专利名称：燃气轮机的涡轮转子叶片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃气轮机的涡轮转子叶片，尤其是带多个冷却回路、强化叶片顶 部冷却效果的涡轮转子叶片。
背景技术：
随着燃气轮机涡轮进口燃气温度的不断提高，涡轮高温部件所面临的热负荷环境 更加恶劣。为了保证高温涡轮叶片的合理寿命，需要对其进行有效地冷却，其中，尤其以高 温涡轮转子叶片的冷却形式最为复杂。目前世界上最先进的涡轮转子叶片均采用多冷却回 路、蛇形通道强化对流冷却的形式，以使叶片本体的温度场和应力分布保持在合理的水平。 由于制造上的特点，叶片在完成内部冷却通道腔室的精密铸造后，在叶片顶部会将顶部封 盖以焊接的形式完成内部冷却回路的封闭。同时，在涡轮高温燃气流道中，由于燃气的横向二次流及叶顶泄漏流动，涡轮转子 叶片的叶顶极容易由于温度过高或者热应力过大而高温氧化，出现裂纹、甚至烧蚀等失效 现象。因此，需要在不增加总冷却空气量的情况下，对叶片顶部区域进行更加有效合理的冷 却，以降低所述顶部区域的温度和热应力水平。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于燃气轮机的涡轮转子叶片，使其在不增加总冷却空 气量的情况下，对叶片顶部区域进行更加有效合理的冷却，以降低叶片顶部区域的温度。本发明的目的是通过如下技术方案实现的一种燃气轮机的涡轮转子叶片，所述叶片包括叶片叶型、叶片叶根以及连接叶片 叶型和叶片叶根的叶片平台；叶片叶型外表面由吸力面和压力面构成，吸力面和压力面交 界区域分别为叶片前缘和叶片尾缘；在叶片内部，包含三个冷却回路用于叶片前缘冷却 的冲击冷却回路、用于叶片中部和叶片顶部冷却的蛇形通道强化对流冷却回路、用于叶片 尾缘冷却的尾缘柱肋及喷射冷却回路；每个冷却回路分别具有至少一个冷却通道。叶片的 顶部设有顶部封盖，该顶部封盖焊接在叶片顶部以封闭叶片；所述顶部封盖与叶片内部的 隔板形成蛇形通道强化对流冷却回路中的横向冷却通道，所述横向冷却通道具有通向叶片 外燃气主流的至少一个开口 ；在顶部封盖的横向冷却通道侧设有至少一个凸起结构；所述 顶部封盖开有至少一个顶部气膜孔；所述横向冷却通道内冷却气体为从叶片前缘向叶片尾 缘流动，最终从所述顶部气膜孔及横向冷却通道的所述开口流入燃气主流。所述凸起结构是圆柱结构、半球形结构或者肋片结构；凸起结构与所述顶部封盖 是一体加工；所述顶部封盖为单独制造，并以焊接的形式安装在叶片顶部；所述顶部封盖 的燃气侧表面还喷有抗氧化涂层和隔热涂层。所述冲击冷却回路和所述蛇形通道强化对流冷却回路的至少一个冷却通道内壁 面具有至少一个肋片结构。所述叶片前缘的壁上布置了至少一个气膜冷却孔；所述冲击冷却回路设置有至少一个冲击冷却孔；冲击冷却回路内冷却气体经过所述冲击冷却孔后，通过所述气膜冷却孔 流出。所述叶片尾缘内部布置了至少一个柱肋结构；所述叶片尾缘开有至少一个喷射通孔， 以使所述尾缘柱肋及喷射冷却回路内的冷却气体流出。本发明具有以下优点及突出性效果顶部封盖的横向冷却通道侧表面上设置了至少一个凸起结构，使得冷却气体在流 经叶片顶部区域时，由于凸起结构有强化对流换热的作用，因此可强化顶部封盖横向冷却 通道侧表面的传热冷却效果。通常情况下，顶部封盖燃气侧表面会喷涂有隔热涂层；同时， 由于叶片顶部区域还存在气膜冷却，以及横向冷却通道内部的用于强化对流换热冷却的结 构，因此，几种冷却形式可配合起来获得顶部封盖上传热性能的合理分布。
图1是燃气轮机的涡轮转子叶片的三维视图。图2是本发明的燃气轮机涡轮转子叶片内部冷却系统截面示意图。图3是图2的A向视图。图4是顶部封盖的放大视图。图5是顶部封盖侧视图。图6是顶部封盖的仰视图。图7是图2的B-B剖视图。图8是图2的C-C剖视图。图中1-根部冷却通道入口 ；2-气膜冷却孔；3-冲击冷却孔；4-喷射通孔；5-顶 部气膜孔；11-叶片叶根；12-叶片平台；13-叶片叶型；14-顶部封盖；15-凸起结构； 16-肋片结构；17-柱肋结构；18-冷却通道分隔板；19-叶型中弧线；21-第二冲击冷却通 道；22-第一冲击冷却通道；23-第三蛇形冷却通道；24-横向冷却通道；25-第二蛇形冷却 通道；26-第一蛇形冷却通道；27-尾缘冷却通道；28-冲击冷却分隔板；31-叶片吸力面； 32-叶片压力面；33-叶片前缘；34-叶片尾缘。