涡轮转子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技术领域，尤其涉及涡轮转子叶片及包括其的燃气轮机。

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。

在各种内部冷却换热技术中，冲击冷却换热系数最高，换热效果最好，但是压力损失也最大，因此需要的冷却空气压力更高。

在涡轮叶片冷却设计过程中，叶尖区域存在泄露流动等三维流动结构，叶尖区域由于距离冷气入口较远，用于冷却的空气已经被加热升温，加上内部对流冷却结构换热系数相对较低，冷却效果往往较差。在以上因素作用下，涡轮转子叶片叶尖区域极容易由于冷却效果差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。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种涡轮转子叶片及包括其的燃气轮机，以期至少部分地解决上述提及的技术问题的至少之一。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

作为本发明的一个方面，提供一种涡轮转子叶片，包括叶片叶身，所述叶片叶身包括冷气通道和冲击板；

冷气通道，设置于所述叶片叶身内部；

冲击板，设置于所述叶片叶身内部；

其中，所述冲击板上设置冲击孔，所述冲击孔与所述冷气通道相连通，用于将冷气通道内的冷却空气经过冲击孔对叶片叶身的叶尖区域进行冲击强化冷却。

作为本发明的另一个方面，还提供一种燃气轮机，包括如上述的涡轮转子叶片。

基于上述技术方案，本发明相较于现有技术，至少具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：

本发明在不增加总冷却空气量的情况下，利用叶尖区域冷气压力高，热负荷高的特点，采用冲击冷却结构对叶顶和冲击后腔室壁面进行强化换热，从而有效降低叶尖区域金属温度。

附图说明

图1是本发明实施例1-3的涡轮转子叶片立体示意图；

图2是本发明实施例1的涡轮转子叶片内部结构截面示意图；

图3是图2的a-a截面剖视图；

图4是图2的b-b截面剖视图；

图5是图2的c-c截面剖视图；

图6是本发明实施例2的涡轮转子叶片内部结构截面示意图；

图7是图6的d-d截面剖视图；

图8是图6的e-e截面剖视图；

图9是图6的f-f截面剖视图。

图10是本发明实施例3的涡轮转子叶片内部结构截面示意图；

图11是图10的g-g截面剖视图；

图12是图10的h-h截面剖视图；

图13是图10的j-j截面剖视图。

以上附图中，附图标记含义如下：

1-根部冷气通道入口；2-气膜冷却孔；3、17-冲击孔；4-尾缘喷射孔；5-气膜孔；8-顶部盖板；9-冲击板；11-叶片叶根；12-叶片平台；13-叶片叶身；14-冷气通道；15-尾缘冷气通道；16-冲击冷气通道；18-前缘通道；20-叶型中弧线；21-集气腔；22-冲击后腔室；23-叶顶凹槽；24-叶根空腔；31-吸力面；32-压力面；33-叶片前缘；34-叶片尾缘；41-肋片结构；42-柱肋结构；101-第一冷气通道入口；102-第二冷气通道入口；103-第三冷气通道入口；a-高温燃气；b-冷却空气。

具体实施方式

针对叶片顶部区域由于离心力的作用，具有较高的压力裕度，加上较高的热负荷的特点，本发明在不增加总冷却空气量的条件下，采用冲击冷却强化换热，强化涡轮叶片叶尖区域换热，有效降低叶片叶尖区域的温度和热应力水平。

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，提供一种涡轮转子叶片，包括叶片叶身，叶片叶身包括冷气通道和冲击板；

冷气通道，设置于叶片叶身内部；

冲击板，设置于叶片叶身内部；

其中，冲击板上设置冲击孔，冲击孔与冷气通道相连通，用于将冷气通道内的冷却空气经过冲击孔对叶片叶身的叶尖区域进行冲击强化冷却。

在本发明的实施例中，冲击板上设置多个冲击孔，冲击孔的孔径小于冷气通道的内径。

在本发明的实施例中，叶片叶身还包括顶部盖板，顶部盖板将叶片叶身内顶部形成一与冷气通道相连通的顶部空间；冲击板设置于顶部空间内，将顶部空间间隔为集气腔和冲击后腔室；

