带有水滴型柱肋内部冷却结构的燃气轮机涡轮叶片的制作方法

本发明涉及的是一种燃气轮机涡轮叶片。

背景技术：

燃气轮机具有质量轻、体积小、单机功率大、启动快、污染少、热效率高、经济性好等特点。由燃气轮机的简单循环方式可知，通过提高燃气初温的方式来提高比功率和性能。涡轮叶片所处的位置温度高、应力复杂、工作环境恶劣，因此涡轮叶片能否安全可靠的工作对于发动机的运行至关重要。叶片的各项性能指标成为了衡量发动机发展程度的重要指标，特别是涡轮叶片所能承受高温的能力。总之，涡轮叶片的发展水平成为了衡量一个国家燃气轮机发展水平的重要标志。

目前，燃气轮机涡轮叶片前温度早已超过其材料的承受温度。保证叶片能够安全可靠地工作，主要通过两个途径来实现，一是提高材料的耐高温性能，二是采用冷却能力更强的冷却方式来降低叶片的温度。从现有的资料来看，过去几十年，涡轮前温度平均每年提升22k，其中，70％是因为采用了更加有效地冷却方式，30％是因为部件材料耐热性能的提升和生产工艺的发展。随着冷却方式的发展，新的传热换热机理的引入，涡轮前温度将逐渐提高。

先进的燃气轮机设计是通过提高燃气初温来提高效率，在过去，是通过发展耐高温材料和冷却技术来提高燃气初温，确保涡轮材料能够在高温燃气下，满足强度要求与使用寿命。冷却空气的使用量越多，对压气机的耗功就越大，因此降低冷却空气的阻力损失，减少压气机做功，提高燃机效率。如今，不仅要提高效率，还要降低燃气对环境的污染，因此从压气机产生空气，需要更多的进入燃烧室参与燃烧，降低污染物得排放。因此，用来冷却的空气将要减少。空气量的减少将为涡轮的冷却结构设计带来挑战。因此，如今燃机涡轮叶片冷却结构的设计目的，主要有两个方面，一是提高换热性能，降低叶片温度；二是降低流动损失，减少冷却耗气量。

对流冷却是以对流换热的方式对叶片内部冷却。扰流柱强化对流冷却通常以多排结构的形式应用在叶片的尾缘。尾缘通道一般较窄，扰流柱对边界层的破坏，流体湍动度增强，换热增强。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够提高燃气轮机涡轮叶片的换热性能，降低压力损失，提高综合热效率的带有水滴型柱肋内部冷却结构的燃气轮机涡轮叶片。

本发明的目的是这样实现的：包括内部设置有冷却通道的涡轮叶片，还包括水滴型柱肋，所述水滴型柱肋位于涡轮叶片的尾缘区域，水滴型柱肋两端分别与涡轮叶片的吸力面与压力面固定相连。

本发明还可以包括：

1、水滴型柱肋在吸力面与压力面之间呈交错分布。

2、水滴型柱肋的长度随着叶片尾缘通道渐缩即冷却通道的高度变化而逐渐缩短。

3、水滴型柱肋分为前后两部分，前部分截面是半圆形，后部分截面是与半圆相切的两条弧线，两条弧线向后交于一点。

4、水滴型柱肋两端与涡轮叶片的吸力面与压力面通过熔模铸造的方式固定相连。

本发明涉及了一种用于燃气轮机涡轮叶片的水滴型柱肋内部冷却结构，具体地说是一种提高燃气轮机涡轮叶片的一种提高换热的结构。

为了提高燃气轮机涡轮叶片的换热性能，降低压力损失，提高综合热效率。本发明的燃气轮机涡轮叶片的内部冷却结构包括内部冷却通道与水滴型柱肋，该水滴型柱肋主要位于涡轮叶片的尾缘区域，柱肋两端分别与叶片的吸力面与压力面固定相连并呈交错布置。叶片尾缘通道渐缩，柱肋的长度随着通道的高度变化而缩短。水滴型柱肋分为前后两部分，前段截面是一定直径(d)的半圆形，后段截面是与半圆相切的两条弧线，两条弧线向后交于一点，半圆圆心到交点的长度为p，整体形状呈水滴型。

与现有的技术相比，本发明的优点有：

首先，水滴型柱肋，具有破坏流动边界层的作用，提高壁面传热性能，提高换热面积，因此提高了冷却性能。水滴型柱肋3延流动方向柱肋长度的变短，不仅没有减弱换热效果，而且缩短了冷却通道4的长度；由于尾缘区域叶片较薄，因此水滴型柱肋3的截面积增加可以提高其结构强度。沿流动方向，水滴型柱肋3前段具有产生分离层的效果，而后半段具有抑制能量损耗涡的产生的作用，可以在提高换热的同时，大大减少压力损失。相对圆柱型柱肋，综合热效率提高了20％，因此具有更有效的抑制阻力损失的增加，提高换热性能等优点。

本发明可以用于涡轮转子叶片，也可以用于涡轮导向叶片。

附图说明

图1是本发明的结构剖视示意图；

图2是图1的a-a剖视图。

图3是本发明的水滴型柱肋截面示意图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

结合图1和图2，本发明的燃气轮机涡轮叶片是内部设置有冷却通道的涡轮叶片，在涡轮叶片的尾缘区域设置有水滴型柱肋3，每根水滴型柱肋的两端分别与涡轮叶片的吸力面1与压力面2通过熔模铸造的方式固定相连。

涡轮叶片叶根榫头与涡轮盘相连，叶片中部为蛇形冷却通道，带有肋片，提高换热；前端为冲击冷却结构，气流通过冲击孔进入冲击腔；尾缘区域是柱肋冷却结构。冷却气流由叶根部进入，冷却气体流入叶片前部，中部，尾缘区域。气流通过叶片尾缘区域4进行冷却，通过尾缘狭缝流出。水滴型柱肋呈交错排列，并且沿气流方向柱肋的长度缩短。柱肋的排列方式，错排方式优于顺排方式。

结合图3，水滴型柱肋分为前后两部分，前段截面是一定直径d的半圆形，后段截面是与半圆相切的两条弧线，两条弧线向后交于一点，半圆圆心到交点的长度为p，整体形状呈水滴型。

本发明的主要特点还可以包括：

1、在冷却通道中，随冷却通道的高度变化，柱肋长度变化。柱肋的长度与冷却气体流速，渐缩通道高度有关，存在一个最佳关系。

2、冷却通道沿气流方向渐缩，柱肋的高度缩短，高径比减小。

3、冷却通道的高度减小，柱肋的长度随之减小。

4、柱肋结构支撑面积大，结构的强度高。

5、柱肋的排列方式可以是交错式，也可以是顺排式。

技术特征：

技术总结
本发明提供的是一种带有水滴型柱肋内部冷却结构的燃气轮机涡轮叶片。包括内部设置有冷却通道的涡轮叶片，还包括水滴型柱肋，所述水滴型柱肋位于涡轮叶片的尾缘区域，水滴型柱肋两端分别与涡轮叶片的吸力面与压力面固定相连。本发明采用水滴型柱肋，相对圆柱型柱肋，综合热效率能提高20％，因此具有更有效的抑制阻力损失的增加，提高换热性能等优点。本发明可以用于涡轮转子叶片，也可以用于涡轮导向叶片。

技术研发人员：栾一刚;殷越;卜诗;孙海鸥;王忠义;王松;孙涛;万雷;杨连峰;程享
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2018.05.25
技术公布日：2018.11.06