燃气轮机的双层结构叶片和燃气轮机的制作方法

1.本发明涉及燃气轮机技术领域，还涉及一种燃气轮机的双层结构叶片和具有这种叶片的燃气轮机。


背景技术：

2.燃气轮机是一种重要的动力机械，在航空推进、船舶推进、发电等诸多领域都有其重要应用。目前燃气轮机的透平进口温度已远高于高温合金的耐热极限温度，必须采取相应措施来降低叶片运行温度，所以叶片冷却成为保障叶片安全可靠运行的燃机重大关键技术之一。
3.透平高温叶片普遍采用空心结构，通过从压气机抽取的高压气体来对叶片内部进行冷却。目前广泛使用的叶片的冷却方式主要包括冲击冷却、带肋通道冷却、柱肋冷却、气膜冷却等，但是这些冷却方式的强化换热能力仍然有限，无法满足更高热载荷的先进燃机运行条件。并且随着几十年的技术发展，对上述冷却方式的研究已相对充分，其冷却效果已接近自身的技术极限，若想大幅提升冷却效果，现有典型叶片内部结构较难实现。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种具有优异冷却效果的燃气轮机的叶片。本发明的实施例还提出一种燃气轮机。
5.本发明实施例的燃气轮机的双层结构叶片的前缘处设有连通的前缘流道和第一出气口，所述叶片的尾缘处设有连通的尾缘流道和第二出气口，所述叶片还具有进气口；所述叶片包括外壳和内壳，所述内壳设在所述外壳限定的腔室中并与所述外壳形成环绕所述内壳的环形流道，所述内壳位于所述前缘流道与所述尾缘流道之间，所述内壳内限定出与所述进气口连通的内壳流道，所述内壳的靠近所述尾缘流道的一侧设有开口以便所述内壳流道与所述环形流道的进气端连通，所述环形流道的出气端与所述尾缘流道连通，其中，所述内壳流道内的冷却气进入所述环形流道后流经所述外壳的压力面和吸力面中的每一者对应的内壁面，进入所述尾缘流道。
6.本发明实施例提供的燃气轮机的叶片通过双层结构设计，在外壳和内壳之间限定出环形流道，能够显著增加冷气在叶片内部的换热面积，流量不变的情况下冷气能够带走更多的热量，大大提升冷却效率和换热能力，显著提高对叶片压力面和吸力面的冷却效果。此外，前缘流道和尾缘流道对叶片的前缘和尾缘起到良好的冷却作用。
7.在一些实施例中，所述环形流道内设有第一柱肋结构，所述第一柱肋结构包括若干第一柱肋。
8.在一些实施例中，所述尾缘处设有第二柱肋结构，所述第二柱肋结构包括若干第二柱肋，若干所述第二柱肋限定出所述尾缘流道。
9.在一些实施例中，所述前缘处设有至少一个沿所述叶片的长度方向延伸的冲击
板，所述冲击板上设有至少一个贯穿的冲击孔，所述冲击孔与所述第一出气口相对。
10.在一些实施例中，所述进气口设在所述叶片的底部，所述进气口包括第一进气口和第二进气口，所述第一进气口与所述前缘流道的底部连通，所述第二进气口与所述内壳流道的底部连通。
11.在一些实施例中，双层结构叶片还包括第一隔板，所述第一隔板设在所述外壳内并位于所述前缘流道与所述环形流道之间。
12.在一些实施例中，所述内壳中设有若干沿叶片长度方向延伸的流道壁，所述若干流道壁限定出蛇形的所述内壳流道，蛇形的所述内壳流道包括若干沿叶片长度方向延伸的流道段。
13.在一些实施例中，所述若干流道壁在前缘-尾缘方向上间隔设置，远离所述尾缘的所述流道段与所述进气口连通，靠近所述尾缘的所述流道段与所述环形流道的进气端连通。
14.在一些实施例中，双层结构叶片还包括与所述内壳和所述外壳中的每一者相连的第二隔板，所述第二隔板设在所述尾缘流道与所述环形流道之间，用于隔离所述尾缘流道与所述环形流道的进气端。
15.本发明另一方面实施例的燃气轮机，包括根据上述任一项实施例中的叶片。
附图说明
16.图1是本发明实施例提供的燃气轮机的叶片的轮廓图。
17.图2是本发明实施例提供的燃气轮机的叶片的a-a截面图。
