一种燃气轮机静叶及其冷却结构的制作方法

本发明涉及地面重型燃气轮机涡轮叶片技术领域，尤其是公开了一种冷却效果好，气动效率高的燃气轮机静叶及其冷却结构。

背景技术：

燃气轮机机组因为其质量轻、体积小、启动快，控制方便等优点，被广泛应用在舰艇、发电机组等多个领域。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燃气轮机的运行至关重要。叶片的各项性能指标也是衡量燃气轮机发展程度的重要指标。总之，涡轮叶片的发展水平是衡量一个国家燃气轮机发展水平的重要标志。

目前，低压涡轮静叶内部结构不仅要满足冷却需求，同时需要为盘腔供气。低压级涡轮静叶的冷却空气来自压气机中间级抽气，叶片的冷却空气消耗量对整机的效率影响较大，因此叶片的冷却设计往往受冷气量的限制。同时由于高温区域集中在叶片前缘和尾缘部分，而在叶片尾缘区域，由于叶片结构限制，很难在内部布置冷却结构。因此需要对低压涡轮静叶进行高效的冷却结构设计，在较少的冷气量下，同时满足叶片冷却和级封的需求。

技术实现要素：

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种冷却效果好，气动效率高，且同时具有结构合理、制造装配方便的燃气轮机静叶及其冷却结构。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种叶片冷却结构，包括：

第一叶片隔板，

与第一叶片隔板间隔设置的第二叶片隔板，

第一叶片隔板和第二叶片隔板分割成的第一冷却通道、第二冷却通道和第三冷却通道，

与第三冷却通道连通的气膜孔。

优选地，所述第一叶片隔板的厚度δ1与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％的比值范围为0.146-0.178，拔模角度θ1为-10°-10°。

优选地，所述第二叶片隔板的厚度δ2与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％的比值范围为0.146-0.178，拔模角度θ2为-10°-10°。

本发明还提供了一种燃气轮机静叶，包括上缘板、叶身和下缘板组成，所述的叶身包括叶片吸力面、叶片压力面，叶片前缘、叶片尾缘和上述叶片冷却结构。

优选地，所述上缘板布有冷却气体入口，所述下缘板布有冷却气体出口。

优选地，所述上缘板的最大直径与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％的比值为79.06，所述上缘板的轴向长度wt与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％的比值为7.00，所述上缘板的厚度et与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％的比值为0.433。

优选地，所述下缘板的最小直径与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％的比值为58.55，所述下缘板的轴向长度wt与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％的比值为7.05，所述下缘板的厚度et与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％的比值为0.433。

优选地，所述叶身的壁厚t与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％的比值范围为0.16-0.24。

优选地，所述上缘板的进气边挂钩宽度b1与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％的比值范围为0.535-0.654，所述上缘板的进气边挂钩高度h1与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％的比值范围为0.438-0.535。

优选地，所述上缘板的排气边挂钩上设置周向定位槽，所述周向定位槽的槽宽b3与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％比值范围为0.945-1.155，所述周向定位槽的槽深h3与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％比值范围为0.482-0.589。

优选地，所述下缘板的进气边级间封严环的支撑宽度b4与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％比值范围为0.389-0.476，所述下缘板的进气边排气边级间封严环的支撑宽度b5与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％比值范围为0.389-0.476。

优选地，所述下缘板的进气边级间封严环的调整销槽宽b6与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％比值范围为0.615-0.752，所述下缘板的进气边级间封严环的调整销槽深h4与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％比值范围为1.293-1.580。

优选地，所述叶片压力面的尾缘上设气膜孔，所述气膜孔的数量为35～43个，所述气膜孔的直径与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％比值范围为0.059-0.081。

优选地，所述叶身型线为变截面扭叶片，从根部至顶部的截面面积逐渐增大，且叶身根部截面和叶身顶部截面间有相对扭转；

所述叶身相对叶高由0％单调增加至100％处的截面分别定义为截面a-a、b-b、c-c、d-d、e-e，所述叶身根部截面到叶身顶部截面的弦长b的变化范围为87.95-116.19；

