一种燃气轮机涡轮无冠气膜冷却转子叶片的制作方法
【专利摘要】本实用新型属于燃气轮机设备技术领域,具体涉及一种燃气轮机涡轮无冠气膜冷却转子叶片，包括榫根、伸根、缘板及叶型，榫根与叶型通过伸根过渡连接，叶型上设有气膜孔，叶型顶部设有叶顶凸台；该叶片内部形成了第一前腔、第二前腔、第一后腔、第二后腔及尾缘劈缝，第一前腔内设有粗糙肋，第一前腔与第二前腔之间通过与叶身为一体的金属隔离板隔离，金属隔离板上设有不小于1排的冲击节流孔，第一后腔和第二后腔通过金属隔离板形成了倒置的U型空腔，第一后腔内布置有粗糙肋，第二后腔内设有扰流柱；叶型顶端设有排污孔；叶顶凸台为半封闭结构设计，其型线与叶型光滑过渡。本实用新型的结构简单，设计合理，冷气利用率高，高效节能，制造成本低。
【专利说明】
一种燃气轮机涡轮无冠气膜冷却转子叶片
技术领域
[0001]本实用新型属于燃气轮机设备技术领域，具体涉及一种燃气轮机涡轮无冠气膜冷却转子叶片。
【背景技术】
[0002]提高燃气轮机涡轮入口温度可以有效的提高机组的热效率，目前涡轮入口温度已经远远超过了金属材料的耐温极限，对涡轮叶片热防护的主要技术手段包括使用冷却空气进行冷却以及在叶片外喷涂热障涂层，随着材料科学发展，提高金属材料耐温极限越来越困难，潜力越来越小；可以预料，高效的冷却结构对于提高涡轮入口温度的贡献会越来越大。涡轮转子叶片在大部分寿命周期内都工作在高温、高压、高转速的恶劣环境中，内部高效冷却结构可以降低金属表面温度，延长叶片使用寿命，目前带冷却结构的涡轮转子叶片都是通过精密铸造加工的，因此冷却结构还必须利于铸造，以提高成品率。故此，设计一种能够提高冷气利用率高的燃气轮机涡轮无冠气膜冷却转子叶片是十分必要的。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型弥补和改善了上述现有技术的不足之处，提供了一种结构简单、设计合理、冷气利用率高、高效节能、制造成本低的一种燃气轮机涡轮无冠气膜冷却转子叶片，可以大规模地推广和使用。
[0004]本实用新型采用的技术方案为:一种燃气轮机涡轮无冠气膜冷却转子叶片，包括榫根、伸根、缘板及叶型，榫根与叶型通过伸根过渡连接，叶型上设有气膜孔，叶型顶部设有叶顶凸台；该叶片内部形成了第一前腔、第二前腔、第一后腔、第二后腔及尾缘劈缝，第一前腔内设有粗糙肋，第一前腔与第二前腔之间通过与叶身为一体的金属隔离板隔离，金属隔离板上设有不小于I排的冲击节流孔，第一后腔和第二后腔通过金属隔离板形成了倒置的U型空腔，第一后腔内布置有粗糙肋，第二后腔内设有扰流柱;所述的叶型顶端设有排污孔。
[0005]所述的第一前腔、第二前腔、第一后腔、第二后腔及尾缘劈缝形成了转子叶片的冷却通道结构，其中第一路冷气沿榫根底部进入第一前腔，经冲击节流孔分配后进入第二前腔，再通过前缘位置的气膜孔喷出；第二路冷气沿榫根部位进入第一后腔，经U型空腔转弯后位进入第二后腔，最终按照阻力分布沿尾缘劈缝的通道流出。
[0006]所述的第一前腔、第二前腔、第一后腔、第二后腔及尾缘劈缝所形成了转子叶片的冷却流通部分喷涂热障涂层，在热障涂层与金属之间喷涂粘结层防止热障涂层脱落，其叶片冷却通道可以渗金属防腐层，防止在高盐分工作环境中叶片内部腐蚀。
[0007]所述的叶顶凸台为半封闭结构设计，其型线与叶型光滑过渡，叶顶压力面侧靠近尾缘附近无凸台。
[0008]所述的第二前腔及第二后腔上设有堵头，其便于清除内流道型芯，在精密铸造时该位置是一个空腔，铸造叶片脱型芯时，冷却流道型芯的溶解液从该空腔流出，脱完型芯后，该位置使用堵头封闭。
[0009]所述的第二前腔的非气膜孔位置也可布置粗糙肋，并且在第二前腔的前缘位置布置2?3排气膜孔。
[0010]所述的第一后腔和第二后腔之间的金属隔离板上可布置旁通孔，以分配第二后腔内的冷气。