18.图3是图2的b-b截面图。
19.图4是本发明一个实施例提供的第二柱肋结构的示意图。
20.图5是本发明另一个实施例提供的第二柱肋结构的示意图。
21.附图标记：
22.叶片100、
23.外壳1、腔室、环形流道12、第一柱肋121、
24.内壳2、内壳流道21、开口22、流道壁23、流道段24、
25.前缘3、前缘流道31、第一出气口32、
26.尾缘4、尾缘流道41、第二出气口42、第二柱肋43、
27.压力面5、
28.吸力面6、
29.第一隔板71、第二隔板72、
30.第一进气口81、第二进气口82、冲击板91。
具体实施方式
31.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
32.下面根据图1-图5描述本发明实施例提供的燃气轮机的叶片100。叶片100具有前缘3 和尾缘4，本领域的技术人员可知，前缘3为叶片100的外轮廓较宽的一侧，尾缘4为叶片
100的外轮廓较窄的一侧。叶片100的两个外侧壁面分别为向内凹陷的压力面5和向外突出的吸力面6。其中，前缘3处设有连通的前缘流道31和第一出气口32，叶片100的尾缘4处设有连通的尾缘流道41和第二出气口42。叶片100还具有进气口，冷却气从进气口进入叶片100，并可沿前缘流道31和尾缘流道41流动，前缘流道31冷却气从第一出气口32喷出，尾缘流道41冷却气从第二出气口42喷出，以实现对叶片100的前缘3和尾缘 4的冷却。
33.叶片100包括外壳1和内壳2。第一出气口32和第二出气口42均设在外壳1上，前缘流道31和尾缘流道41均位于外壳1内部。内壳2设在外壳1限定的腔室中，并与外壳1 形成环绕内壳2的环形流道12，内壳2位于前缘流道31与尾缘流道41之间。环形流道12 具有进气端和出气端。内壳2内限定出与进气口连通的内壳流道21，内壳2的靠近尾缘流道41的一侧设有开口22，以便内壳流道21与环形流道12的进气端连通，环形流道12的出气端与尾缘流道41连通。
34.冷却气通过进气口进入内壳流道21中，并通过环形流道12的进气端进入环形流道12，围绕内壳2流动，并流经压力面5和吸力面6中的每一者对应的内壁面，通过环形流道12 的出气端进入尾缘流道41中，并从与尾缘流道41对应的第二出气口42喷出，冷却气在环形流道12中的流动能够对压力面5和吸力面6实现有效的冷却。
35.本发明实施例提供的燃气轮机的叶片通过双层结构设计，外壳和内壳之间限定出环形流道，当冷却器从内壳中流入环形流道后环绕内壳一周，并且在该过程中冷却气先后流经压力面的内壁面和吸力面的内壁面(或者先后流经吸力面的内壁面和压力面的内壁面)，并最终从尾缘处喷出，如此设置能够显著增加冷气在叶片内部的换热面积，流量不变的情况下冷气能够带走更多的热量，大大提升冷却效率和换热能力，显著提高对叶片压力面和吸力面的冷却效果。此外，前缘流道和尾缘流道对叶片的前缘和尾缘起到良好的冷却作用。
36.因此，本发明实施例提供的燃气轮机的叶片可以显著提升内部结构的换热能力，大大提高冷却气对高温叶片的冷却效果。
37.为了表述方便，以图2所示的叶片100的长度方向为上下方向，前缘-尾缘方向为前后方向为例，描述本发明实施例的技术方案，上下方向和前后方向如图2中的箭头所示。
38.在一些实施例中，如图2所示，进气口设在叶片的底部，进气口包括第一进气口81和第二进气口82，第一进气口81与前缘流道31的底部连通，冷却气从第一进气口81向上流入前缘流道31中，第二进气口82与内壳流道21的底部连通，冷却气从第二进气口82 向上流入内壳流道21中。
