用于燃气轮机的双层壁叶片和燃气轮机的制作方法

1.本发明涉及燃气轮机技术领域，还涉及一种用于燃气轮机的双层壁叶片和燃气轮机。


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。
3.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：

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。为此，本发明的实施例提出一种具有优异冷却效果的燃气轮机的双层壁叶片。本发明的实施例还提出一种燃气轮机。
5.本发明实施例提供的用于燃气轮机的双层壁叶片，包括：外壳，所述外壳限定出腔室，所述外壳上设有沿叶片长度方向延伸的若干出气槽缝，所述出气槽缝的开口朝向所述外壳的尾缘，所述叶片具有与所述腔室连通的进气口；若干段内壁，所述若干段内壁沿周向设置在所述腔室内并与所述外壳相连，所述若干段内壁的外壁面与所述外壳的内壁面之间形成若干段冷却通道，所述内壁设有连通所述冷却通道与所述腔室的至少一个通孔，所述若干冷却通道的靠近所述外壳的尾缘的端部与所述若干出气槽缝一一对应地连通。
6.本发明实施例提供的用于燃气轮机的双层壁叶片具有双层壁结构，外壳与若干段内壁之间形成若干冷却通道，冷却气流经冷却通道后从贴近外壳壁面的槽缝排出叶片，形成覆盖外壳外表面的气膜，产生气膜冷却的效果，冷却气均匀地附着在外壳的表面，能够更好地防止高温燃气直接接触外壳的外表面。同时冷却气通过内壁上的通孔喷入冷却通道，能够对外壳的内壁面起到冲击冷却的作用。
7.此外，不同冷却通道中的冷却气经由外壳上开设的对应的出气槽缝排出，减少了冷却通道内的气体的横流，进而减少了横流对冲击冷却的削弱作用，大大提升冷却效率和换热能力。
8.因此，本发明实施例提供的双层壁叶片使用冲击冷却和气膜冷却相结合的冷却形式，大大提高冷却气对高温叶片的冷却效果，使叶片具有较强的换热能力。
9.在一些实施例中，所述出气槽缝至少包括设在所述外壳的吸力面上的第一出气槽
缝、所述外壳的压力面上的第二出气槽缝以及位于所述外壳的尾缘处的第三出气槽缝，且所述第一出气槽缝和所述第二出气槽缝均至少为一个。
10.在一些实施例中，所述内壁包括至少与所述外壳的前缘相对的第一内壁，所述第一内壁与所述外壳之间形成第一冷却通道，所述第一冷却通道在其延伸方向上具有相对的第一端和第二端，所述第一端与所述第一出气槽缝连通，所述第二端与第二出气槽缝连通。
11.在一些实施例中，所述第一内壁至少在与所述前缘相对的位置开设有若干所述通孔。
12.在一些实施例中，所述第一内壁与所述前缘、所述吸力面的一部分和所述压力面的一部分相对，所述第一内壁还在于所述吸力面和所述压力面相对的位置开设有若干所述通孔。
13.在一些实施例中，所述出气槽缝具有相对的第一侧壁和第二侧壁，所述内壁的靠近所述出气槽缝的一侧与所述出气槽缝的第一侧壁平滑连接。
14.在一些实施例中，所述冷却通道内设有柱肋结构，所述柱肋结构包括若干柱肋，所述柱肋的一端与所述外壳相连，另一端与所述内壁相连。
15.在一些实施例中，所述柱肋为棱柱。
16.在一些实施例中，所述柱肋在冷却气的流通方向上错开设置。
17.本发明另一方面实施例的燃气轮机，包括根据上述任一项实施例中的叶片。
附图说明
18.图1是本发明实施例提供的燃气轮机的叶片的轮廓图。
19.图2是本发明实施例提供的燃气轮机的叶片的a-a截面图。
20.图3是图2的b-b截面图。
21.图4是本发明一个实施例提供的柱肋结构的示意图。
22.图5是本发明另一个实施例提供的柱肋结构的示意图。
23.附图标记：
24.叶片100、
25.外壳1、出气槽缝11、第一出气槽缝111、第二出气槽缝112、第三出气槽缝113、进气口12、内壁2、第一内壁201、第二内壁202、第三内壁203、冷却通道21、第一冷却通道211、通孔22、前缘3、尾缘4、压力面5、吸力面6、柱肋7、隔板8。
具体实施方式
26.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。
27.下面根据图1-图5描述本发明实施例提供的用于燃气轮机的双层壁叶片100。叶片100包括外壳1和若干段内壁2。外壳1具有前缘3和尾缘4，本领域的技术人员可知，前缘3为外壳1的外轮廓较宽的一侧，尾缘4为外壳1的外轮廓较窄的一侧。外壳1的两个外侧壁面分别为向内凹陷的压力面5和向外突出的吸力面6。
28.外壳1限定出腔室，外壳1上设有若干出气槽缝11，出气槽缝11沿叶片100的长度方向，若干出气槽缝11沿外壳1的周向间隔设置。并且，出气槽缝11的开口朝向外壳1的尾缘4，
