CN106014496A - 一种采用回转直列孔通道封闭式冷却结构的涡轮导向叶片 - Google Patents

一种采用回转直列孔通道封闭式冷却结构的涡轮导向叶片 Download PDF

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何建元
王志强
张立超
徐波
王林
宋少雷
舒春英
赵旭东
牛夕莹
霍玉鑫
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Abstract

本发明属于燃气轮机设备技术领域,具体涉及一种采用回转直列孔通道封闭式冷却结构的涡轮导向叶片，包括叶型压力面、叶型吸力面、上缘板及下缘板，上缘板外侧的顶部设有上回转腔和排气导管，下缘板外侧底部设有下回转腔和进气导管；叶型压力面及叶型吸力面上设有第一组直列孔、第二组直列孔及第三组直列孔；第一组直列孔包括前缘直列孔、第一压力面直列孔及第一吸力面直列孔；第二组直列孔包括第二压力面直列孔和第二吸力面直列孔；第三组直列孔包括第三压力面直列孔、第三吸力面直列孔、叶片内腔后部直列孔及尾缘通道；上缘板设有通气孔。本发明的结构简单，设计合理，冷气利用率高，高效节能，安全环保。

Description

一种 采用回转直列孔通道封闭式冷却结构的涡轮导向叶片
技术领域：
本发明属于燃气轮机设备技术领域,具体涉及一种采用回转直列孔通道封闭式冷却结构的涡轮导向叶片。
背景技术：
燃气轮机是将高温、高压燃烧气体的热能转化为机械能的装置，涡轮导向叶片作为燃气轮机中最先接触高温燃气的部件，工作在高热负荷环境中，需要对其进行有效地冷却。随着燃气轮机技术不断发展, 涡轮进口温度提高速度越来越快，由于新研制材料的难度越来越大、传统冷却工质-空气的载热性质较差，采用蒸汽冷却技术能够较好地弥补空气冷却的缺点。一方面水蒸汽大热容、高导热率的物理性质更适用于冷却，另一方面，蒸汽冷却技术的应用可以减少冷却空气用量，有利于提高燃气轮机热效率、降低NOx等污染物排放。
发明 内容：
本发明弥补和改善了上述现有技术的不足之处，提供了一种结构简单、设计合理、冷气利用率高、高效节能、安全环保的一种采用回转直列孔通道封闭式冷却结构的涡轮导向叶片，可以大规模地推广和使用。
本发明采用的技术方案为：一种采用回转直列孔通道封闭式冷却结构的涡轮导向叶片，包括叶型压力面、叶型吸力面、叶型压力面与叶型吸力面交界的叶型前缘和叶型尾缘、上缘板及下缘板，上缘板外侧的顶部设有上回转腔和排气导管，下缘板外侧底部设有下回转腔和进气导管；所述的叶型压力面及叶型吸力面上设有第一组直列孔、第二组直列孔及第三组直列孔；第一组直列孔包括前缘直列孔、第一压力面直列孔及第一吸力面直列孔，其中前缘直列孔的数量为1个，第一压力面直列孔及第一吸力面直列孔的数量均大于1个；第二组直列孔包括第二压力面直列孔和第二吸力面直列孔，且第二压力面直列孔和第二吸力面直列孔的数量均大于1个；第三组直列孔包括第三压力面直列孔、第三吸力面直列孔、叶片内腔后部直列孔及尾缘通道，其中第三压力面直列孔、第三吸力面直列孔及叶片内腔后部直列孔的数量均大于1个；所述的上缘板设有通气孔。
所述的进气导管的数量及位置分布与第一组直列孔一致；所述的排气导管的数量及位置分布与第三组直列孔一致。
所述的上回转腔和下回转腔的外形尺寸及轮廓与对应的叶型压力面及叶型吸力面部位的外形尺寸及轮廓一致。
所述的进气导管的内孔口边缘设有45度直倒角。
所述的尾缘通道为楔形设计。
本发明的有益效果：结构简单，设计合理，冷气利用率高，高效节能，安全环保，易于大规模地推广和使用。针对蒸汽冷却设计的闭式冷却结构涡轮导向叶片，为了降低叶片工作温度，在叶片壁内部设计大量圆形并具有一定扭曲规律的冷却直列孔，这使得叶片结构简单，易于加工制造，而且通过顶部回转腔和底部回转腔将所有直列孔分为三组，因此结构冷气流向固定、冷气利用率高并且流动损失小，形成了单一进口、单一出口并且燃气与冷气通道隔离的闭式冷却结构叶片，提高了冷气利用率；上回转腔与下回转腔同样具有一定的扭曲规律，上回转腔两侧壁面为沿压力面与吸力面叶型向上缘板外侧的延伸，下回转腔两侧壁面为沿压力面与吸力面叶型向下缘板外侧的延伸，这样可以更好地顺应冷气流动设计合理，高效节能，安全环保。
附图说明：
图1是本发明的三维结构示意图。
图2是图1的后视旋转后的三维结构示意图。
图3是图1的A向结构示意图。
图4是图1的B-B剖视结构示意图。
图5是本发明的冷却蒸汽流动示意图。
具体实施方式：
