一种冷却通道、冷却通道组及应用其的涡轮叶片的制作方法

本发明涉及换热装置技术领域，尤其涉及一种冷却通道、冷却通道组及应用其的涡轮叶片，其特别适用于燃气轮机的涡轮叶片冷却。

背景技术：

为了提高燃气轮机的效率，需提高燃烧室的工作温度、压力，进而造成很高的燃烧室排气温度，使涡轮叶片冷却结构设计面临严峻挑战。常用的平行冷却通道设计，存在冷却效率不高、冷却不均匀、对主流影响大、对结构强度和疲劳寿命影响大、容易堵塞等缺点。

因而，亟需根据涡轮叶片的热负荷、气动负荷、强度负荷特点，设计高效、耐用的冷却结构。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种冷却通道、冷却通道组及应用其的涡轮叶片。

本发明一方面提供了一种冷却通道，包括至少一级分叉结构，其中每一级分叉结构中包括至少一个基本分叉单元，所述基本分叉单元包括一根主管及至少一根支管，其中第i级分叉结构中的至少一根支管作为第i+1级分叉结构中的主管，其中i为正整数，且i≥1。

优选地，所述的冷却通道为开式结构，所述冷却通道的第一级分叉结构的主管包括冷却通道入口，所述至少一级分叉结构的自由支管包括冷却通道出口。

优选地，所述冷却通道具有M级分叉结构，所述基本分叉单元包括一根主管及N根支管，其中第i级分叉结构中每一根支管作为第i+1级分叉结构中的主管，其中M，N，i均为正整数，且M，N≥1，M-1≥i≥1。

优选地，第M级分叉结构的支管均包括冷却通道出口，所述冷却通道应用于涡轮叶片，所述冷却通道出口设置所述涡轮叶片表面上。

优选地，所述支管的冷却通道出口处包括弯头结构，使得冷却媒介喷射方向与涡轮叶片表面平行指向涡轮叶片尾缘；和/或所述支管的冷却通道出口处包括多孔喷嘴。

优选地，所述冷却媒介包括冷却空气和/或蒸汽。

优选地，所述冷却通道入口设置于涡轮叶片的供气通道上，所述冷却通道沿所述供气通道轴向和/或周向设置。

优选地，所述的冷却通道为闭式结构，还包括至少一级逆分叉结构，其中每一级逆分叉结构中包括至少一个基本逆分叉单元，所述基本逆分叉单元包括一根主管及至少一根支管，其中第j级逆分叉结构中的至少一根支管作为第j+1级逆分叉结构中的主管，其中i，j为正整数，且i，j≥1，最后一级分叉结构中的至少一根支管与最后一级逆分叉结构中的至少一根支管向连通。

优选地，所述冷却通道包括：M级分叉结构，所述基本分叉单元包括一根主管及N根支管，其中第i级分叉结构中每一根支管作为第i+1级分叉结构中的主管，其中M，N，i均为正整数，且M，N≥1，M-1≥i≥1；以及P级逆分叉结构，所述基本逆分叉单元包括一根主管及Q根支管，其中第j级逆分叉结构中每一根支管作为第j+1级逆分叉结构中的主管，其中P，Q，j均为正整数，且P，Q≥1，P-1≥j≥1，其中，第M级分叉结构中的支管与第P级逆分叉结构的支管一一对应连通，第一级分叉结构中的主管包括冷却通道入口，第一级逆分叉结构中的主管包括冷却通道出口。

优选地，所述第M级分叉结构中的支管与第P级逆分叉结构的支管之间设置平直管相连通。

本发明另一方面提供一种涡轮叶片的冷却通道组，包括至少闭式冷却通道，所述至少一个闭式冷却通道首尾依次连通串联。

本发明再一方面提供了一种涡轮叶片，包括冷却通道和/或冷却通道组。

从上述技术方案可以看出，本发明一种涡轮叶片冷却通道设计方法具有以下有益效果：

分叉冷却通道符合涡轮叶片表面到内部的热负荷分布特点，因而冷却效率高、温度分布均匀，而且，分叉冷却通道还可以减小对涡轮叶片强度的破坏，避免涡轮叶片内部发生裂纹，还可以减小冷却通道被颗粒等污染物堵塞的发生，抑制吸力面流道分离；

冷却通道出口处包括弯头结构，冷却媒介喷射方向与叶片表面平行并指向叶片尾缘，一方面可以增大气膜的覆盖面积，另一方面可以抑制吸力面上的流道分离，进而提高冷却效率和涡轮效率；

