一种船用燃气轮机高压涡轮导叶冷却结构的制作方法

本发明涉及一种高压涡轮导向叶片，具体涉及一种船用燃气轮机高压涡轮导叶冷却结构，属于船用燃气轮机设备领域。

背景技术：

船用燃气轮机是复杂且精密的高科技产品，工作在高温、高压、高转速及高烟雾腐蚀的恶劣环境下。其研制涉及到热力学、流体力学、传热学、燃烧学、结构强度、机械设计、材料学、制造工艺学以及控制科学等多个学科领域，其叶片的设计过程经历了一维、二维、三维结构设计，是一项多学科综合的、复杂的系统工程。

从燃气轮机热力循环方面考虑，提高涡轮前燃气温度是提高发动机热机效率和功率的根本所在。随着燃气轮机性能要求的越来越高，涡轮进口燃气温度也越来越高。从涡轮进口燃气温度与叶片材料的发展分析，叶片材料耐受温度与涡轮进口的温度差距越来越大。显然为了达到大功率燃气轮机的技术指标，仅仅依靠材料的发展是不够的，合理引入冷却系统是解决问题的关键。高效的冷却技术可以延长受热部件的使用寿命、使用更经济的材料以降低成本，这些显著的优点使得冷却系统的设计在高性能燃气轮机研制中占有举足轻重的地位。

高压涡轮导向叶片直接暴露于燃烧室出口，由于受到燃气轮机快速启停、变工况以及燃烧室出口不均匀度等因素的影响，其工作条件最为复杂。随着涡轮进口温度的不断提高，一方面燃烧室出口最大径向和周向不均匀度也会相应增加，这将导致叶片热负荷提高、热应力增大。另一方面，对涡轮效率要求的不断提高，这就造成叶片尾缘区域厚度不断变薄，外换热系数大，是涡轮叶片最难冷却的区域之一。因此对涡轮导向叶片尾缘区域进行高效冷却结构设计是燃气轮机设计的关键问题之一。

技术实现要素：

本发明为解决现有船用燃气轮机的高压涡轮导叶片使用寿命较短的问题，进而提出一种船用燃气轮机高压涡轮导叶冷却结构。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括叶片上缘板、叶片叶型和叶片下缘板，叶片上缘板、叶片叶型、叶片下缘板依次连接成一体，叶片叶型外表面由吸力面和压力面组成，吸力面和压力面交界区域分别是叶片前缘和叶片尾缘，叶片内部设有前腔和后腔，叶片下缘板下表面设有前腔入口和后腔入口，前腔入口与前腔连通，后腔入口与后腔连通。

进一步的，后腔内插装有冲击套筒。

进一步的，冲击套筒朝向压力面的一侧开有一排冲击套筒压力面冲击孔；冲击套筒朝向吸力面的一侧开有一排冲击套筒吸力面冲击孔。

进一步的，叶片尾缘区域从叶根到叶顶设有多个扰流柱，扰流柱的一端与压力面连接，扰流柱的另一端与吸力面连接。

进一步的，扰流柱的横截面形状可以是圆形或者椭圆型，且单柱的尺寸可以不相等。

进一步的，相邻两个扰流柱之间的轴向距离和径向距离均不相等。

本发明的有益效果是：本发明的扰流柱一端与叶片尾缘压力面相连，一端与吸力面相连。一方面，扰流柱连接叶片的吸力面和压力面可以提高尾缘结构的强度。另一方面，每根扰流柱所产生的尾流可以增加自由流的湍流度，同时上游柱的尾流也可以影响下游柱的流动和传热性能，增强叶片尾缘区域的换热强度，由此降低叶片的温度。此种结构工艺性也比较好，是一种有效的叶片尾缘强化换热冷却结构。本发明在不增加总冷却空气流量的情况下，对叶身尾缘区域可以进行更加有效合理的冷却，强化叶片尾缘的换热，降低叶片的最高温度和平均温度，从而提高叶片的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的三维结构示意图；

图2是图1中a-a向示意图；

图3是本发明的立体结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种船用燃气轮机高压涡轮导叶冷却结构，它包括叶片上缘板1、叶片叶型2和叶片下缘板3，叶片上缘板1、叶片叶型2、叶片下缘板3依次连接成一体，叶片叶型2外表面由吸力面11和压力面12组成，吸力面11和压力面12交界区域分别是叶片前缘8和叶片尾缘10，叶片内部设有前腔6和后腔7，叶片下缘板3下表面设有前腔入口4和后腔入口5，前腔入口4与前腔6连通，后腔入口5与后腔7连通。冷却空气从压气机抽出，沿燃气轮机特定的管腔输送到叶片下缘板的前腔入口4和后腔入口5。

具体实施方式二：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种船用燃气轮机高压涡轮导叶冷却结构的后腔7内插装有冲击套筒13。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种船用燃气轮机高压涡轮导叶冷却结构的冲击套筒13朝向压力面12的一侧开有一排冲击套筒压力面冲击孔14；冲击套筒13朝向吸力面11的一侧开有一排冲击套筒吸力面冲击孔15。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种船用燃气轮机高压涡轮导叶冷却结构的叶片尾缘10区域从叶根到叶顶设有多个扰流柱16，扰流柱16的一端与压力面12连接，扰流柱16的另一端与吸力面11连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种船用燃气轮机高压涡轮导叶冷却结构的扰流柱16的横截面形状可以是圆形或者椭圆型。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种船用燃气轮机高压涡轮导叶冷却结构的相邻两个扰流柱16之间的轴向距离和径向距离均不相等。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

工作原理

前腔6采用气膜冷却结构冷却叶片前缘区域，一股冷却空气从冷却通道入口4进入叶片前腔，此股冷却空气进入前腔后，一部分气体经冲击小孔，冲击到前缘内壁进行冲击冷却。另一股冷却空气直接由气膜孔喷出，形成气膜覆盖在叶片前缘，阻隔热燃气对固体壁面的加热。

后腔7采用冲击套筒+扰流柱方式冷却叶片中部及叶片尾缘区域，一股冷却空气从冷却通道入口5进入后腔。叶片后腔内布置了一个冲击套筒13，在所述冲击套筒上压力面和吸力面侧沿叶高方向至少各有一排小孔。此股冷却空气进入后腔后，经冲击套筒上压力面侧小孔14和吸力面小孔15加速喷射到叶片压力面和吸力面内壁，强化了对流冷却效果，可以有效冷却叶身高温区域，使整个叶身区域温度不至于太高。

冷却空气充分冷却叶身区域后，流向叶片尾缘区域，经过扰流柱对尾缘区域进行冷却。绕流柱的截面形状、尺寸以及轴向和径向间距，可以根据叶片气热耦合计算结果进行相应调整。每根扰流柱所产生的尾流可以增加自由流的湍流度，同时上游柱的尾流也可以影响下游柱的流动和传热性能，增强叶片尾缘区域的换热强度，由此降低叶片的温度。同时，扰流柱连接叶片的吸力面和压力面可以提高尾缘结构的强度，增强可靠性；

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。