[0011 ]所述的扰流柱采用错排的方式布置于第二后腔内。
[0012]所述的尾缘劈缝的形状可设计为带倒圆角的矩形、圆形、带倒圆角的锯齿形。
[0013]所述的排污孔布置在每个流路叶片顶部位置，排污孔被叶顶凸台遮挡，以避免高速燃气冲刷影响排污效果，排污孔利用离心力将灰尘排出。
[0014]本实用新型的有益效果:结构简单，设计合理，冷气利用率高，高效节能，制造成本低，易于大规模地推广和使用。涡轮转子叶片在大部分寿命周期内都工作在高温、高压、高转速的恶劣环境中，内部无冠气膜冷却结构能够降低金属表面温度，延长叶片的使用寿命。运行时第一路冷气自叶身中部进入，然后流向叶片前缘气膜孔，有利于提高冷气的利用率；第一路节流孔结构可以调节流向气膜冷气的总流量以及气膜沿叶片高度的冷气流量分布，有利于降低叶片金属部分温度梯度;第二路的U型结构既提高了冷气的利用率，又避免了冷气阻力太大；叶顶的排污孔可以避免冷却结构被灰尘堵塞，叶顶凸台半封闭结构可以减轻叶身质量，减小叶顶间隙，在保证可靠性的前提下提高效率。冷却流路设置堵头结构，有利于铸造时内冷流道陶瓷型芯与金属分离，提高叶片成品率。在叶片通流部分喷涂热障涂层，在热障涂层与金属之间喷涂粘结层防止热障涂层脱落。叶片冷却通道可以渗金属防腐层，防止在高盐分工作环境中叶片内部腐蚀。该叶片的冷却结构可以有效降低金属表面温度，该冷却结构的优点是冷气利用率高，阻力小，叶片顶部的特殊结构可以在没有叶冠的条件下，有效减小叶顶间隙，提高涡轮效率。
[0015]【附图说明】:
[0016]图1是本实用新型的三维结构示意图。
[0017]图2是本实用新型的剖面结构示意图。
[0018]图3是本实用新型的冷却结构示意图。
[0019]图4是本实用新型中排污孔的位置示意图。
[0020]【具体实施方式】:
[0021]参照各图，一种燃气轮机涡轮无冠气膜冷却转子叶片，包括榫根1、伸根2、缘板3及叶型4，榫根I与叶型4通过伸根2过渡连接，叶型4上设有气膜孔6，叶型4顶部设有叶顶凸台5;该叶片内部形成了第一前腔14、第二前腔13、第一后腔15、第二后腔16及尾缘劈缝10，第一前腔14内设有粗糙肋8，第一前腔14与第二前腔13之间通过与叶身为一体的金属隔离板隔离，金属隔离板上设有不小于I排的冲击节流孔11，第一后腔15和第二后腔16通过金属隔离板形成了倒置的U型空腔，第一后腔15内布置有粗糙肋8，第二后腔16内设有扰流柱9;所述的叶型4顶端设有排污孔12;第一前腔14、第二前腔13、第一后腔15、第二后腔16及尾缘劈缝10形成了转子叶片的冷却通道结构，其中第一路冷气沿榫根I底部进入第一前腔14，经冲击节流孔11分配后进入第二前腔13，再通过前缘位置的气膜孔6喷出；第二路冷气沿榫根I部位进入第一后腔15，经U型空腔转弯后位进入第二后腔16，最终按照阻力分布沿尾缘劈缝10的通道流出；第一前腔14、第二前腔13、第一后腔15、第二后腔16及尾缘劈缝10所形成了转子叶片的冷却流通部分喷涂热障涂层，在热障涂层与金属之间喷涂粘结层防止热障涂层脱落，其叶片冷却通道可以渗金属防腐层，防止在高盐分工作环境中叶片内部腐蚀;所述的叶顶凸台5为半封闭结构设计，其型线与叶型4光滑过渡，叶顶压力面侧靠近尾缘附近无凸台，该凸台采用堆焊凸台结构，压力面靠近尾缘部位不封闭;所述的第二前腔13及第二后腔16上设有堵头7，其便于清除内流道型芯，在精密铸造时该位置是一个空腔，铸造叶片脱型芯时，冷却流道型芯的溶解液从该空腔流出，脱完型芯后，该位置使用堵头7封闭；第二前腔13的非气膜孔位置也可布置粗糙肋8，并且在第二前腔13的前缘位置布置2?3排气膜孔6;第一后腔15和第二后腔16之间的金属隔离板上可布置旁通孔，以分配第二后腔16内的冷气;所述的扰流柱9采用错排的方式布置于第二后腔16内，扰流柱9及粗糙肋8，用来强化换热;所述的尾缘劈缝10的形状可设计为带倒圆角的矩形、圆形、带倒圆角的锯齿形;所述的排污孔12布置在每个流路叶片顶部位置，排污孔12被叶顶凸台5遮挡，以避免高速燃气冲刷影响排污效果，排污孔12利用离心力将灰尘排出。