其中，集气腔与冷气通道连通；冲击后腔室通过冲击孔与集气腔相连通；

冲击后腔室的壁面上设置冷气孔，用于将冲击后腔室内的冷却空气通过冷气孔对叶片叶身的叶尖区域进行冷却。其中，涡轮转子叶片叶尖区的冲击后腔室中冷却空气的流量和压力可调节。

在本发明的实施例中，顶部盖板通过钎焊工艺与叶片叶身固定并对叶片冷气通道进行封堵，形成冲击后腔室；冲击板结构通过钎焊工艺与叶片叶身固定。

在本发明的实施例中，冲击孔加工方式包括铸造、电火花、激光或者机械加工；

冲击孔的孔型包括圆形、椭圆形、方形、菱形中的一种或多种；

多个冲击孔在冲击板上的排列方式为顺排或者交错排列。

其中，冲击孔可以在钎焊前加工，也可以在冲击板与叶片叶身钎焊固定后加工。

在本发明的实施例中，冷气孔设置于顶部盖板；

冷气孔设置于冲击后腔室对应的叶片叶身的压力面和/或吸力面上；和/或

冷气孔设置于冲击后腔室对应的叶片叶身尾缘上。

更为具体的，在本发明的实施例中，冷气孔包括设置于顶部盖板上的气膜孔、设置于叶片叶身尾缘上的尾缘喷射孔、设置于压力面、叶片前缘和吸力面上的气膜冷却孔。

在本发明的实施例中，涡轮转子叶片根部可以为空腔结构，内部沿径向的多个冷气通道与空腔相连，冷却空气可先进入空腔，再进入沿径向的多个冷气通道。

涡轮转子叶片内部存在至少一个复杂冷气通道，复杂冷气通道在涡轮转子叶片精密铸造过程中一体成型。

在本发明实施例中，多个冷气通道末端均连通至一个集气腔，集气腔对应设置一个冲击板和一个冲击后腔室。

更为具体的，涡轮转子叶片内部多个复杂冷气通道汇集在一个集气腔内，冷却空气通过冲击板上的冲击孔对顶部盖板及冲击后腔室壁面进行冷却。

在本发明的其他实施例中，多个冷气通道末端分别连通至至少两个集气腔；每个集气腔单独设置对应的冲击板和冲击后腔室。

更为具体的，涡轮转子叶片内部的多个复杂冷气通道并不是全部对应一个集气腔；而是可以设计为每个冷气通道分别对应单独的集气腔，或者多个冷气通道对应至少两个集气腔，每个集气腔单独设置冲击板和冲击后腔室，冷却空气通过冲击板上的冲击孔对顶部盖板及冲击后腔室壁面进行冷却。

在本发明的实施例中，在冷气通道相对应的壁面上设置冷气通道气膜冷却孔，用于将冷气通道内的冷却空气通过冷气通道气膜冷却孔排出，对叶片叶身的叶尖区域进行冷却。

综上所述，涡轮转子叶片冲击后腔室内部的冷却空气通过顶部盖板上的气膜孔和除尘孔进入叶尖凹槽中进一步对叶尖区域进行冷却；或者通过尾缘喷射孔进入主流燃气；或者通过压力面或者吸力面上的气膜冷却孔进入主流燃气。另外，涡轮转子叶片内部至少一个复杂冷气通道中的冷却空气可不进入集气腔而通过冷气通道气膜冷却孔直接排入涡轮转子叶片外部。

在本发明的实施例中，冷气通道在叶片叶身内部沿径向设置；

冷气通道的加工方式包括铸造、电化学或者电火花；

冷气通道在延伸方向包括一段通孔，但并不局限于此，还可以为相互连通的多段通孔；其中，多段通孔的内径不同；

更为具体的，当涡轮转子叶片沿叶高方向扭曲较大时，可以采用两段对接孔成型。

冷气通道内设置用于强化换热的肋片结构和/或柱肋结构；

涡轮转子叶片还包括湍流发生装置，湍流发生装置设置于冷气通道内部。用于强化对流冷却，提高该区域的换热能力。

作为本发明的另一个方面，还提供一种燃气轮机，包括如上述的涡轮转子叶片。

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。

实施例1

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气通道14。冷却气体输送到涡轮转子叶片的根部冷气通道入口1，根部冷气通道入口1的大小和数目根据所需冷却气体流量及叶片结构综合考虑进行设计，如图3所示，根部冷气通道入口1包括第一冷气通道入口101、第二冷气通道入口102、第三冷气通道入口103。