所述叶身根部截面到叶身顶部截面的叶型截面轴向宽度v的变化范围为72.84-91.91；

所述叶身根部截面到叶身顶部截面的叶型截面最大厚度t的变化范围为17.39-21.12；

所述叶身根部截面到叶身顶部截面的叶型截面面积a的变化范围为624.99-986.12，安装角βy的变化范围为56.9°-52.99°、进口角α的变化范围为62.46°-68.57°，出口角β的变化范围为25.39°-29.18°。

进一步优选地，所述叶身的各截面具体参数如下表1所述。

表1

在叶片工作时，冷气从平台上方的入口进入第一冷却通道，此时，冷却气体流量大、流速高，可以优先针对叶片前缘区域进行冷却。气体通过第一冷却通道后从下缘板的冷却气体出口分出一部分气体，进入静叶密封腔室用于级间密封，其余气体依次进入第二冷却通道和第三冷却通道继续冷却叶身，最终通过叶片压力面尾缘排气边的气膜孔排出。

相比于现有技术，本发明叶片能够把冷气消耗量降低到最低，对整机效率影响较少；本发明叶片第一通道由于充分利用级封的气体，冷气量较大，相对现有技术冷却效果提高了2.2倍。叶片尾缘通过在叶片压力面尾缘开气膜孔的形式，解决了在其内部很难布置冷却结构的问题，降低了尾缘的温度水平和热应力；

同时，本发明的叶型采用三元流场设计技术设计而成的，沿叶高方向具有一定的扭曲规律，使得叶片具有很好的气动性能，叶身扭曲规律是按照三元流理论设计的，沿叶身各热力参数分布规律合理，经专业计算流体力学计算软件cfx和numeca等计算验证，在设计工况下，叶片的气动效率可达97.51％。

附图说明

图1是本发明的整体结构主视图。

图2为图1中c-c截面的示意图。

图3是本发明的叶型截面剖面图。

图4是本发明上缘板的结构示意图。

图5是本发明上缘板h-h截面的结构示意图。

图6是本发明下缘板结构示意图。

图7是本发明下缘板i-i截面的结构示意图。

图8是本发明叶片压力面尾缘的气膜孔结构示意图。

图9是本发明的叶片叶型参数示意图。

图10是图9的i局部放大图。

图11是图9的-ii局部放大图。

图12是本发明工作示意图。

图13是图12冷却气体入口的俯视图。

图14为图13冷却气体入口的剖视图。

图15为图12冷却气体出口的仰视图。

图16为图15冷却气体出口的剖视图。

图中，1、上缘板，2、叶身，3、下缘板，4、第一叶片隔板，5、第二叶片隔板，6、叶片吸力面，7、叶片压力面，8、气膜孔，9、第一冷却通道，10、第二冷却通道，11、第三冷却通道，12、冷却气体入口，13、冷却气体出口，14、叶片前缘，15、叶片尾缘。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面通过具体实施方案结合附图及对本发明作进一步详细说明。

如图1-16所示，本发明提供了一种叶片冷却结构，包括：

第一叶片隔板4，

与第一叶片隔板4间隔设置的第二叶片隔板5，

第一叶片隔板4和第二叶片隔板5分割成的第一冷却通道9、第二冷却通道10和第三冷却通道11，

与第三冷却通道11连通的气膜孔8。

优选地，所述第一叶片隔板4的厚度δ1与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％的比值范围为0.146-0.178，拔模角度θ1为-10°-10°。

优选地，所述第二叶片隔板5的厚度δ2与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％的比值范围为0.146-0.178，拔模角度θ2为-10°-10°。

