燃气轮机的涡轮转子叶片及采用其的燃气轮机的制作方法

本实用新型涉及燃气轮机设计的技术领域，尤其涉及一种燃气轮机的涡轮转子叶片及采用其的燃气轮机。

背景技术：

随着燃气轮机设计技术水平的提高，燃气轮机涡轮进口燃气温度不断提高，涡轮部件所面临的热负荷极高，早已超过高温材料能够承受的极限。为了保证涡轮叶片安全可靠工作，需要对其进行复杂的冷却设计，以使叶片本体的温度和应力分布保持在合理的水平。

在涡轮叶片冷却设计过程中，叶片尾缘区域由于结构复杂，内部冷却气体和叶片金属都径向承受离心力作用，尾缘区域冷气量的分配往往沿径向不均匀；加上尾缘区域往往处于冷却流路的末端，冷气温度较高，冷却效果往往较差；尾缘区域由于结构为较薄，强度上也比较脆弱。在以上因素作用下，涡轮转子叶片尾缘区域极容易由于冷却空气分布不均匀而导致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，对叶型尾缘区域冷却空气的流动进行更加精准的控制，使其在径向的分布更加合理，更加可控，以降低所述叶片尾缘区域的温度和热应力水平。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种燃气轮机的涡轮转子叶片，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种燃气轮机的涡轮转子叶片，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；所述叶片叶型的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；

其中，所述叶片内部采用冷却通道结构，包括至少三个冷却叶片尾缘的冷却通道。

其中，所述至少三个冷却叶片尾缘的冷却通道中，至少一个冷却通道用于冷却叶型尾缘根部，至少一个冷却通道用于冷却叶型部分尾缘顶部，至少一个冷却通道用于冷却叶型尾缘中部。

其中，所述至少三个冷却叶片尾缘的冷却通道的冷却空气能够独立调节和供应。

其中，所述至少三个冷却叶片尾缘的冷却通道，内部进行了联通，但各个通道还是独立供气。

其中，所述叶片尾缘内部布置了至少一个柱肋结构，并开有至少两个喷射通孔，每两个喷射通孔之间设置有一个喷射通孔分隔板。

其中，所述叶片还包括用于所述叶片前缘冷却的冲击冷却回路；所述叶片前缘的壁上布置了至少一个气膜冷却孔，所述冲击冷却回路内设置有至少一个冲击冷却孔；所述冲击冷却回路内的冷却气体经过冲击冷却孔后，通过气膜冷却孔流出。

其中，所述至少三个冷却叶片尾缘的冷却通道内，在冷却气流转弯处具有至少一个导流片结构，每个导流片结构将所在的转弯区域分成两部分，且每个导流片结构将进入每个导流片结构所在区域的冷却气体分成两股。