[0022]该涡轮转子叶片主体通过精密铸造加工，其中气膜孔6、尾缘劈缝10及排污孔12均采用电加工，叶顶结构堆焊加工。榫根I是叶片与涡轮盘的连接部位，在设计时需要满足强度准则;伸根2是榫根I与叶型之间的过渡结构，伸根2的外部通过冷气冷却可以减少高温燃气向榫根I部位传递的热量;缘板3保证燃气按照设计的流道流动；叶型部位需要满足气动要求以及强度要求。叶片顶部为半封闭凸台结构，叶顶凸台5的型线与叶型应光滑过渡，保证良好的气动特性，凸台的结构尺寸应根据气动、强度综合效果确定，凸台采用堆焊的方式加工，材料与叶型部分相同。第一前腔14通道布置的粗糙肋8的角度可以是水平的，也可以是带角度的，带角度的粗糙肋8在压力面侧与吸力面侧交错布置，粗糙肋8的截面尺寸、长度、角度、间隔距离、数量根据传热与流阻的综合效果确定，其几何参数还要结合精密铸造的精度。第一前腔14与第二前腔13之间通过金属隔离板隔离，金属隔离板与叶身是一体的，金属隔离板上设置一排或多排冲击节流孔结构，通过冲击节流孔11的尺寸调节第二前腔13内的冷气沿叶片径向的分布，也能调节第一前腔14与第二前腔13的冷气流量，冲击节流孔11的尺寸通过管网流阻计算的结果确定。第二前腔13非气膜孔位置也可以布置粗糙肋8，粗糙肋8的几何参数由传热与流阻的综合效果确定，第二前腔13在前缘位置布置2?3排气膜孔6，冷气沿气膜孔6喷出后分别覆盖叶身压力面与吸力面位置，隔离高温燃气，气膜，6的数量、角度、孔径通过流动与传热计算优化获得，气膜孔结构通过电加工的方式得到。第一后腔15布置粗糙肋8强化换热，粗糙肋8的几何参数确定方法与第一前腔14相同，第一后腔15与第二后腔16组成倒置U型结构，通过金属隔离板分隔两个腔室，金属隔离板与叶身是一体的，金属隔离板上可以布置旁通孔，分配第二后腔16内的冷气，第二后腔16内布置扰流柱9，增加腔室内冷气湍流度，增强换热效果，多排扰流，9采用错排的结构形式，扰流柱9的分布、直径、数量通过传热与流阻的综合效果决定。尾缘劈缝10的形状有带倒圆角的矩形、圆形、带倒圆角的锯齿形，尾缘劈缝10的形状与几何参数通过换热与流阻的综合效果决定，此外还必须考虑铸造时型芯的强度，圆形的尾缘劈缝结构通过电加工的方式得到，其余形状的结构通过精密铸造加工。排污孔12布置在每个流路叶片顶部位置，排污孔12应被凸台遮挡，避免高速燃气冲刷影响排污效果，根据两个原则来确定排污孔12的几何参数:经排污孔12流出的冷气量不能太多，排污孔12的尺寸必须保证灰尘能顺利排出。堵头7在精密铸造时是一个空腔，铸造叶片脱型芯时，冷却流道型芯的溶解液从该空腔流出，脱完型芯后，该位置使用堵头结构封闭。为了进一步降低转子叶片的金属温度，在叶片通流部分喷涂热障涂层。在热障涂层与金属之间喷涂粘结层防止热障涂层脱落。叶片冷却通道可以渗防腐金属层，防止在高盐分工作环境中叶片内部腐蚀。
[0023]第一路冷气自叶身中部进入，然后流向叶片前缘气膜孔6，有利于提高冷气的利用率;第一路节流孔结构可以调节流向气膜冷气的总流量以及气膜沿叶片高度的冷气流量分布，有利于降低叶片金属部分温度梯度;第二路的U型结构既提高了冷气的利用率，又避免了冷气阻力太大;叶顶的排污孔12可以避免冷却结构被灰尘堵塞，叶顶凸台5半封闭结构可以减轻叶身质量，减小叶顶间隙，在保证可靠性的前提下提高效率。堵头7有利于铸造时内冷流道陶瓷型芯与金属分离，提高叶片成品率。转子叶片冷却结构的优点是冷气利用率高，阻力小，叶片顶部的特殊结构可以在没有叶冠的条件下，有效减小叶顶间隙，提高涡轮效率。本实用新型的结构简单，设计合理，冷气利用率高，高效节能，制造成本低，易于大规模地推广和使用。
