涡轮叶片及包括其的燃气轮机的制作方法

本发明涉及燃气轮机设计的技术领域，尤其涉及一种涡轮叶片及包括其的燃气轮机。

背景技术：

随着燃气轮机用户对经济性要求的逐步提高，环保部门对燃气轮机相关排放要求的进一步加强，燃气轮机的压气机压比和燃烧温度逐步提高，燃气轮机热端部件，尤其是透平叶片冷却设计面临越来越高的挑战。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，蛇形通道冷却结构作为对流冷却和气膜冷却等冷却方法的载体往往被大量采用。通过蛇形通道结构可以在叶片内部连续的布置冷却结构来对高温叶片进行冷却，从而保证叶片处于合理的温度水平。在叶片冷却设计中，在最小的压力损失下获得最大的换热效果往往是冷却设计人员追求的目标。但是蛇形通道冷却结构的转弯区域，由于低雷诺数效应，冷却空气的粘性效应强烈，冷却空气的边界层很厚且易于分离，冷却空气在离心力作用下往往导致其在通道横截面上分布不均匀，形成较强烈的二次旋涡流动，从而造成冷却空气压力的急剧损失和换热效果的降低。已有的公知技术中，往往通过在该区域设置导流片结构来减小压力损失，但是效果往往还不甚理想。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种涡轮叶片及包括其的燃气轮机，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，本发明的方案为：

作为本发明的一个方面，提供一种涡轮叶片，所述涡轮叶片的内部设置冷却通道；所述涡轮叶片包括隔板和导流片；其中，

隔板，设置于所述涡轮叶片内部的冷却通道内，用于使所述冷却通道形成蛇形通道冷却结构；其中，隔板末端的冷却通道定义为转弯区域；

导流片，设置于所述冷却通道内的转弯区域，用于将转弯区域的冷却空气进行至少三股分流。

作为本发明的另一个方面，还提供一种燃气轮机，包括如上述的涡轮叶片。

基于上述技术方案可知，本发明的涡轮叶片相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：

(1)在靠近叶片冷却通道转弯区域，通过导流片将冷却空气进行至少三股分流，使流动状态更加合理，减小了二次流生成，减小了流动分离，从而有效减小压力损失；

(2)冷却通道转弯区域冷却空气在冷却通道横截面上的分布可以通过导流片的位置进行调整，从而使流动换热更加均匀，可有效降低涡轮叶片热应力水平；

(3)冷却通道转弯区域冷却空气通过至少三股分流，使压力损失更小，因此可以用更低的压力来进行冷却，从而提高燃气轮机整体热效率；

(4)通过本发明的应用，避免了冷却通道壁面厚度的急剧变化，减小了叶片使用过程中疏松缺陷的产生。

附图说明

图1是本发明实施例的燃气轮机的涡轮转子叶片的立体示意图；

图2是本发明实施例的燃气轮机的涡轮转子叶片内部冷却通道截面示意图；

图3是图2的a-a截面示意图；

图4是本发明实施例的燃气轮机的涡轮静子叶片的立体示意图；

图5是本发明实施例的燃气轮机的涡轮静子叶片内部冷却通道截面示意图；

图6是图5的b-b截面示意图；

图7是图2或图5的c区局部放大示意图；

图8是图2或图5另一个实施例的c区局部放大示意图。

上述附图中，附图标记含义如下：

1-根部冷却通道入口；11-叶片叶根；12-叶片平台；13-叶片叶身；14-静叶下端壁；15-静叶上端壁；20-冷却通道分隔板；21-转弯区域入口；22-转弯区域出口；23-第一冷却通道；24-第二冷却通道；25-第三冷却通道；30-叶型中弧线；31-吸力面；32-压力面；33-叶片前缘；34-叶片尾缘；35-“u”型导流片；36、37-导流片；38-端部圆角；41-肋片结构；42-喷射通孔。

具体实施方式

本发明提供的一种涡轮叶片，在不增加总冷却空气量的情况下，对蛇形通道转弯区域的冷却空气的流动进行更加精准的控制，使其在该区域通道横截面上的分布更加合理，更加可控，从而降低叶片冷却通道转弯区域冷却空气的压力损失，改进叶片的整体温度分布和热应力水平。

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，对本发明作进一步的详细说明。

作为本发明的一个方面，提供一种涡轮叶片，涡轮叶片的内部设置冷却通道；涡轮叶片包括隔板和导流片；其中，

隔板，设置于涡轮叶片内部的冷却通道内，用于使冷却通道形成蛇形通道冷却结构；其中，隔板末端的冷却通道定义为转弯区域；

导流片，设置于冷却通道内的转弯区域，用于将转弯区域的冷却空气进行至少三股分流。

在本发明的实施例中，导流片包括第一导流片和第二导流片；

第一导流片，为u型结构，设置于转弯区域的隔板末端的外围；

第二导流片，包括多个，间隔设置于转弯区域的第一导流片的外围。

在本发明的实施例中，第一导流片为光滑的连续的u型结构。

在本发明的实施例中，第一导流片为至少2段的不连续的u型结构。

在本发明的实施例中，第二导流片，包括2个，以隔板为中心对称设置于转弯区域的第一导流片的外围。

在本发明的实施例中，第二导流片，2个为一组，设置多组，间隔层叠设置于转弯区域的第一导流片的外围。

在本发明的实施例中，第二导流片的形状为圆弧型、三角形或者翼型。

在本发明的实施例中，隔板端部设置为圆角结构。

在本发明的实施例中，圆角结构为圆形、椭圆形或者其他流线形状。

作为本发明的另一个方面，还提供一种燃气轮机，包括如上述的涡轮叶片。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但需要注意的是，下述的实施例仅用于说明本发明的技术方案，但本发明并不限于此。