在叶片内部有至少一个冷却流路为叶尖区域提供冷却空气，如图2、图4所示，图4为图2的b-b剖视图，其包括：三个径向冷气通道14以及为这三个冷气通道14提供冷却空气的第一冷气通道入口101、第二冷气通道入口102、第三冷气通道入口103；冷却空气从第一冷气通道入口101、第二冷气通道入口102、第三冷气通道入口103进入冷气通道14后，在冷气通道14内表面与叶片发生对流换热后，进入集气腔21。

如图2和图5所示，集气腔21内的高压冷却空气通过冲击板9上的冲击孔3对顶部盖板8进行冲击冷却并进入冲击后腔室22，从顶部盖板8上的气膜孔5进入叶顶凹槽23，对叶尖区域进行进一步冷却并与叶尖泄露流动掺混；进入冲击后腔室22的冷却空气可以通过叶片尾缘34上的尾缘喷射孔4直接排入主流燃气；进入冲击后腔室22的冷却空气可以通过布置在压力面32、吸力面31和叶片前缘33上的气膜冷却孔2进入主流燃气。

实施例2

如图6-9所示，涡轮转子叶片包括：三个径向冷气通道14以及为这三个冷气通道14提供冷却空气的叶根空腔24；冷却空气从第一冷气通道入口101、进入叶根空腔24后，再进入冷气通道14，在冷气通道14内表面与叶片发生对流换热后，进入集气腔21。

集气腔21内的高压冷却空气通过冲击板9上的冲击孔3对顶部盖板8进行冲击冷却并进入冲击后腔室22，从顶部盖板8上的气膜孔5进入叶顶凹槽23，对叶尖区域进行进一步冷却并与叶尖泄露流动掺混；进入冲击后腔室22的冷却空气可以通过叶片尾缘34上的尾缘喷射孔4直接排入主流燃气；进入冲击后腔室22的冷却空气可以通过布置在压力面32、吸力面31和叶片前缘33上的气膜冷却孔2进入主流燃气。

实施例3

如图10-13所示，涡轮转子叶片包括：三个复杂冷气通道，前缘的冷气通道14、尾缘冷气通道15、冲击冷气通道16以及为这三个冷气通道提供冷却空气的第一冷气通道入口101、第二冷气通道入口102、第三冷气通道入口103；冷却空气从第一冷气通道入口101、第二冷气通道入口102、第三冷气通道入口103进入冷气通道14、尾缘冷气通道15、冲击冷气通道16后，在冷气通道14、尾缘冷气通道15、冲击冷气通道16内表面与叶片发生对流换热。

其中，第一冷气通道入口101内的冷却空气进入冲击冷气通道16后，沿冲击孔17进入前缘通道18并对叶片前缘33进行冲击冷却，冷却空气从前缘的气膜冷却孔2(即冷气通道气膜冷却孔)进入主流燃气；第三冷气通道入口103内的冷却空气进入尾缘冷气通道15后，与肋片结构41进行强化换热，进入叶片尾缘34区域的柱肋结构42中继续进行强化换热，然后从尾缘喷射孔4喷出并进入主流燃气。

第二冷气通道入口102内的冷却空气进入冷气通道14后，与肋片结构41进行强化换热后，进入集气腔21。

集气腔21内的高压冷却空气通过冲击板9上的冲击孔3对顶部盖板8进行冲击冷却并进入冲击后腔室22，从顶部盖板8上的气膜孔5进入叶顶凹槽23，对叶尖区域进行进一步冷却并与叶尖泄露流动掺混；进入冲击后腔室22的冷却空气可以通过叶片尾缘34上的尾缘喷射孔4直接排入主流燃气；进入冲击后腔室22的冷却空气可以通过布置在压力面32、吸力面31和前缘33上的气膜冷却孔2进入主流燃气。

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。