的内壁面相连，第一肋片21的另一侧与第二肋片22的一侧相连，第二肋片22的另一侧和与吸力面15相对应的壳体1的内壁面相连。
35.进一步具体地，如图2所示，交错肋结构2的前侧与内腔11的前壁面(前缘12的内壁面)之间具有间隔，并且交错肋结构2的顶部与内腔11的顶壁面之间也具有间隔。换言之，交错肋结构2只与内腔11的两个相对的侧壁面相连。
36.若干第一肋片21间隔设置，相邻第一肋片21之间限定出第一流道211，若干第二肋片22间隔设置，相邻第二肋片22之间限定出第二流道221。可以理解的是，第一流道211的延伸方向与第一肋片21相同，第二流道221的延伸方向与第二肋片22相同。交错肋结构2形成的若干第一流道211与若干第二流道221交错形成网格流道。可选地，为使交错肋结构2的结构更加合理，第一肋片21和第二肋片22与图2中上下方向的夹角均为45
°
，第一肋片21与第
二肋片22之间的夹角为90
°
。
37.冷却气的流入网格流道的一部分沿第一流道211向前向上流动，另一部分沿第二流道221向后向上流动。第一流道211中的冷却气流出第一流道211后，斜向冲击前缘12的内壁面，其中一部分冷却气从前缘12的出气孔喷出，另一部分受到前缘12的内壁面的阻挡的冷却气沿前缘12的内壁面向上流动，流向壳体1的顶部，并最终从顶部的出气孔喷出，在该过程中，对前缘12产生冷却作用。并且，从前缘12以及顶部的出气孔处喷出的冷却气在叶片100外部形成气膜，气流的抽吸作用能够强化出气孔的开孔位置处的局部换热，从而进一步提高对叶片100的冷却效果，进一步保护叶片100。第二流道221中的冷却气流出第二流道221后，进入位于交错肋结构2后方的导流结构3的导流道32中。
38.如图2所示，导流结构3由若干导流柱31构成，相邻两个导流柱31之间形成导流道32，并且导流柱31的两端分别于内腔11的两个相对的侧壁面相连，起到了增强尾缘13处结构强度的作用。
39.在本实施例中，如图5所示，若干导流柱31在上下方向上间隔设置，导流柱31的横截面为倾斜向下延伸的长条形状。相邻导流柱31之间限定出向下向后倾斜的导流道。这是由于从第二流道221中流出的冷却气出流角度斜向上，为了使冷却气顺利从尾缘13处的劈缝流出，通过设置上述结构的导流柱31，导流柱31起到导流作用，并能够引导冷却气沿导流道32流动并从尾缘32处的劈缝流出。
40.在其他实施例中，如图6所示，导流柱31的横截面可以为圆形，并且若干导流柱31可以交错分布。即导流柱31可以组成多排，每排导流柱31包括多个沿前后方向间隔排布的导流柱31。相邻两排导流柱31在上下方向上交错排布。如此，可以使导流柱31之间形成的导流道32延长，从而延长冷却气在导流道32中的流通时间，提高散热冷却效果。
41.下面根据图2、图4和图5描述上述实施例中的叶片100的冷却原理和冷却过程。
42.冷却气在叶片100内部的流通路径具体地如图2中的箭头所示，冷却气从底部进入内腔11，在交错肋结构2的导流作用下，一部分冷却气沿第一流道211流向内腔11的前壁面(前缘12的内壁面)，另一部分沿第二流道221流向尾缘13方向。在此流动过程中，可以显著增加内部换热面积和气流之间的掺混作用，从而提高对压力面14和吸力面15内壁的冷却效果。同时，由于交错肋结构2自身的导热作用，使得压力面14和吸力面15的温度更加均匀，减小温度梯度导致的热应力。
43.第一流道211中的冷却气流出第一流道211后，斜向冲击前缘12的内壁面，其中一部分冷却气从前缘12的出气孔喷出，另一部分受到前缘12的内壁面的阻挡的冷却气沿前缘12的内壁面向上流动，流向壳体1的顶部，并最终从顶部的出气孔喷出，在该过程中对前缘12产生类似冲击冷却的效果。从前缘12以及顶部的出气孔处喷出的冷却气在叶片100外部形成气膜，气流的抽吸作用能够强化出气孔的开孔位置处的局部换热，从而进一步提高对叶片100的冷却效果，进一步保护叶片100。第二流道221中的冷却气流出第二流道221后，进入位于交错肋结构2后方的导流结构3的导流道32中，最终从尾缘32处的劈缝流出。
44.本实施例提供的燃气轮机的叶片100内部结构进行简化，仅由交错肋结构2和柱肋结构3来实现空心叶片100的内部冷却作用；实现了仅通过交错肋结构2这一单一结构，即达到了同时对压力面14、吸力面15和前缘12的冷却作用；并且显著提升了内部结构换热能力，大大提高冷却气对高温叶片100的冷却效果。
45.本发明的另一个实施例提供了一种燃气轮机，该燃气轮机包括上述任一项实施例中的叶片100。
46.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。
47.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。
48.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。
49.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。
50.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。
51.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。