参照各图，一种采用回转直列孔通道封闭式冷却结构的涡轮导向叶片，包括叶型压力面1、叶型吸力面2、叶型压力面1与叶型吸力面2交界的叶型前缘3和叶型尾缘4、上缘板5及下缘板6，上缘板5外侧的顶部设有上回转腔7和排气导管10，下缘板6外侧底部设有下回转腔8和进气导管9；所述的叶型压力面1及叶型吸力面2上设有第一组直列孔11、第二组直列孔12及第三组直列孔13；第一组直列孔11包括前缘直列孔14、第一压力面直列孔15及第一吸力面直列孔16，其中前缘直列孔14的数量为1个，第一压力面直列孔15及第一吸力面直列孔16的数量均大于1个；第二组直列孔12包括第二压力面直列孔17和第二吸力面直列孔18，且第二压力面直列孔17和第二吸力面直列孔18的数量均大于1个；第三组直列孔13包括第三压力面直列孔19、第三吸力面直列孔20、叶片内腔后部直列孔21及尾缘通道22，其中第三压力面直列孔19、第三吸力面直列孔20及叶片内腔后部直列孔21的数量均大于1个；所述的上缘板5设有通气孔23；所述的进气导管9的数量及位置分布与第一组直列孔11一致；所述的排气导管10的数量及位置分布与第三组直列孔13一致；所述的上回转腔7和下回转腔8的外形尺寸及轮廓与对应的叶型压力面1及叶型吸力面2部位的外形尺寸及轮廓一致；所述的进气导管9的内孔口边缘设有45度直倒角；所述的尾缘通道22为楔形设计。
气流由进气导管9进入叶身后经由第一组直列孔11，在对叶片前部进行对流冷却后，流入顶部的上回转腔7，形成气体回转流25，流入第二组直列孔12，对叶片中部进行对流冷却后，经过底部的下回转腔8，形成气体回转流26，流入第三组直列孔，对叶片后部和尾部进行对流冷却后，由叶片顶部排气导管10排出，每组孔内气体流向固定，最终由叶片顶部排气导管10流出，由此确定了整个冷却用蒸汽的流路，形成了单一进口、单一出口并且燃气与冷气通道相隔离的闭式冷却结构叶片，提高了冷气利用率，叶片内壁面会形成一处封闭腔室，为了避免出现死腔，在叶片上缘板处开有通气孔23；直列孔具有一定的扭曲规律，是横截面为圆形的冷却专用通道，贯通叶片叶身、上缘板5与下缘板6，孔延伸方向与叶片外部燃气流动方向近乎垂直；上回转腔7和下回转腔8同样具有一定的扭曲规律，上回转腔7两侧壁面为沿压力面与吸力面叶型向上缘板外侧的延伸，下回转腔8两侧壁面为沿压力面与吸力面叶型向下缘板外侧的延伸，这样可以更好地顺应冷气流动。
上缘板5用于安装并固定在燃气轮机涡轮机匣上，直列孔位于叶片外壁面和内壁面之间，其中前缘处和叶型内壁末端孔径相对较大，尾缘处设有一处楔形冷却通道。另外，位于叶型内壁和上下缘板内壁处存在一处空腔，为了避免形成死腔，空腔顶部上缘板侧至少设置一处通气孔。叶型的壁面中至少布置一个直列孔，直列孔是在叶型壁面中贯通叶片的下缘板5、叶身和叶片的上缘板6的圆孔型通道，用于通流冷却用蒸汽，根据叶型壁厚度，进行直列冷却孔数量、分布的设计；直列孔中至少一个具有沿径向的扭曲规律，扭曲规律来自叶型外部设计，位于叶片前缘的直列孔孔径大于叶片压力面和吸力面上的直列孔孔径，同样，位于叶片尾缘位置、叶片内腔后部的直列孔，至少有一个孔径大于叶片压力面和吸力面上的直列孔孔径。所述尾缘楔形冷却通道，作为末端冷却蒸汽的流动区域，位于叶片的尾缘位置，贯穿叶片上下缘板与叶身，具有沿径向的扭曲规律，扭曲规律来自叶型外部设计。上回转腔7及下回转腔8适合叶型设计，两侧型面为叶型压力面1和叶型吸力面2向上、下缘板的延伸部分，结合顶盖和侧边盖板，合围成上回转腔7和下回转腔8。从冷气流动方向上来看，上回转腔7用于将第一组进气直列孔的气流方向进行回转，回转后的气流经过第二组直列孔流入下回转腔8，下回转腔8将气流方向再次回转后，经过第三组直列孔由上缘板5顶部排出叶身，每组直列孔中至少包含一个位于叶型压力面的直列孔和一个位于叶型吸力面的直列孔。叶片下缘板6底部包含至少一个进气导管9，所有进气导管9顶部处于一个半径高度位置；叶片上缘板5顶部包含至少一个排气导管10，所有排气导管10顶部处于一个半径高度位置。
涡轮导向叶片用来实现燃气轮机高温涡轮叶片的蒸汽冷却，冷却用蒸汽通过叶片底部进气导管9进入叶型壁面内部的直列孔，采用对流的冷却方式对叶身壁面进行冷却，通过上回转腔7和下回转腔8将大量冷却直列孔分为三组，每组孔内气体流向固定，最终由叶片顶部排气导管10流出，由此确定了整个冷却用蒸汽的流路，形成了单一进口、单一出口并且燃气与冷气通道相隔离的闭式冷却结构叶片，提高了冷气利用率。本发明的结构简单，设计合理，冷气利用率高，高效节能，安全环保，易于大规模地推广和使用。

