CN102943693A - 一种高效冷却的中低热值燃机透平动叶 - Google Patents

Abstract

一种高效冷却的中低热值燃机透平动叶，它涉及一种中低热值燃机透平动叶。本发明为了解决现有透平叶片存在冷却效率低，叶片易被烧坏的问题。本发明的叶根、中间体和通流径向下缘板由下至上依次设置，叶片工作部分设置在通流径向下缘板的上端，叶片工作部分包括第一冷却回路部分、第二冷却回路部分、中间肋和多个中间紊流激发器，第一冷却回路部分和第二冷却回路部分由左至右依次设置在通流径向下缘板上，中间肋的上部开有倾斜向上的孔，中间肋设置在第一冷却回路部分和第二冷却回路部分之间，多个中间紊流激发器由上至下依次设置在中间肋上。本发明用于中低热值燃机系统。

Description

一种高效冷却的中低热值燃机透平动叶

技术领域

本发明涉及一种中低热值重型燃气轮机系统中的燃机透平动叶，具体涉及一种高效冷却的中低热值燃机透平动叶。

背景技术

随着目前重型燃气轮机中的气体燃烧温度的升高，在燃气子午流道内的透平叶片直接暴漏在较高的热负荷环境中，尤其在叶片叶身及顶部热负荷显著增加，导致叶片容易产生氧化且出现蠕变损坏。虽然目前透平材料和工艺已有长足的进展，但面临日益增高的燃气透平入口温度，叶片的温度和热应力水平逐渐增大的条件下，现有的透平叶片出现了冷却效率低，叶片易被烧坏的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的透平叶片存在冷却效率低，叶片易被烧坏的问题。进而提供一种高效冷却的中低热值燃机透平动叶。

本发明的技术方案是：一种高效冷却的中低热值燃机透平动叶包括叶根、中间体和通流径向下缘板，中间体为空心中间体，通流径向下缘板上设有多个通流孔，叶根、中间体和通流径向下缘板由下至上依次设置，所述中低热值燃机透平动叶还包括叶片工作部分，叶片工作部分设置在通流径向下缘板的上端，叶片工作部分包括第一冷却回路部分、第二冷却回路部分、中间肋和多个中间紊流激发器，第一冷却回路部分和第二冷却回路部分由左至右依次设置在通流径向下缘板上，中间肋的上部开有倾斜向上的孔，中间肋设置在第一冷却回路部分和第二冷却回路部分之间，多个中间紊流激发器由上至下依次设置第一冷却回路部分和第二冷却回路部分内，第一冷却回路部分的叶片进气侧设有三排向上倾斜的前缘出气气膜孔，第二冷却回路部分的叶片出气侧设有一排尾缘出气气膜孔，第一冷却回路部分和第二冷却回路部分的顶端设有多个与内腔蛇形冷却管道相连的顶部出气气膜孔，所述第一冷却回路部分包括多根第一肋条和多个第一紊流激发器，多根第一肋条径向倾斜设置在通流径向下缘板上，并组成蛇形冷却管道，且每相邻两根第一肋条之间留有间隙，每相邻两根第一肋条之间的叶片压力侧和吸力侧由上至下依次设有多个第一紊流激发器，靠近外部的第一肋条上由上至下依次设有多个冲击孔，与所述靠近外部的第一肋条相邻的第一肋条上部设有多个分流孔；所述第二冷却回路部分包括多根第二肋条和多个第二紊流激发器，多根第二肋条径向倾斜设置在通流径向下缘板上，并组成蛇形冷却管道，且相邻两根第二肋条之间留有间隙，多个第二紊流激发器由上至下依次设置在两根第二肋条之间的叶片压力侧和吸力侧上，靠近中间肋处的第二个第二肋条上部设有多个压力平衡孔，第二冷却回路部分的出气侧侧壁上设有集气腔，集气腔内包含多个扰流件和多个突起钉。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1.本发明在多根肋条组成的蛇形管道的直通道内，矩形通道的叶片压力侧和吸力侧分别设有紊流激发器，有效的增加了叶片内流换热效率，保证叶片表面有较好的温度场和较小的热应力梯度。