39.在一些实施例中，如图2和图3所示，叶片100包括第一隔板71。第一隔板71设在外壳1内并位于前缘流道31与环形流道12之间，用于隔离前缘流道31与环形流道12。具体地如图1所示，第一隔板71沿竖直方向延伸，并与腔室的两个侧壁面相连。
40.进一步地，前缘3处设有至少一个沿叶片的长度方向延伸的冲击板91，冲击板91上设有至少一个贯穿的冲击孔，冲击孔与第一出气口32相对。如图2和图3所示，前缘流道 31为冲击冷却通道结构，冲击板91将第一隔板71前方的空间隔离为前后两个流道，即冲击板91与外壳1的内壁面之间的流道，以及冲击板91与第一隔板71之间的流道，两个流道通过冲击孔连通。第一进气口81与靠近冲击板91后方的流道的底部连通，冷却气通过第一进气口81进入冲击板91后方的流道并向上流通，通过冲击板91上的冲击孔向前喷射，进入冲击板
91前方的流道中，对前缘3的内壁产生冲击冷却的作用。最终从第一出气口 32喷出叶片100。
41.在一些实施例中，如图2和图3所示，叶片100还包括与内壳2和外壳1中的每一者相连的第二隔板72，第二隔板72设在尾缘流道41与环形流道12之间，用于隔离尾缘流道41与环形流道12的进气端。具体地，如图2和图3所示，第二隔板72沿竖直方向延伸，一侧与内壳2的后端相连，另一侧与外壳1的内壁面相连，以便从内壳2后侧的开口22处流出的冷却气只能进入环形流道12中。
42.可选地，内壳2后侧设置的开口22可以为孔状或缝状等，本发明不做限制。将开口22 设置在内壳2的靠近尾缘流道41的一侧(即后侧)，可以使环形流道12的进气端和出气端尽量地靠近，从而最大程度上延长环形流道12的长度，确保冷却气可以最大程度地与外壳 1的内壁面接触。
43.在一些实施例中，环形流道12中设有第一柱肋结构，第一柱肋结构包括若干第一柱肋 121。进入环形流道12中的冷却气沿着第一柱肋121之间形成的间隙流通，在增大换热面积的同时，还可以增强叶片100的结构强度。
44.作为示例，如图2和图3所示，位于内壳2和第一隔板71之间的第一柱肋121的第一端与第一隔板71的朝向环形流道12的一侧相连，第二端与内壳2的外壁面相连，其他第一柱肋121的第一端与外壳1的内壁面相连，第二端与内壳2的外壁面相连。第一柱肋121 在上下方向上和环绕内壳2的周向上间隔分布。第一柱肋121的设置进一步增大了冷却气的换热面积，强化了换热能力，从而进一步增强了冷却效果。此外，由于第一柱肋121的支撑作用，叶片100的结构强度也得到了提高。
45.进一步地，第一柱肋121的导热效应还可以在一定程度上降低内壳2和外壳1之间的温度差，使叶片100的内外温度更均匀，减小了热应力。
46.可选地，第一柱肋121的为圆柱肋或棱柱肋。优选地，第一柱肋121为棱柱肋，例如，第一柱肋121的横截面形状为四棱柱。棱柱肋与圆柱肋相比，具有更高的强化换热能力，从而使本发明实施例提供的叶片100具有更好的冷却效果。
47.在一些实施例中，如图2和图3所示，尾缘处设有第二柱肋结构，第二柱肋结构包括若干第二柱肋43，若干第二柱肋43限定出尾缘流道41的。进入尾缘流道41的冷却气在第二柱肋43之间穿梭，与第二柱肋43接触后改变方向，从而实现冷却气在尾缘处翻腾，延长了冷却气在尾缘流道41中的流通时间，进而提高了散热效果。
48.如图2和图3所示，第二柱肋43的两端分别与腔室的两个侧壁面相连，若干第二柱肋 43在上下方向和前后方向上间隔设置，在增大换热面积、强化换热效果的同时，起到了增强尾缘4处结构强度的作用。
49.进一步地，第二柱肋结构中的若干第二柱肋43交错排布。如图2所示，第二柱肋43 组成多排，每排包括多个沿前后方向间隔排布的第二柱肋43，相邻两排第二柱肋43在上下方向上交错排布。如此，可以进一步延长尾缘流道41的长度，延长冷却气在尾缘流道 41中的流通时间，提高散热冷却效果。