冷却通道出口设置多孔喷嘴，增大气膜的覆盖面积。

附图说明

图1为本发明一实施例基本分叉单元的结构示意图；

图2、图3分别为基于图1的基本分叉单元的二级分叉冷却通道和三级分叉冷却通道的结构示意图；

图4为本发明一实施例涡轮叶片的结构示意图；

图5为本发明一实施例包括1个与供气通道连接的冷却通道的涡轮叶片的局部示意图；

图6为本发明一实施例包括多个与供气通道连接的冷却通道的涡轮叶片的结构示意图；

图7为图6的局部放大图；

图8为本发明另一实施例冷却通道最后一级分叉结构中基本分叉单元的结构示意图；

图9为图8中基本分叉单元的支路出口设置于涡轮叶片表面的结构示意图；

图10为本发明又一实施例冷却通道最后一级分叉结构中基本分叉单元的结构示意图；

图11为本发明再一实施例闭式冷却通道的结构示意图；

图12为本发明再一实施例中包括闭式冷却通道的涡轮叶片的结构示意图；

图13为本发明再一实施例闭式冷却通道的另一结构示意图；

图14为本发明进一步实施例冷却通道组的结构示意图。

【符号说明】

1-涡轮叶片；2-叶片吸力面；3-叶片前缘；4-供气通道入口；5-供气通道；6-供气通道出口；7-叶片压力面；8-叶片尾缘；10-基本分叉单元；11-主管；12-支管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供一种应用于涡轮叶片的冷却通道，包括至少一级分叉结构，其中每一级分叉结构中包括至少一个基本分叉单元，所述基本分叉单元包括一根主管及至少一根支管，其中第i级分叉结构中的至少一根支管作为第i+1级分叉结构中的主管，其中i为正整数，且i≥1，分叉冷却通道符合涡轮叶片表面到内部的热负荷分布特点，因而冷却效率高、温度分布均匀。

本发明一实施例中，提供一种冷却通道，为开式结构，包括多级分叉结构，每一级分叉均包括至少一个基本分叉单元10，图1为基本分叉单元的结构示意图，如图1所示，每个基本分叉单元包括一根主管11和至少1根支管12，图1中基本分叉单元支管11为4个，其中主管11端部为冷却气体进口，支管12端部为冷却气体出口，本领域技术人员可以理解本实施中基本分叉单元中支管数量至少为1个，并不限于4个，在此仅以4个为例进行说明。

图2、图3分别为二级分叉冷却通道示意图和三级分叉冷却通道的结构示意图，如图2，3所示，第一级分叉结构具有1个基本分叉单元，第一级分叉结构中的基本分叉单元的支管均作为第二级分叉结构中基本分叉单元的主管，第二级分叉结构中的基本分叉单元的支管均作为第三级分叉结构中基本分叉单元的主管。图2中的冷却通道具有二级分叉结构，每个基本分叉单元具有4根支管，该冷却通道具有4²＝16个冷却气体出口。请参考图3，冷却通道具有三级分叉结构，每个基本分叉单元具有4根支管，该冷却通道具有4³＝64个冷却气体出口。由此可见，对于具有M级分叉结构的冷却通道，每个基本分叉单元具有N根支管，则，该分叉冷却通道具有N^M个冷却气体出口，M≥2，N≥2。优选地，随着级数的增加，管道长度缩短、管径减小。

图4为涡轮叶片的结构示意图，如图4所示，在涡轮叶片1，包括多个直径不同的供气通道5，设置在个叶片前缘3至叶片尾缘8之间。对于涡轮静叶，供气通道入口4和出口6分别与位于轮毂和机匣上的气体通道连接；对于涡轮动叶，供气通道入口4与位于轮毂的气体通道连接，供气通道出口6封闭。图5为包括1个冷却通道的涡轮叶片局部示意图，如图5所示，分叉冷却通道有一个冷却气体入口，该入口连接到供气通道上，分叉冷却通道的多个冷却气体出口设置在涡轮叶片表面上，如图4中的叶片尾缘8表面、叶片前缘3表面、叶片吸力面2和/或叶片压力面7上。

由传热学理论可知，高温流体经过物体表面时，在热对流、热传导和热辐射的作用下，物体表面温度升高最剧烈，物体表面附近的温度梯度变化也最剧烈，也就是说物体表面热负荷最高；物体内部不受热对流作用，主要通过热传导传递热量，随着向物体内部的深入，温度梯度逐渐变小，热负荷也变小。因此，为了提高冷却效率，一方面需要在物体表面上密集排布冷却孔；另一方面要保证冷却流体到达物体表面时保持尽可能低的温度。由此可见，物体表面附近冷却通过应该密集；越深入物体内部，冷却通道的分布应该越稀疏。

与传统的冷却结构相比，本实施例中的分叉冷却通道符合物体表面到内部的热负荷分布特点，因而冷却效率高。而且，分叉冷却通道还可以减小对物体强度的破坏，避免物体内部发生裂纹；还可以避免冷却通道被颗粒等污染物堵塞。