如图1所示，涡轮转子叶片包括叶片叶身13、叶片叶根11以及在叶片叶身13和叶片叶根11之间的叶片平台12。沿叶型中弧线30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。

在叶片内部存在至少1个独立的蛇形冷却流路为叶片提供冷却空气，如图2、图3所示，图3为图2的a-a截面示意图，其包括：第一冷却通道23，第二冷却通道24，第三冷却通道25，冷却空气从根部冷却通道入口1进入，沿径向陆续经过第一冷却通道23，第二冷却通道24，第三冷却通道25，上述冷却通道壁面布置有用于强化换热的肋片结构41，冷却空气经换热后从尾缘喷射通孔42排出。

第一冷却通道23，第二冷却通道24，第三冷却通道25的转弯区域，如图7所示的c区局部放大图，采用了本发明的冷却结构。来自第一冷却通道23的冷却空气到达转弯区域入口21后，首先到达“u”型导流片35的入口，该入口被“u”型导流片35划分为a1和a2两段，其中a1和a2的宽度可以根据实际需要进行调整，以保证进入a2和a1区域的流量满足预期的目标。进入a2区的冷却流体在“u”型导流片35和冷却通道分隔板20的端部圆角38的共同作用下，转弯到达转弯区域出口22，并顺利进入第二冷却通道24。“u”型导流片35的出口面积a3与a4宽度可调整，从而保证转弯区域出口22的冷却空气流速满足预期的目标。

进入a1区冷却空气到达导流片36的入口，该入口被导流片36划分为b1和b2两段，其中b1和b2的宽度可以根据实际需要进行调整，以保证进入b2和b1区域的流量满足预期的目标。导流片36的出口面积b3与b4宽度可调整，从而保证导流片36出口的冷却空气流速满足预期的目标。

进入a1区冷却空气经过导流片36后进入导流片37，该入口被导流片37划分为c1和c2两段，其中c1和c2的宽度可以根据实际需要进行调整，以保证进入c2和c1区域的流量满足预期的目标。导流片37的出口面积c3与c4宽度可调整，从而保证导流片37出口的冷却空气流速满足预期的目标。

附图4给出了本发明的另一个具体的实施例。如图4所示，涡轮静子叶片包括叶片叶身13、叶片下端壁14以及叶片上端壁15。沿叶型中弧线30将叶片剖开，可以获得叶片内部的结构，如图5所示。叶片内部具有用于冷却气体流动的多个冷却通道。

在叶片内部存在至少1个独立的蛇形冷却流路为叶片提供冷却空气，如图5、图6所示，图6为图5的a-a截面示意图，其包括：第一冷却通道23，第二冷却通道24，第三冷却通道25，冷却空气从根部冷却通道入口1进入，沿径向陆续经过第一冷却通道23，第二冷却通道24，第三冷却通道25，上述冷却通道壁面布置有用于强化换热的肋片结构41，冷却空气经换热后从尾缘喷射通孔42排出。

第一冷却通道23，第二冷却通道24，第三冷却通道25的转弯区域，如图7所示的c区局部放大图，采用了本发明的冷却结构。来自第一冷却通道23的冷却空气到达转弯区域入口21后，首先到达“u”型导流片35的入口，该入口被“u”型导流片35划分为a1和a2两段，其中a1和a2的宽度可以根据实际需要进行调整，以保证进入a2和a1区域的流量满足预期的目标。进入a2区的冷却流体在“u”型导流片35和冷却通道分隔板20的端部圆角38的共同作用下，转弯到达转弯区域出口22，并顺利进入第二冷却通道24。“u”型导流片35的出口面积a3与a4宽度可调整，从而保证转弯区域出口22的冷却空气流速满足预期的目标。

进入a1区冷却空气到达导流片36的入口，该入口被导流片36划分为b1和b2两段，其中b1和b2的宽度可以根据实际需要进行调整，以保证进入b2和b1区域的流量满足预期的目标。导流片36的出口面积b3与b4宽度可调整，从而保证导流片36出口的冷却空气流速满足预期的目标。

进入a1区冷却空气经过导流片36后进入导流片37，该入口被导流片37划分为c1和c2两段，其中c1和c2的宽度可以根据实际需要进行调整，以保证进入c2和c1区域的流量满足预期的目标。导流片37的出口面积c3与c4宽度可调整，从而保证导流片37出口的冷却空气流速满足预期的目标。

第一冷却通道23，第二冷却通道24，第三冷却通道25的转弯区域，如图8所示的c区局部放大图是本发明的冷却结构的另一个具体实施例，转弯区域采用了至少两个导流片36和至少两个导流片37。

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，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。