其中，所述至少三个冷却叶片尾缘的冷却通道的内壁面上具有至少一个肋片结构或者其他扰流结构，以便增强该区域的换热效果。

其中，所述至少三个冷却叶片尾缘的冷却通道为蛇形通道。

基于上述技术方案可知，本实用新型的涡轮转子叶片相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：

(1)在靠近叶片尾缘区域，沿叶高方向至少将尾缘分成了三个区域。

(2)至少三个冷却尾缘的冷却通道入口的冷却空气流量可独立调节，从而比较容易达到预想的冷却分配效果。

(3)尤其是对于尾缘的叶根、叶尖区域，可大大减轻该区域的冷却设计难度。

附图说明

图1是本实用新型的燃气轮机的涡轮转子叶片的三维视图；

图2是本实用新型的燃气轮机的涡轮转子叶片内部冷却系统截面示意图；

图3是图2的a-a剖视图；

图4是图2的b-b剖视图；

图5是本实用新型燃气轮机的涡轮转子叶片的一个具体实施例；

图6是图5的a-a剖视图；

图7是图5的b-b剖视图；

图8是图5的c-c剖视图。

上述附图中，附图标记含义如下：

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；

15-肋片结构；16-柱肋结构；17-冷却通道分隔板；

18-导流片结构；19-喷射通孔分隔板；

20-叶型中弧线；21-第二冲击冷却通道；22-第一冲击冷却通道；

23-尾缘第一冷却通道；24-尾缘第二叶却通道；25-尾缘第三叶却通道；

26-蛇形通道；27-型芯支撑；28-冲击冷却分隔板；

31-吸力面；32-压力面；33-叶片前缘；34-叶片尾缘；

101-第一冷却通道入口；102-第二冷却通道入口；

103-第三冷却通道入口；104-第四冷却通道入口；

a-高温燃气；b-冷却空气。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、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，对本实用新型作进一步的详细说明。

具体的，本实用新型提供了一种燃气轮机的涡轮转子叶片，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；所述叶片叶型的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；

其中，所述叶片内部采用冷却通道结构，包括至少三个冷却叶片尾缘的冷却通道。

其中，所述至少三个冷却叶片尾缘的冷却通道中，至少一个冷却通道用于冷却叶型尾缘根部，至少一个冷却通道用于冷却叶型部分尾缘顶部，至少一个冷却通道用于冷却叶型尾缘中部。

其中，所述至少三个冷却叶片尾缘的冷却通道的冷却空气能够独立调节和供应。

其中，所述至少三个冷却叶片尾缘的冷却通道，内部进行了联通，但各个通道还是独立供气。

其中，所述叶片尾缘内部布置了至少一个柱肋结构，并开有至少两个喷射通孔，每两个喷射通孔之间设置有一个喷射通孔分隔板。

其中，所述叶片还包括用于所述叶片前缘冷却的冲击冷却回路；所述叶片前缘的壁上布置了至少一个气膜冷却孔，所述冲击冷却回路内设置有至少一个冲击冷却孔；所述冲击冷却回路内的冷却气体经过冲击冷却孔后，通过气膜冷却孔流出。

其中，所述至少三个冷却叶片尾缘的冷却通道内，在冷却气流转弯处具有至少一个导流片结构，每个导流片结构将所在的转弯区域分成两部分，且每个导流片结构将进入每个导流片结构所在区域的冷却气体分成两股。

其中，所述至少三个冷却叶片尾缘的冷却通道的内壁面上具有至少一个肋片结构或者其他扰流结构，以便增强该区域的换热效果。

其中，所述至少三个冷却叶片尾缘的冷却通道为蛇形通道。

附图给出了本实用新型的一个具体的实施例。图1是燃气轮机高温转子叶片的三维视图，其包括叶片叶型13、叶片叶根11以及在叶片叶型和叶片叶根之间的叶片平台12。沿叶型中弧线20将叶片剖开，可以获得叶片内部的结构，如图2所示。叶片内部具有用于冷却气体流动的多个冷却通道。冷却气体输送到转子叶片的根部冷却通道入口，如图3所示，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结构设计综合考虑进行设计。

在叶片内部有至少三个冷却流路直接为尾缘区域提供冷却空气，如图2、图4所示，图4为图2的b-b剖视图，其包括：尾缘第一冷却通道23，冷却空气从叶根第一冷却通道入口101进入，沿径向流动后转为轴向流动，冷却叶片尾缘靠近叶尖尾缘区域后，从尾缘排出；尾缘第二冷却通道24，冷却空气从叶根第二冷却通道入口102进入，沿径向流动后转为轴向流动，冷却叶片尾缘靠近叶片中部区域后，从尾缘排出；尾缘第三冷却通道25，冷却空气从叶根第三冷却通道入口103进入，沿径向流动后转为轴向流动，冷却叶片尾缘靠近叶片根部区域后，从尾缘排出。所述至少三个用于冷却尾缘的通道的冷却空气流动可根据入口几何独立调节。