【主权项】
1.一种燃气轮机涡轮无冠气膜冷却转子叶片，其特征在于:该叶片包括榫根(I)、伸根(2)、缘板(3)及叶型(4)，榫根(I)与叶型(4)通过伸根(2)过渡连接，叶型(4)上设有气膜孔(6)，叶型(4)顶部设有叶顶凸台(5);该叶片内部形成了第一前腔(14)、第二前腔(13)、第一后腔(15)、第二后腔(16)及尾缘劈缝(10)，第一前腔(14)内设有粗糙肋(8)，第一前腔(14)与第二前腔(13)之间通过与叶身为一体的金属隔离板隔离，金属隔离板上设有不小于I排的冲击节流孔(11)，第一后腔(15)和第二后腔(16)通过金属隔离板形成了倒置的U型空腔，第一后腔(15)内布置有粗糙肋(8)，第二后腔(16)内设有扰流柱(9);所述的叶型(4)顶端设有排污孔(12)。2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机涡轮无冠气膜冷却转子叶片，其特征在于:所述的第一前腔(14)、第二前腔(13)、第一后腔(15)、第二后腔(16)及尾缘劈缝(10)形成了转子叶片的冷却通道结构，其中第一路冷气沿榫根(I)底部进入第一前腔(14)，经冲击节流孔(11)分配后进入第二前腔(13)，再通过前缘位置的气膜孔(6)喷出；第二路冷气沿榫根(I)部位进入第一后腔(15)，经U型空腔转弯后位进入第二后腔(16)，最终按照阻力分布沿尾缘劈缝(10)的通道流出。3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机涡轮无冠气膜冷却转子叶片，其特征在于:所述的第一前腔(14)、第二前腔(13)、第一后腔(15)、第二后腔(16)及尾缘劈缝(10)所形成了转子叶片的冷却流通部分喷涂热障涂层，在热障涂层与金属之间喷涂粘结层防止热障涂层脱落，其叶片冷却通道可以渗金属防腐层，防止在高盐分工作环境中叶片内部腐蚀。4.根据权利要求1所述的一种燃气轮机涡轮无冠气膜冷却转子叶片，其特征在于:所述的叶顶凸台(5)为半封闭结构设计，其型线与叶型(4)光滑过渡，叶顶压力面侧靠近尾缘附近无凸台。5.根据权利要求1所述的一种燃气轮机涡轮无冠气膜冷却转子叶片，其特征在于:所述的第二前腔(13)及第二后腔(16)上设有堵头(7)。6.根据权利要求1所述的一种燃气轮机涡轮无冠气膜冷却转子叶片，其特征在于:所述的第二前腔(13)的非气膜孔位置布置粗糙肋(8)，并且在第二前腔(13)的前缘位置布置2?3排气膜孔(6)。7.根据权利要求1所述的一种燃气轮机涡轮无冠气膜冷却转子叶片，其特征在于:所述的第一后腔(15)和第二后腔(16)之间的金属隔离板上布置旁通孔，以分配第二后腔(16)内的冷气。8.根据权利要求1所述的一种燃气轮机涡轮无冠气膜冷却转子叶片，其特征在于:所述的扰流柱(9)采用错排的方式布置于第二后腔(16)内。9.根据权利要求1所述的一种燃气轮机涡轮无冠气膜冷却转子叶片，其特征在于:所述的尾缘劈缝(10)的形状设计为带倒圆角的矩形或圆形或带倒圆角的锯齿形。10.根据权利要求1所述的一种燃气轮机涡轮无冠气膜冷却转子叶片，其特征在于:所述的排污孔(12)布置在每个流路叶片顶部位置，排污孔(12)被叶顶凸台(5)遮挡，以避免高速燃气冲刷影响排污效果，排污孔(12)利用离心力将灰尘排出。
【文档编号】F01D5/14GK205445688SQ201620258378
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】王志强, 何建元, 赵旭东, 王林, 张立超, 李涛, 侯隆安, 刘宇, 卫嘉
【申请人】中国船舶重工集团公司第七 三研究所