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的原理、具体实施和工作过程做进一步的说明附图表示本发明的一个具体的实施例。图1是燃气轮机的涡轮转子叶片的三维视 图，所述转子叶片包括叶片叶型13、叶片叶根11、以及连接叶片叶型和叶片叶根的叶片平 台12 ；沿叶型中弧线19将叶片剖开，可以获得叶片内部的结构，如图2所示。叶片叶型外 表面由叶片吸力面31和叶片压力面32构成，吸力面和压力面交界区域分别为叶片前缘33 和叶片尾缘34。叶片内部具有用于冷却气体流动的多个冷却通道，冷却气体从压气机的合 适位置抽出，沿燃气轮机转子轴系输送到转子叶片的根部冷却通道入口 1，根部冷却通道入 口的大小和数目根据所需冷却气体流量及叶片强度综合考虑进行选定。在叶片内部，包含三个冷却回路即用于叶片前缘冷却的冲击冷却回路、用于叶片 中部和叶片顶部冷却的蛇形通道强化对流冷却回路、用于叶片尾缘冷却的尾缘柱肋及喷射 冷却回路，这三个冷却回路在叶片内通过隔板隔开，互不连通。其中，一股冷却气体用于进 行叶片前缘的冲击冷却和气膜冷却，形成冲击冷却回路；一股冷却气体用于进行叶片尾缘的柱肋冷却和叶片尾缘喷射，形成尾缘柱肋及喷射冷却回路；第三股冷却气体用于叶片中 部的对流冷却、叶片顶部区域的冷却，形成蛇形通道强化对流冷却回路。在蛇形通道强化对 流冷却回路中，冷却气体在位于叶片顶部的横向冷却通道M内从叶片前缘向叶片尾缘方 向流动，最终从叶片顶部的至少一个顶部气膜孔5及横向冷却通道M的通向叶片外燃气主 流的一个开口流出。本实施例中，所述的冲击冷却回路包括第一冲击冷却通道22和第二冲击冷却通 道21 ；所述两个冲击冷却通道由冲击冷却分隔板观分开；所述冲击冷却分隔板观上布置 了至少一个冲击冷却孔3。第一冲击冷却通道22的内壁面布置有强化对流冷却效果的至 少一个肋片结构16，冷却气体在第一冲击冷却通道22内向叶片顶部方向流动时，沿程会通 过所述冲击冷却孔3对位于第二冲击冷却通道21中的部分叶片前缘33内壁面进行冲击冷 却。在叶片前缘33的壁上布置了至少一个气膜冷却孔2，冷却气体经过所述冲击冷却孔后， 从所述气膜冷却孔喷出，形成气膜覆盖在叶片吸力面31和叶片压力面32上，从而将高温燃 气隔开。所述气膜冷却孔的角度、孔径等几何尺寸以及数量根据叶片气动、传热等综合影响 效果来进行确定。用于叶片尾缘34冷却的尾缘柱肋及喷射冷却回路包括尾缘冷却通道27。所述尾 缘冷却通道27布置了至少一个柱肋结构17，以强化所述叶片尾缘的对流冷却效果。同时， 所述柱肋结构连接叶片吸力面31和叶片压力面32，起到强化叶片结构强度的效果。所述柱 肋结构17的几何尺寸和数量同样需要根据冷却效果和强度要求来综合选定。在所述叶片 尾缘布置了至少一个喷射通孔4，通常会使得冷却气体在所述喷射通孔中加速，从而增强对 流冷却效果。用于叶片中部和叶片顶部冷却的蛇形通道强化对流冷却回路包括第一蛇形冷却 通道沈、第二蛇形冷却通道25、第三蛇形冷却通道23和横向冷却通道对，其中第一蛇形冷 却通道沈、第二蛇形冷却通道25和第三蛇形冷却通道23为径向方向，而横向冷却通道M 内冷却气体为从叶片前缘到叶片尾缘横向流动。蛇形通道强化对流冷却回路的各冷却通道 之间均由冷却通道分隔板18隔开，使得冷却气体在其中蜿蜒流动。蛇形通道强化对流冷却 回路的各冷却通道内壁面均布置了至少一个肋片结构16，以强化各冷却通道内壁面的对流 冷却效果。蛇形通道强化对流冷却回路内的所述肋片结构的几何结构、布置形式和数量需 根据对传热和压力损失的要求进行选定。冷却气体应保证足够的压力能从横向冷却通道M 的所述开口以及所述顶部气膜孔5喷出。由于结构上的特点，通常叶片顶部会有凹座结构。在完成叶片内部冷却通道腔室 的精密铸造后，在叶片顶部会将一个顶部封盖14以焊接的形式完成冷却回路的封闭，并形 成叶片顶部的凹座结构。为了对叶片顶部进行冷却，通常在此顶部封盖上布置所述顶部气 膜孔5，冷却气体形成气膜来冷却叶片顶部。即便如此，因为温度过高，气膜覆盖效果不均勻 等原因，叶片顶部依然极容易被高温氧化，出现裂纹、甚至烧蚀。正因为如此，本发明希望在 不引入多余冷却气体的情况下，降低顶部封盖的温度。针对前述特定冷却结构形式的叶片。本发明在该横向冷却通道的顶部封盖的内侧 表面设有至少一个凸起结构15，所述凸起结构可以是半圆形结构、圆柱结构或者是肋片结 构，如图4所示。冷却气体在叶片顶部区域横向流动时，所述凸起结构将增大流体的湍流 度，强化叶片顶部区域，尤其是顶部封盖内壁面上的对流冷却效果。