所述至少三个用于冷却尾缘的通道，如果由于型芯支撑加固、铸造等工艺需求，需要通过型芯支撑27在内部进行联通，导致内部气路不独立时，并不改变各个通道独立供气并对尾缘进行分区调节的本质。

图5给出了本实用新型的另一个具体的实施例。在叶片内部有至少三个冷却流路直接为尾缘区域提供冷却空气，图6为图5的a-a剖视向视图，图7为图5的b-b剖视图，图8为图5的c-c剖视图，其包括：尾缘第一冷却通道23，通道冷却空气从叶根第一冷却通道入口101进入，沿径向流动后转为轴向流动，冷却叶片尾缘靠近叶尖尾缘区域后，从尾缘排出。在尾缘第一冷却通道23中，在壁面布置了至少一个肋片结构15，以强化冷却通道壁面的对流冷却效果。肋片结构的几何结构和布置形式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尾缘第一冷却通道23的通向燃气主流的至少一个开口以及布置在叶片顶部的至少一个顶部气膜孔5喷出。

所述第一冷却通道还包括冲击冷却回路。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28分开；所述冲击冷却分隔板上布置了至少一个冲击冷却孔3。第一冲击冷却通道22壁面布置了具有强化对流冷却效果的至少一个肋片结构15，冷却气体在第一冲击冷却通道22向叶片顶部方向流动时，沿程会通过布置在冲击冷却分隔板28上的至少一个冲击冷却孔3对第二冲击冷却通道21中的部分叶片前缘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3后，从所述气膜冷却孔2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2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。

所述第一冷却通道22在径向和轴向冷却通道交接处还包括导流片结构18。冷却空气流经导流片结构18时，根据导流片上下两个区域的入口面积自动分配两个区域的冷却空气分配；导流片结构18的存在还减小了径向和轴向冷却通道交接处的流动损失，提高了第一冷却通道后部区域的压力裕度。

所述第一冷却通道在靠近尾缘区域布置了至少一个柱肋结构16，以强化叶片尾缘的对流冷却效果。同时，所述柱肋结构16连接叶片的吸力面31和压力面32，起到强化叶片结构强度的效果。所述柱肋结构的几何尺寸同样需要根据冷却效果和强度要求来综合选定。在叶片尾缘布置了至少两个喷射通孔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。

尾缘第二冷却通道24可为蛇形通道结构，冷却空气从叶根第二冷却通道102、第三冷却通道入口103进入蛇行通道后，对叶片尾缘靠近叶片中部区域进行冷却，最后从通向燃气的开口排出。在尾缘第二冷却通道24中，在壁面布置了至少一个肋片结构15，以强化冷却通道壁面的对流冷却效果。肋片结构的几何结构和布置形式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尾缘第二冷却通道24的通向燃气主流的至少一个开口喷出。

所述第二冷却通道在靠近尾缘区域布置了至少一个柱肋结构16，以强化叶片尾缘的对流冷却效果。同时，所述柱肋结构连接叶片的吸力面31和压力面32，起到强化叶片结构强度的效果。所述柱肋结构的几何尺寸同样需要根据冷却效果和强度要求来综合选定。在叶片尾缘布置了至少两个喷射通孔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。

尾缘第三冷却通道25，冷却空气从叶根第四冷却通道入口104进入，对叶片尾缘靠近叶片根部区域进行冷却，最后从通向燃气的开口排出。尾缘第三冷却通道在靠近尾缘区域布置了至少一个柱肋结构16，以强化叶片尾缘的对流冷却效果。同时，所述柱肋结构连接叶片的吸力面31和压力面32，起到强化叶片结构强度的效果。所述柱肋结构的几何尺寸同样需要根据冷却效果和强度要求来综合选定。在叶片尾缘布置了至少两个喷射通孔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。

所述至少三个用于冷却尾缘的通道，如果由于型芯支撑加固、铸造等工艺需求，需要通过型芯支撑27在内部进行联通，导致内部气路不独立时，并不改变各个通道独立供气并对尾缘进行分区调节的本质。

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