即出气槽缝11朝后开口，叶片100还具有与外壳1的腔室连通的进气口12，冷却气从进气口12进入外壳1的腔室，并从出气槽缝11上喷出。
29.若干段内壁2沿外壳1的周向设置在外壳1的腔室内并与外壳1相连，若干段内壁2的外壁面与外壳1的内壁面之间形成若干段冷却通道21，内壁2设有连通冷却通道21与外壳1的腔室的至少一个通孔22，若干冷却通道21的靠近外壳1的尾缘4的端部与若干出气槽缝11一一对应地连通。冷却气从从进气口12进入外壳1的腔室后，通过内壁2上的通孔22喷入冷却通道21内，并沿冷却通道21向后流动，即向靠近尾缘4的方向流动，直至从与该冷却通道21的端部连通的出气槽缝11爬刺虎，由于出气槽缝11的开口朝后，冷却气在外壳1的外表面形成气膜，实现气膜冷却。
30.本发明实施例提供的用于燃气轮机的双层壁叶片具有双层壁结构，外壳与若干段内壁之间形成若干冷却通道，冷却气流经冷却通道后从贴近外壳壁面的槽缝排出叶片，形成覆盖外壳外表面的气膜，产生气膜冷却的效果，冷却气均匀地附着在外壳的表面，能够更好地防止高温燃气直接接触外壳的外表面。同时冷却气通过内壁上的通孔喷入冷却通道，能够对外壳的内壁面起到冲击冷却的作用。
31.此外，不同冷却通道中的冷却气经由外壳上开设的对应的出气槽缝排出，减少了冷却通道内的气体的横流，进而减少了横流对冲击冷却的削弱作用，大大提升冷却效率和换热能力。
32.因此，本发明实施例提供的双层壁叶片使用冲击冷却和气膜冷却相结合的冷却形式，大大提高冷却气对高温叶片的冷却效果，使叶片具有较强的换热能力。
33.为了表述方便，以图2所示的叶片100的长度方向为上下方向，前缘-尾缘方向为前后方向为例，描述本发明实施例的技术方案，上下方向和前后方向如图2中的箭头所示。
34.在一些实施例中，出气槽缝11至少包括设在吸力面6上的第一出气槽缝111、设在压力面5上的第二出气槽缝112以及位于尾缘4处的第三出气槽缝113，且第一出气槽缝111和第二出气槽缝112均至少为一个。
35.在图3所示的实施例中，吸力面6上的第一出气槽缝111为一个，压力面5上的第二出气槽缝112为两个。
36.当然在其他实施例中，第一出气槽缝111的数量可以为其他，例如，可以为两个或者两个以上，第二出气槽缝112的数量可以为其他，例如，可以为一个或者两个以上。
37.如图3所示，第一出气槽缝111、第二出气槽缝112和第三出气槽缝113的开口均朝后(如图3中的箭头所示)，从而使得从出气槽缝11喷出的冷却气向后流动，形成覆盖外壳1的外表面的气膜，起到气膜冷却的效果。
38.在一些实施例中，内壁2包括第一内壁201，第一内壁201至少与前缘3相对，换言之，第一内壁201的至少一部分与前缘3相对。在图3所示的实施例中，第一内壁201的一部分与前缘3相对，另一部分与压力面5相对，另一部分与吸力面6相对。第一内壁201与外壳1之间形成第一冷却通道211，第一冷却通道211在其延伸方向上具有相对的第一端和第二端，第一冷却通道211的第一端与位于吸力面6上的第一出气槽缝111连通，第一冷却通道211的第二端与压力面5上的第二出气槽缝112连通。
39.在图3所示的实施例中，第一冷却通道211的一部分流经前缘3对应的外壳1的内壁面，一部分流经压力面5对应的外壳1的内壁面，另一部分流经吸力面6对应的外壳1的内壁
面，以带走热量，起到对外壳1冷却的作用。并且第一冷却通道211中的冷却气向后流动，一部分向第一端流动并从第一出气槽缝111喷出，在吸力面6上下形成气膜冷却，另一部分向第二端流动并从第二出气槽缝112喷出，在压力面5上形成气膜冷却。
40.在一些实施例中，第一内壁201至少在与前缘3相对的位置开设有若干通孔22。冷却气通过若干与前缘3相对的通孔22喷入第一冷却通道211时，对前缘3起到了良好的冲击冷却的作用。
41.进一步地，在一些实施例中，如图3所示，第一内壁201还在于吸力面6和压力面5相对的位置开设有若干通孔22。也就是说，在以图3为例所示的实施例中，第一内壁201上即开设有能够对前缘3起到冲击冷却的若干通孔22，还开设有若能够对吸力面6和压力面5起到冲击冷却的若干通孔22，经过第一内壁201上开设的通孔22喷入第一冷却通道211的冷却气沿着第一冷却通道211向后流动，在该过程中与外壳1的内壁面接触，带走热量，增强了换热效果。
42.在一些实施例中，出气槽缝11具有相对的第一侧壁和第二侧壁，内壁2的靠近出气槽缝11的一侧与出气槽缝11的第一侧壁平滑连接，以使冷却通道21中的气体可以更加顺畅的、不改变流通方向的从对应的出气槽缝11喷出。