本实施例中冷却通道可以为直管也可以为弯管，冷却通道截面为圆形、椭圆形、三角形、多边形，优选为圆形。

本实施例中，冷却气体可以为冷却空气和/或蒸汽，或者采用其他冷却媒介来代替冷却气体，如冷却液体等，本实施例中优选采用冷却空气。在其他实施例中，可以同时采用空气冷却和蒸汽冷却，优选空气冷却通道位于叶片前缘3、蒸汽冷却通道位于叶片尾缘8。

本实施例中，如图5所示，仅示出设置1个冷却通道的涡轮叶片结构，在其他实施例中，涡轮叶片中冷却通道可以设置多个，如图6、7所示，在涡轮叶片前缘沿供气通道5轴向阵列布置多个冷却通道，另外还可以沿供气通道5周向布置多个分叉冷却通道。

本发明还提供另一实施例，为了达到简要说明的目的，上述一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

图8为另一实施例冷却通道的最后一级分叉结构中基本分叉单元的结构示意图，图9为图8中基本分叉单元的支路出口设置于涡轮叶片表面的结构示意图，本实施例中，如图8、9所示，在冷却通道的最后一级分叉结构的基本分叉单元的支路冷却气体出口设置弯头结构，通过调整弯头弯曲的角度以及方向，可以使冷却气体按照一定角度喷出，优选喷气方向与叶片表面平行并指向叶片尾缘，这样一方面可以增大气膜的覆盖面积，另一方面可以抑制吸力面上的流道分离，进而提高冷却效率和涡轮效率。由图9可见，由于分叉结构的特点，冷却通道出口分布在一个二维区域上，而不是分布在一条直线上，此时，弯头的出口也不在一条直线上，这样的好处是，气膜覆盖面积更大、抑制流道分离效果更好。

本发明还提供又一实施例，为了达到简要说明的目的，上述该些实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。在本实施例中，在冷却通道的最后一级分叉结构的基本分叉单元的支路冷却气体出口设置多孔喷嘴，如图10这样可以增大气膜的覆盖面积，多孔喷嘴不限于图10中给出的半球形状，还可以为其它形式。

本发明还提供再一实施例，提供一种冷却通道，为闭式结构，其除了上述一实施例中多级分叉结构，还包括多级逆分叉结构，每一逆分叉结构均包括至少一个基本逆分叉单元，该基本逆分叉单元与基本分叉单元结构相同，区别在于主管端部作为冷却气体出口，支管端部作为冷却气体入口。第一级逆分叉结构的支管作为第二级逆分叉结构的主管，第二级逆分叉结构的支管作为第三级逆分叉结构的主管，依次类推，如图11所示，将分叉冷却通道采用多级分叉结构形成的多个离散出口按照逆分叉规律采用多级逆分叉结构汇聚成一个出口，形成闭式冷却结构。

本实施中，冷却气体可以为空气也可以为蒸汽或其它液体，优选为水蒸汽。采用蒸汽作为冷却介质，由于相比潜热的作用，蒸汽冷却的效果比空气更好。由于蒸汽与空气物性差别很大，采用蒸汽冷却，必须使蒸汽在管道中循环，而不能将蒸汽喷射到叶片外部。

图12为再一实施例中包括冷却通道的涡轮叶片的结构示意图，如图12所示，蒸汽的入口和出口分别位于轮毂和机匣上，形成封闭的通道。由于轮毂和机匣表面附面层的堆积，该区域的流体流速比叶片中部的流体速度低，因而，位于轮毂和机匣附近和叶片根部和叶片尖部的热负荷低，而叶片中部的热负荷高，图11所示冷却通道结构的中部冷却流体通道较两端密集、覆盖区域更大，这样符合了叶片热负荷分布的特点，可以获得更好的冷却效果。

本实施例中，最后一级分叉结构的支管和最后一级逆分叉结构的逆分叉结构支管并不限于如图11中的直接连接，如图13所示，最后一级分叉结构的支管和最后一级逆分叉结构的逆分叉结构支管之间通过平直管相联通，增强叶片中部的冷却效果。

本发明进一步实施例中提供一种冷却通道组，如图14所示，该冷却通道组包括至少一个再一实施例中闭式冷却通道，所述至少一个冷却通道首尾依次连通串联，由于叶片前缘热负荷比尾缘热负荷大，优选，冷却通道组进口位于叶片前缘附近，出口位于叶片尾缘附近。

本领域技术人员可以理解的，上述冷却通道各级分叉结构和/或逆分叉结构中，同级或不同级分叉结构的基本分叉单元的结构可以相同或不同，即可以采用相同或不同支管数量的基本分叉单元，同级或不同级逆分叉结构的基本逆分叉单元的结构可以相同或不同，即可以采用相同或不同支管数量的基本逆分叉单元。

本发明还提供一种涡轮叶片，包括上述实施例中的冷却通道和/或冷却通道组，根据涡轮叶片热负荷和气动载荷特点，综合采用开式气膜冷却和闭式蒸汽冷却。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。