2.本发明的第一冷却回路部分上设有整排冲击孔，使冷却流体流向叶片前缘，最终由前缘气膜孔喷出。同时，还增加了分流孔和压力平衡孔，提高了叶片蛇形管道末端的冷却流体压力，有效的降低了叶片末端处的温度。

3.本发明的突起钉，有效的增大了换热面积。冷却流体经由“柱”状扰流件，增大了湍流度，进而增大了换热效率，降低叶片尾缘处的叶片温度。

4.本发明的在不增加整个透平系统的总体冷气量的情况下，通过透平叶片内冷结构的调整，有效的降低了叶片金属表面温度和热应力，避免了叶片易被烧坏的问题。

附图说明

图1是本发明的整体外部结构主视图，图2是图1的轴侧结构示意图，图3是本发明叶片工作部分的剖视图，图4是图1在A6-A6处的剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的一种高效冷却的中低热值燃机透平动叶包括叶根1、中间体2和通流径向下缘板3，中间体2为空心中间体，通流径向下缘板3上设有多个通流孔22，叶根1、中间体2和通流径向下缘板3由下至上依次设置，所述中低热值燃机透平动叶还包括叶片工作部分4，叶片工作部分4设置在通流径向下缘板3的上端，叶片工作部分4包括第一冷却回路部分23、第二冷却回路部分24、中间肋6和多个中间紊流激发器11，第一冷却回路部分23和第二冷却回路部分24由左至右依次设置在通流径向下缘板3上，中间肋6的上部开有倾斜向上的孔18，中间肋6设置在第一冷却回路部分23和第二冷却回路部分24之间，多个中间紊流激发器11由上至下依次设置第一冷却回路部分23和第二冷却回路部分24内，第一冷却回路部分23的叶片进气侧设有三排向上倾斜的前缘出气气膜孔19，第二冷却回路部分24的叶片出气侧设有一排尾缘出气气膜孔20，第一冷却回路部分23和第二冷却回路部分24的顶端设有多个与内腔蛇形冷却管道相连的顶部出气气膜孔21，所述第一冷却回路部分23包括多根第一肋条7和多个第一紊流激发器8，多根第一肋条7径向倾斜设置在通流径向下缘板3上，并组成蛇形冷却管道，且每相邻两根第一肋条7之间留有间隙，每相邻两根第一肋条7之间的叶片压力侧和吸力侧由上至下依次设有多个第一紊流激发器8，靠近外部的第一肋条7上由上至下依次设有多个冲击孔9，与所述靠近外部的第一肋条7相邻的第一肋条7上部设有多个分流孔10；所述第二冷却回路部分24包括多根第二肋条12和多个第二紊流激发器13，多根第二肋条12径向倾斜设置在通流径向下缘板3上，并组成蛇形冷却管道，且相邻两根第二肋条12之间留有间隙，多个第二紊流激发器13由上至下依次设置在两根第二肋条12之间的叶片压力侧和吸力侧上，靠近中间肋6处的第二个第二肋条12上部设有多个压力平衡孔14，第二冷却回路部分24的出气侧侧壁上设有集气腔15，集气腔内包含多个扰流件16和多个突起钉17。

本发明在使用时是把一个空心的透平叶片，放入热流道内，叶片内通入冷气，冷气经过叶片内部通道，从叶片表面喷出来，喷出来的冷气贴附在叶片表面，形成一层气膜，保护叶片不被高温燃气侵蚀，同时还提高了透平叶片的冷却效率。

本实施方式的冷却流体从叶根1的底部进入叶片工作部分4，部分流体流经通流径向下缘板3处时通过孔喷出部分流体，最终通过通流径向下缘板3喷出形成，冷却叶片缘板外表面。叶根1上设有四个进气孔5，一方面通过进气孔5进气，另一方面通过前缘出气气膜孔19进气，尾缘出气气膜孔20和顶部出气气膜孔21出气，实现了对叶片进行多方位的冷却，冷却效率高。

