CN105888737A - 一种新型高压涡轮动叶空气冷却结构 - Google Patents

一种新型高压涡轮动叶空气冷却结构 Download PDF

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张立超
何建元
牛夕莹
侯隆安
王志强
马海红
赵旭东
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades

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Abstract

本发明提出一种新型高压涡轮动叶空气冷却结构。高温涡轮空气冷却动叶的叶身内部有冷却通道，叶片前缘处有带肋冷却通道，叶身中部设有蛇形冷却通道，叶片尾缘处设有矩阵式冷却通道，矩阵式冷却通道后接有梳齿状冷却通道，梳齿状冷却通道与叶片外部相通，叶根底部有前进气口和后进气口。本发明具有如下有益效果：根据工作条件要求并考虑工艺性设计的高压涡轮动叶，为降低叶片工作温度，在叶片前缘采用带肋冷却通道，在叶片中部采用蛇形冷却通道，叶片尾缘采用矩阵式冷却通道，这使叶片结构较全矩阵式冷却叶片简单，降低了制造难度，采用带冠叶片，减少气流的端部损失，提高了气动效率，同时减少了叶片的震动，增加了叶片的寿命。

Description

一种新型高压涡轮动叶空气冷却结构
技术领域：
本发明涉及燃气轮机领域，具体涉及一种新型高压涡轮动叶空气冷却结构。
背景技术：
随着现代燃气轮机技术的发展，燃气轮机涡轮进口温度不断提高，当前耐热材料的研发速度已不能满足涡轮进口温度的要求，为保证涡轮叶片在高温环境下正常运行，达到设计寿命，必须采用先进、高效的冷却技术降低涡轮叶片温度，叶片冷却技术可分为内部冷却与外部冷却两种，内部冷却即冷却空气于叶片内部通道强化对流换热吸收叶片热量，外部冷却是指通过冷却空气隔绝高温燃气与叶身的直接接触。动叶为旋转工作叶片，只能采用内部冷却技术，动叶内部的冷却结构主要有带肋蛇形冷却通道、矩阵式等，蛇形冷却通道可以看作若干直通道流程与U形拐角连接组合而成的冷却结构，因其结构简单且冷却效果较好，得到了广泛的应用，矩阵式冷却通道首先由苏联设计并使用，其上下壁面的肋片交错布置，形成网格状的结构，该结构具有较大的换热面积和较强的换热能力，但流动阻力也较大。
采用矩阵式冷却通道的叶片冷却效率较高，但因结构复杂，导致叶片制造难度大，采用精密铸造方法的高压涡轮动叶铸造成功率仅在60%-70%，而采用蛇形冷却通道的叶片因其结构简单，制造难度较小。
发明内容：
为了解决上述问题，本发明旨在提出一种新型高压涡轮动叶空气冷却结构。
本发明的技术方案是：一种新型高压涡轮动叶空气冷却结构，包括高温涡轮空气冷却动叶叶片的枞树形叶根、叶冠、叶型压力面、叶型吸力面、叶片前缘和叶片尾缘，以及叶身向叶根、叶冠的过渡圆角，高温涡轮空气冷却动叶的叶身内部有冷却通道，叶片前缘处有带肋冷却通道，叶身中部设有蛇形冷却通道，叶片尾缘处设有矩阵式冷却通道，叶根底部有前进气口和后进气口，叶片尾缘采用双尾缘设计，开有劈缝。
叶身前缘布置带肋冷却通道，所述的带肋冷却通道，起始于前进气孔，在叶身中贯通叶根和叶身前缘，并在接近叶冠处通过L形拐角后与矩阵式冷却通道相连，该通道外形根据叶型壁厚度及叶型外部的沿径向扭曲规律设计。
所述的蛇形冷却通道，是由若干个直通道与的U形拐角连接组成，首个直通道起始于后进气孔，最后一个直通道与矩阵式冷却通道相连，蛇形冷却通道的设计与分布决定于叶型壁厚与叶片外部的扭曲规律。
所述的矩阵式冷却通道，由叶片尾缘两侧壁面上的肋片在通道中交错而成，在矩阵式冷却通道后接有梳齿状冷却通道，梳齿状冷却通道与叶片外部相通。
本发明具有如下有益效果：根据工作条件要求并考虑工艺性设计的高压涡轮动叶，为降低叶片工作温度，在叶片前缘采用带肋冷却通道，在叶片中部采用蛇形冷却通道，叶片尾缘采用矩阵式冷却通道，这使叶片结构较全矩阵式冷却叶片简单，降低了制造难度，采用带冠叶片，减少气流的端部损失，提高了气动效率，同时减少了叶片的震动，增加了叶片的寿命。
附图说明：
附图1和附图2是高温涡轮空气冷却动叶三维模型图；
附图3是附图1的A向视图；
附图4是高温涡轮空气冷却动叶内部结构示意图。
图中1-叶型压力面，2-叶型吸力面，3-叶型前缘，4-叶型尾缘，5-叶冠，6-叶根，7-前进气口，8-后进气口，9-带肋冷却通道，10-蛇形冷却通道10，11-梳齿状冷却通道，12-矩阵式冷却通道。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明：
由图1结合图2～4所示，一种新型高压涡轮动叶空气冷却结构，包括高温涡轮空气冷却动叶叶片的枞树形叶根6、叶冠5、叶型压力面1、叶型吸力面2、叶片前缘3和叶片尾缘4，以及叶身向叶根、叶冠的过渡圆角，高温涡轮空气冷却动叶的叶身内部有冷却通道，叶片前缘3处有带肋冷却通道9，叶身中部设有蛇形冷却通道10，叶片尾缘4处设有矩阵式冷却通道12，叶根6底部有前进气口7和后进气口8，叶片尾缘4采用双尾缘设计，开有劈缝，用于冷却空气的流出。
叶身前缘3布置带肋冷却通道9，所述的带肋冷却通道9，起始于前进气孔7，在叶身中贯通叶根6和叶身前缘3，并在接近叶冠5处通过L形拐角后与矩阵式冷却通道12相连，该通道外形根据叶型壁厚度及叶型外部的沿径向扭曲规律设计，为增加冷却效率，该通道带肋。
所述的蛇形冷却通道10，是由若干个直通道与的U形拐角连接组成，首个直通道起始于后进气孔8，最后一个直通道与矩阵式冷却通道12相连，蛇形冷却通道10的设计与分布决定于叶型壁厚与叶片外部的扭曲规律。
所述的矩阵式冷却通道12，由叶片尾缘4两侧壁面上的肋片在通道中交错而成，在矩阵式冷却通道12后接有梳齿状冷却通道11，梳齿状冷却通道11与叶片外部相通，冷却空气由该结构中流出叶片。
部分冷却空气由前进气口7进入叶片，流入带肋冷却通道9冷却叶片前缘3后，经过叶片上端冷却通道对叶片中部上端进行冷却，进入矩阵式冷却通道12冷却叶片尾缘上端后流入梳齿状冷却通道13，并从通道中流出叶片，对双尾缘结构上端进行冷却；另外的冷却空气由后进气口8进入叶片，流入蛇形冷却通道10，在对叶身中部下端冷却后，进入矩阵式冷却通道12冷却叶片尾缘下端后流入梳齿状冷却通道13，并从通道中流出叶片，对双尾缘结构下端进行冷却。
根据工作条件要求并考虑工艺性设计的高压涡轮动叶，为降低叶片工作温度，在叶片前缘采用带肋冷却通道，在叶片中部采用蛇形冷却通道，叶片尾缘采用矩阵式冷却通道，这使叶片结构较全矩阵式冷却叶片简单，降低了制造难度，采用带冠叶片，减少气流的端部损失，提高了气动效率，同时减少了叶片的震动，增加了叶片的寿命。