Claims (5)

1.一种采用回转直列孔通道封闭式冷却结构的涡轮导向叶片，包括叶型压力面（1）、叶型吸力面（2）、叶型压力面（1）与叶型吸力面（2）交界的叶型前缘（3）和叶型尾缘（4）、上缘板（5）及下缘板（6），其特征在于：上缘板（5）外侧的顶部设有上回转腔（7）和排气导管（10），下缘板（6）外侧底部设有下回转腔（8）和进气导管（9）；所述的叶型压力面（1）及叶型吸力面（2）上设有第一组直列孔（11）、第二组直列孔（12）及第三组直列孔（13）；第一组直列孔（11）包括前缘直列孔（14）、第一压力面直列孔（15）及第一吸力面直列孔（16），其中前缘直列孔（14）的数量为1个，第一压力面直列孔（15）及第一吸力面直列孔（16）的数量均大于1个；第二组直列孔（12）包括第二压力面直列孔（17）和第二吸力面直列孔（18），且第二压力面直列孔（17）和第二吸力面直列孔（18）的数量均大于1个；第三组直列孔（13）包括第三压力面直列孔（19）、第三吸力面直列孔（20）、叶片内腔后部直列孔（21）及尾缘通道（22），其中第三压力面直列孔（19）、第三吸力面直列孔（20）及叶片内腔后部直列孔（21）的数量均大于1个；所述的上缘板（5）设有通气孔（23）。
2.根据权利要求1所述的一种采用回转直列孔通道封闭式冷却结构的涡轮导向叶片，其特征在于：所述的进气导管（9）的数量及位置分布与第一组直列孔（11）一致；所述的排气导管（10）的数量及位置分布与第三组直列孔（13）一致。
3.根据权利要求1所述的一种采用回转直列孔通道封闭式冷却结构的涡轮导向叶片，其特征在于：所述的上回转腔（7）和下回转腔（8）的外形尺寸及轮廓与对应的叶型压力面（1）及叶型吸力面（2）部位的外形尺寸及轮廓一致。
4.根据权利要求1所述的一种采用回转直列孔通道封闭式冷却结构的涡轮导向叶片，其特征在于：所述的进气导管（9）的内孔口边缘设有45度直倒角。
5.根据权利要求1所述的一种采用回转直列孔通道封闭式冷却结构的涡轮导向叶片，其特征在于：所述的尾缘通道（22）为楔形设计。
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