本实施方式的蛇形冷却管道内部具有紊流激发器装置，使得冷却流体自叶片内壁上分离，将冷却流体与近壁面流体混合，改善传热关系。

本实施方式的第一冷却回路部分23的通道内蛇形管道中，多个冲击孔9的数量为23个，该冲击孔使第一冷却回路部分蛇行通道和前缘出气气膜孔19连通，使通道内压力更倾向于均衡。

一般情况下，透平叶片的叶身顶部无法增加复杂的冷却结构，且存在较大的热负荷，且易发生氧化和蠕变损坏。本发明采取增加多个分流孔10和平衡压力孔14的方法，仅改变叶片内部的冷却通道结构，在不增大叶片整体冷气量的情况下，有效解决了叶片顶部过热的情况。

本实施方式中间肋6的上部开有倾斜向上的孔18，趋使冷却流体冲击上端盖末端。

本实施方式的多个压力平衡孔14的目的是提高了叶片尾缘顶部区域冷却通道的冷却流体流量，消除叶片尾缘顶端的高温区，增强叶片的可靠性。

本实施方式的多个突起钉17，有效地增加了通道内的换热面积，使其内表面换热系数达到更高的要求。

具体实施方式二：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的每相邻两根第一肋条7之间的间隙和相邻两根第二肋条12之间的间隙均为由下至上渐缩的间隙。如此设置，冷却效果好。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的第一紊流激发器8、中间紊流激发器11和第二紊流激发器13均为“人”字形肋片。如此设置，单独蛇形管道可看做一带有圆角的矩形通道管路，在靠近压力侧和吸力侧的通道内，设置“人”字形肋片，有效的提高了叶片压力侧和吸力侧的表面换热系数。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的“人”字形肋片的夹角为110°-130°。如此设置，叶片压力侧和吸力侧的表面换热系数为最佳，=其它组成和连接关系与具体实施方式二或三相同。

具体实施方式五：结合图图2和图3说明本实施方式，本实施方式的每相邻两根第一肋条7之间的多个第一紊流激发器8上的肋片的夹角方向相反。如此设置，达到紊流激发的目的，紊流效果好。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的中间紊流激发器11的肋片的夹角方向与第二紊流激发器13的肋片的夹角方向相反。如此设置，达到紊流激发的目的，紊流效果好。其它组成和连接关系与具体实施方式四或五相同。

具体实施方式七：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的多个分流孔10由下至上开始于两个第一肋条7之间所形成的叶片内冷通道的60%处，结束于所述叶片内冷通道的85%处，分流面积为所述叶片内冷通道面积的18%~30%。如此设置，冷却效果好。其它组成和连接关系与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的冲击孔9为等间距分布，间距距离为5cm，第一肋条7上部和下部的冲击孔直径是第一肋条7中部冲击孔直径的1.2倍-1.3倍。如此设置，根据不同的冷却位置，选择不同直径的冲击孔，有效的提高冷却效率。其它组成和连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的多个扰流件16以交叉的形式排布在第二冷却回路部分24的侧壁上，且扰流件16为“柱”状扰流件。如此设置，冷却流体经由“柱”状扰流件，其结构为4排，以交叉形式排布。增大了湍流度，进而增大了换热效率，降低叶片尾缘处的叶片温度。其它组成和连接关系与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的分流孔10和压力平衡孔14的数量均为3个。如此设置，因为冷却回路蛇形管道因为弯头处流阻和流体的分流，在通道末端压损较大，在第一肋条7或第二肋条12上半段的开孔平衡了该部分的压损，使叶片顶部得到更多的冷气量，降低叶部温度。其它组成和连接关系与具体实施方式九相同。

Claims (10)