Claims (4)

1.一种新型高压涡轮动叶空气冷却结构，包括高温涡轮空气冷却动叶叶片的枞树形叶根(6)、叶冠(5)、叶型压力面(1)、叶型吸力面(2)、叶片前缘(3)和叶片尾缘(4)，以及叶身向叶根、叶冠的过渡圆角，其特征在于：高温涡轮空气冷却动叶的叶身内部有冷却通道，叶片前缘(3)处有带肋冷却通道(9)，叶身中部设有蛇形冷却通道(10)，叶片尾缘(4)处设有矩阵式冷却通道(12)，叶根(6)底部有前进气口(7)和后进气口(8)，叶片尾缘(4)采用双尾缘设计，开有劈缝。
2.根据权利要求1所述的一种新型高压涡轮动叶空气冷却结构，其特征在于：叶身前缘(3)布置带肋冷却通道(9)，所述的带肋冷却通道(9)，起始于前进气孔(7)，在叶身中贯通叶根(6)和叶身前缘(3)，并在接近叶冠(5)处通过L形拐角后与矩阵式冷却通道(12)相连，该通道外形根据叶型壁厚度及叶型外部的沿径向扭曲规律设计。
3.根据权利要求1所述的一种新型高压涡轮动叶空气冷却结构，其特征在于：所述的蛇形冷却通道(10)，是由若干个直通道与的U形拐角连接组成，首个直通道起始于后进气孔(8)，最后一个直通道与矩阵式冷却通道(12)相连，蛇形冷却通道(10)的设计与分布决定于叶型壁厚与叶片外部的扭曲规律。
4.根据权利要求1所述的一种新型高压涡轮动叶空气冷却结构，其特征在于：所述的矩阵式冷却通道(12)，由叶片尾缘(4)两侧壁面上的肋片在通道中交错而成，在矩阵式冷却通道(12)后接有梳齿状冷却通道(11)，梳齿状冷却通道(11)与叶片外部相通。
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