43.作为示例，如图3所示，外壳1的两个部分分离形成缝隙，其中一个部分向内偏移构造出出气槽缝11，对应的内壁2的端部与出气槽缝11的其中一个侧壁(第一侧壁)平滑连接，即内壁2的端部与外壳1的靠近出气槽缝11的一部分平滑连接。
44.在图3所示的实施例中，第一内壁201的第一端和第二端均与对应的出气槽缝11的第一侧壁平滑连接。叶片100的内壁还包括与另一个第二出气槽缝112对应的第二内壁202，以及与第三出气槽缝113对应的第三内壁203。
45.第二内壁202的后端(靠近第二出气槽缝112的一侧)与第二出气槽缝112附近的外壳1的壁面平滑连接。第二内壁202的前端(远离第二出气槽缝113的一侧)与外壳1的内壁面通过隔板8相连。第三内壁203的后端(靠近第三出气槽缝113的一侧)与第三出气槽缝113附近的外壳1的壁面连接，第三内壁203的前端(远离第三出气槽缝113的一侧)与外壳1的内壁面通过另一隔板8相连。
46.第一内壁201、第二内壁202和第三内壁203基本围绕外壳1的内壁面分布，形成了基本环绕外壳1的冷却通道，使冷却气的换热面积最大化，从而使冷却效果最大化。
47.在一些实施例中，冷却通道21内设有柱肋结构，柱肋结构包括若干柱肋7，柱肋7的一端与外壳1的内壁面相连，柱肋7的另一端与内壁2的外壁面相连。进入冷却通道21中的冷却气沿着柱肋7之间形成的间隙流通，柱肋7的设置在增大换热面积的同时，还可以增强叶片100的结构强度。此外，柱肋7的导热效应还可以在一定程度上降低内壁2和外壳1之间的温度差，使叶片100的内外温度更均匀，减小了热应力。
48.进一步地，柱肋7在冷却气的流通方向上错开设置。进入冷却通道21的冷却气在柱肋7之间穿梭，与柱肋7接触后改变方向，从而实现冷却气的翻腾，延长了冷却气在冷却通道21中的流通时间，提高散热冷却效果。
49.作为示例，如图2和图3所示，柱肋7主要分布于位于内壁2的两侧，柱肋7在上下方向上和周向上间隔分布。柱肋7的设置进一步增大了冷却气的换热面积，强化了换热能力，从而进一步增强了冷却效果。此外，由于柱肋7的支撑作用，叶片100的结构强度也得到了提
高。
50.可选地，柱肋7的为圆柱肋或棱柱肋。优选地，柱肋7为棱柱肋，例如，如图4所示，柱肋7的横截面形状为菱形。如图5所示，柱肋7的横截面为矩形。图中箭头为冷却气的流通方向。棱柱肋与圆柱肋相比，具有更高的强化换热能力，从而使本发明实施例提供的叶片100具有更好的冷却效果。
51.本发明的一个实施例还提供了一种燃气轮机，该燃气轮机具有上述任一项实施例中的双层壁叶片100。
52.下面根据图2和图3描述上述实施例中的叶片100的冷却原理和冷却过程。
53.冷却气在叶片100内部的流通路径具体地如图2和图3中的箭头所示，一部分冷却气从底部的进气口21进入外壳1的腔室，随后通过内壁2上的通孔22进入冷却通道21。
54.具体地，冷却气通过第一内壁201上的通孔进入第一冷却通道211，并对外壳1的相应的内壁面产生冲击冷却，冷却气在第一冷却通道211向后流动，分别从第一出气槽缝111和一个第二出气槽缝112喷出，在第一出气槽缝111喷出的冷却气在外壳1的吸力面6上形成气膜冷却，在第二出气槽缝112喷出的冷却气在外壳1的压力面5上形成气膜冷却。
55.冷却气还通过第二内壁202上的通孔进入第二冷却通道，并对外壳1的相应的内壁面产生冲击冷却，冷却气在第二冷却通道向后流动，从另一个第二出气槽缝112喷出，该第二出气槽缝112位于与第一冷却通道211连通的第二出气槽缝112的后方。在第二出气槽缝112喷出的冷却气在外壳1的压力面5上形成气膜冷却。
56.冷却气还通过第三内壁203上的通孔进入第三冷却通道，并对外壳1的相应的内壁面产生冲击冷却，冷却气在第三冷却通道向后流动，从第三出气槽缝113喷出，喷出的冷却气起到冷却尾缘4的作用。
57.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。
58.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。
59.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。
60.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。
61.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。
62.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。