本发明还提供了一种燃气轮机静叶，包括上缘板1、叶身2和下缘板3组成，所述的叶身2包括叶片吸力面6、叶片压力面7，叶片前缘14、叶片尾缘15和上述叶片冷却结构。

优选地，所述上缘板1布有冷却气体入口12，所述下缘板3布有冷却气体出口13。

优选地，所述上缘板1的最大直径与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％的比值为79.06，所述上缘板1的轴向长度wt与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％的比值为7.00，所述上缘板1的厚度et与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％的比值为0.433。

优选地，所述下缘板3的最小直径与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％的比值为58.55，所述下缘板3的轴向长度wt与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％的比值为7.05，所述下缘板3的厚度et与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％的比值为0.433。

优选地，所述叶身2的壁厚t与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％的比值范围为0.16-0.24。

优选地，所述上缘板1的进气边挂钩宽度b1与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％的比值范围为0.535-0.654，所述上缘板1的进气边挂钩高度h1与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％的比值范围为0.438-0.535。

优选地，所述上缘板1的排气边挂钩上设置周向定位槽，所述周向定位槽的槽宽b3与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％比值范围为0.945-1.155，所述周向定位槽的槽深h3与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％比值范围为0.482-0.589。

优选地，所述下缘板3的进气边级间封严环的支撑宽度b4与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％比值范围为0.389-0.476，所述下缘板3的进气边排气边级间封严环的支撑宽度b5与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％比值范围为0.389-0.476。

优选地，所述下缘板3的进气边级间封严环的调整销槽宽b6与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％比值范围为0.615-0.752，所述下缘板3的进气边级间封严环的调整销槽深h4与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％比值范围为1.293-1.580。

优选地，所述叶片压力面7尾缘上设气膜孔8，所述气膜孔8的数量为35～43个，所述气膜孔8的直径与50％叶高处叶型截面的最大厚度t50％比值范围为0.059-0.081。

优选地，所述叶身2型线为变截面扭叶片，从根部至顶部的截面面积逐渐增大，且叶身根部截面和叶身顶部截面间有相对扭转；

所述叶身2相对叶高由0％单调增加至100％处的截面分别定义为截面a-a、b-b、c-c、d-d、e-e，所述叶身根部截面到叶身顶部截面的弦长b的变化范围为87.95-116.19；

所述叶身根部截面到叶身顶部截面的叶型截面轴向宽度v的变化范围为72.84-91.91；

所述叶身根部截面到叶身顶部截面的叶型截面最大厚度t的变化范围为17.39-21.12；

所述叶身根部截面到叶身顶部截面的叶型截面面积a的变化范围为624.99-986.12，安装角βy的变化范围为56.9°-52.99°、进口角α的变化范围为62.46°-68.57°，出口角β的变化范围为25.39°-29.18°。

进一步优选地，所述叶身2的各截面具体参数如下表1所述。

表1

在叶片工作时，冷气从平台上方的入口进入第一冷却通道9，此时，冷却气体流量大、流速高，可以优先针对叶片前缘14区域进行冷却。气体通过第一冷却通道9后从下缘板3的冷却气体出口13分出一部分气体，进入静叶密封腔室用于级间密封，其余气体依次进入第二冷却通道10和第三冷却通道11继续冷却叶身，最终通过叶片压力面7尾缘排气边的气膜孔8排出。

相比于现有技术，本发明叶片能够把冷气消耗量降低到最低，对整机效率影响较少；本发明叶片第一通道由于充分利用级封的气体，冷气量较大，相对现有技术冷却效果提高了2.2倍。叶片尾缘通过在叶片压力面尾缘开气膜孔的形式，解决了在其内部很难布置冷却结构的问题，降低了尾缘的温度水平和热应力；

同时，本发明的叶型采用三元流场设计技术设计而成的，沿叶高方向具有一定的扭曲规律，使得叶片具有很好的气动性能，叶身扭曲规律是按照三元流理论设计的，沿叶身各热力参数分布规律合理，经专业计算流体力学计算软件cfx和numeca等计算验证，在设计工况下，叶片的气动效率可达97.51％。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。