同时，根据流动传热机理可知，在所述凸起结构作用下，顶部封盖内壁面上的传热系数会出现不均勻现象。为了降 低顶部封盖的温度，可对所述凸起结构15进行流-热-固耦合计算，以优化其结构特点。作 为一种优选的特例，本发明给出了一种顶部封盖结构，顶部封盖内侧壁面布置有3/4圆弧 的圆形凸起结构。所述顶部气膜孔5沿冷却气体流动方向布置在所述凸起结构后方约一倍 孔径处。所述顶部气膜孔的具体位置如附图6所示。为了降低顶部封盖热应力水平，顶部封盖14和所述凸起结构15为一体铸造完成。 为了进一步降低顶部封盖温度，在顶部封盖14的叶片燃气侧表面喷有抗氧化涂层和隔热 涂层(TBC)，这种涂层可进一步降低顶部封盖的温度。尽管本发明描述的是申请人认为是最实用且经过优化选择的案例，但是本发明不 限于上述详细描述的结构特点。而是覆盖权利要求书来限定的内容，以及由此引申和变型 的等效结构。
权利要求
1.一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于所述叶片包括有叶片叶型(13)、叶片 叶根(11)、以及连接叶片叶型和叶片叶根的叶片平台(12)；叶片叶型外表面由吸力面(31) 和压力面(32)构成，吸力面和压力面的交界区域分别为叶片前缘(33)和叶片尾缘(34)；在叶片内部，包含三个冷却回路用于叶片前缘冷却的冲击冷却回路，用于叶片中部和 叶片顶部冷却的蛇形通道强化对流冷却回路，以及用于叶片尾缘冷却的尾缘柱肋及喷射冷 却回路；每个冷却回路分别具有至少一个冷却通道；叶片顶部设有一个顶部封盖(14)，该顶部封盖焊接在叶片顶部以封闭叶片；所述顶部 封盖与叶片内部的隔板形成蛇形通道强化对流冷却回路中的横向冷却通道(M)，所述横向 冷却通道具有通向叶片外燃气主流的至少一个开口 ；在顶部封盖(14)的横向冷却通道侧 设有至少一个凸起结构(15)；所述顶部封盖(14)开有至少一个顶部气膜孔(5)；所述横向 冷却通道04)内冷却气体为从叶片前缘向叶片尾缘流动，最终从所述顶部气膜孔( 及横 向冷却通道04)的所述开口流入燃气主流。
2.如权利要求1所述的一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于所述顶部封盖(14)为单独制造，并以焊接的形式安装在叶片顶部；所述顶部封盖(14)的燃气侧表面还喷 有抗氧化涂层和隔热涂层。
3.如权利要求1所述的一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于所述凸起结构(15)是圆柱结构、半球形结构或者肋片结构。
4.如权利要求1所述的一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于所述凸起结构(15)与所述顶部封盖(14)是一体加工。
5.如权利要求1所述的一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于所述冲击冷却回 路或所述蛇形通道强化对流冷却回路的至少一个冷却通道内壁面具有至少一个肋片结构(16)。
6.如权利要求1所描述的一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于所述叶片前缘(33)的壁上布置了至少一个气膜冷却孔O)；所述冲击冷却回路设置有至少一个冲击冷却 孔(3)；所述冲击冷却回路内冷却气体经过所述冲击冷却孔C3)后，通过所述气膜冷却孔 O)流出。
7.如权利要求1所述的一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其特征在于所述叶片尾缘(34)内部布置了至少一个柱肋结构(17)；所述叶片尾缘开有至少一个喷射通孔，以使 所述尾缘柱肋及喷射冷却回路内的冷却气体流出。
全文摘要
一种燃气轮机的涡轮转子叶片，其包括叶片叶根、叶片平台和叶片叶型；在叶片内部，包括用于冷却叶片前缘区域的冲击冷却回路、用于冷却叶片尾缘区域的尾缘柱肋及喷射冷却回路、用于冷却叶片中部区域及叶片顶部区域的蛇形通道强化对流冷却回路；在叶片顶部封盖的内侧设置至少一个凸起结构，用于强化叶片顶部封盖的冷却效果，由此降低叶片顶部封盖的温度。
文档编号F01D5/18GK102102543SQ201110059808
公开日2011年6月22日 申请日期2011年3月11日 优先权日2011年3月11日
发明者陈伟 申请人:北京华清燃气轮机与煤气化联合循环工程技术有限公司