50.可选地，第二柱肋43的为圆柱肋或棱柱肋。优选地，第二柱肋43为棱柱肋，例如，如图4所示，第二柱肋43的横截面形状为菱形。如图5所示，第二柱肋43的横截面为矩形。图中箭头为冷却气的流通方向。棱柱肋与圆柱肋相比，具有更高的强化换热能力，从而使本发明
实施例提供的叶片100具有更好的冷却效果。
51.在一些实施例中，如图2和图3所示，内壳2中设有若干沿叶片100长度方向(上下方向)延伸的流道壁23，若干流道壁23限定出蛇形的内壳流道21，蛇形的内壳流道21包括若干沿叶片长度方向(上下方向)延伸的流道段24。若干流道壁23在前缘-尾缘方向(前后方向)上间隔设置，远离尾缘4的流道段24与第二进气口82连通，靠近尾缘4的流道段24与环形流道12的进气端连通。
52.具体地，如图2和图3所示，内壳2内设置有三个竖直设置的流道壁23，三个流道壁 23在前后方向上间隔排布，并且将内壳2的内部空间限定出蛇形的内壳流道21，内壳流道 21包括四段竖直延伸的流道段24，相邻流道段24首尾相连。第二进气口82与位于最前方的流道段24的底部连通，位于最后方的流道段24与开口22连通，进而与环形流道12的进气端连通。
53.蛇形的内壳流道21延长了冷却气在内壳流道21中的流通路径的长度和时间，从而进一步提高了冷却气的换热能力，增强了换热效果。
54.可以理解的是，在其他实施例中，可以在内壳2内设置有更多数量的流道壁23以进一步延长内壳流道21的长度。
55.下面根据图2和图3描述上述实施例中的叶片100的冷却原理和冷却过程。
56.冷却气在叶片100内部的流通路径具体地如图2和图3中的箭头所示，一部分冷却气从底部的第一进气口81进入前缘流道31，随后通过冲击板91上的冲击孔后从第二出气口 32喷出，以实现前缘3的冷却。另一部分冷却气从底部的第二进气口82进入内壳流道21，并沿蛇形的内壳流道21向后流通，从内壳2后侧的开口22流入环形流道12，并沿着环形流道12环绕内壳2流通，在环形流道12中，冷却气与第一柱肋结构接触换热，还与压力面5和吸力面6对应的内壁面接触换热，实现对压力面5和吸力面6的有效冷却。从环形流道12流出的冷却气进入尾缘流道41中，沿尾缘流道41流通后从第二出气口42喷出，实现对尾缘4的有效冷却，同时尾缘4中的第二柱肋结构强化换热。
57.上述实施例中的燃气轮机的叶片前缘3使用冲击冷却，尾缘4采用柱肋通道冷却，中部使用双层结构冷却。通过双层结构设计对压力面5和吸力面6对应的内壁进行冷却，比传统带肋通道具有更强的换热能力，冷却气的换热面积显著增大，相同流量下冷气将带走更多的热量，大大提升了冷却气的利用效率。并且在环形流道12中使用柱肋结构进一步增强换热能力。因此本发明实施例提供的叶片100具有良好的冷却效果。
58.本发明的另一个实施例提供了一种燃气轮机，该燃气轮机包括上述任一项实施例中的叶片100。
59.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
60.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三
个等，除非另有明确具体的限定。
61.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
62.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
63.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
64.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。