1.一种高效冷却的中低热值燃机透平动叶，它包括叶根（1）、中间体（2）和通流径向下缘板（3），中间体（2）为空心中间体，通流径向下缘板（3）上设有多个通流孔（22），叶根（1）、中间体（2）和通流径向下缘板（3）由下至上依次设置，其特征在于：所述中低热值燃机透平动叶还包括叶片工作部分（4），叶片工作部分（4）设置在通流径向下缘板（3）的上端，叶片工作部分（4）包括第一冷却回路部分（23）、第二冷却回路部分（24）、中间肋（6）和多个中间紊流激发器（11），第一冷却回路部分（23）和第二冷却回路部分（24）由左至右依次设置在通流径向下缘板（3）上，中间肋（6）的上部开有倾斜向上的孔（18），中间肋（6）设置在第一冷却回路部分（23）和第二冷却回路部分（24）之间，多个中间紊流激发器（11）由上至下依次设置第一冷却回路部分（23）和第二冷却回路部分（24）内，第一冷却回路部分（23）的叶片进气侧设有三排向上倾斜的前缘出气气膜孔（19），第二冷却回路部分（24）的叶片出气侧设有一排尾缘出气气膜孔（20），第一冷却回路部分（23）和第二冷却回路部分（24）的顶端设有多个与内腔蛇形冷却管道相连的顶部出气气膜孔（21），所述第一冷却回路部分（23）包括多根第一肋条（7）和多个第一紊流激发器（8），多根第一肋条（7）径向倾斜设置在通流径向下缘板（3）上，并组成蛇形冷却管道，且每相邻两根第一肋条（7）之间留有间隙，每相邻两根第一肋条（7）之间的叶片压力侧和吸力侧由上至下依次设有多个第一紊流激发器（8），靠近外部的第一肋条（7）上由上至下依次设有多个冲击孔（9），与所述靠近外部的第一肋条（7）相邻的第一肋条（7）上部设有多个分流孔（10）；所述第二冷却回路部分（24）包括多根第二肋条（12）和多个第二紊流激发器（13），多根第二肋条（12）径向倾斜设置在通流径向下缘板（3）上，并组成蛇形冷却管道，且相邻两根第二肋条（12）之间留有间隙，多个第二紊流激发器（13）由上至下依次设置在两根第二肋条（12）之间的叶片压力侧和吸力侧上，靠近中间肋（6）处的第二个第二肋条（12）上部设有多个压力平衡孔（14），第二冷却回路部分（24）的出气侧侧壁上设有集气腔（15），集气腔内包含多个扰流件（16）和多个突起钉（17）。

2.根据权利要求1所述的一种高效冷却的中低热值燃机透平动叶，其特征在于：所述每相邻两根第一肋条（7）之间的间隙和相邻两根第二肋条（12）之间的间隙均为由下至上渐缩的间隙。

3.根据权利要求2所述的一种高效冷却的中低热值燃机透平动叶，其特征在于：所述第一紊流激发器（8）、中间紊流激发器（11）和第二紊流激发器（13）均为“人”字形肋片。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种高效冷却的中低热值燃机透平动叶，其特征在于：所述“人”字形肋片的夹角为110°-130°。

5.根据权利要求4所述的一种高效冷却的中低热值燃机透平动叶，其特征在于：每相邻两根第一肋条（7）之间的多个第一紊流激发器（8）上的肋片的夹角方向相反。

6.根据权利要求1或5所述的一种高效冷却的中低热值燃机透平动叶，其特征在于：中间紊流激发器（11）的肋片的夹角方向与第二紊流激发器（13）的肋片的夹角方向相反。

7.根据权利要求6所述的一种高效冷却的中低热值燃机透平动叶，其特征在于：多个分流孔（10）由下至上开始于两个第一肋条（7）之间所形成的叶片内冷通道的60%处，结束于所述叶片内冷通道的85%处，分流面积为所述叶片内冷通道面积的18%~30%。

8.根据权利要求5或7所述的一种高效冷却的中低热值燃机透平动叶，其特征在于：所述冲击孔（9）为等间距分布，间距距离为5cm，第一肋条（7）上部和下部的冲击孔直径是第一肋条（7）中部冲击孔直径的1.2倍-1.3倍。

9.根据权利要求8所述的一种高效冷却的中低热值燃机透平动叶，其特征在于：多个扰流件（16）以交叉的形式排布在第二冷却回路部分（24）的侧壁上，且扰流件（16）为“柱”状扰流件，多个突起钉（17）同样以交叉的形式排布在第二冷却回路部分（24）的侧壁上，且突起钉（17）为球面型突起。

10.根据权利要求1或9所述的一种高效冷却的中低热值燃机透平动叶，其特征在于：分流孔（10）和压力平衡孔（14）的数量均为3个。

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