專利名稱：燃?xì)廨啓C的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃?xì)廨啓C的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，尤其是帶多個冷卻回路，強化葉片葉 型尾緣根部冷卻效果的轉(zhuǎn)子葉片。
背景技術(shù)：
隨著燃?xì)廨啓C渦輪進口燃?xì)鉁囟鹊牟粩嗵岣撸瑴u輪高溫部件所面臨的熱負(fù)荷環(huán)境 更加惡劣。為了保證高溫渦輪葉片的合理壽命，需要對其進行有效地冷卻，其中，尤其以高 溫渦輪轉(zhuǎn)子葉片的冷卻形式最為復(fù)雜。目前世界上最先進的渦輪轉(zhuǎn)子葉片均采用多冷卻回 路、蛇形通道強化對流冷卻的形式，以使葉片本體的溫度場和應(yīng)力分布保持在合理的水平。由于葉片的結(jié)構(gòu)特點，轉(zhuǎn)子葉片在高速旋轉(zhuǎn)時，葉片葉型與葉片平臺交界處(即 葉片葉型前緣、葉片尾緣根部)承受的拉伸應(yīng)力很大。同時，在具有蛇形通道的轉(zhuǎn)子葉片 里，冷卻氣體在經(jīng)過靠近葉片尾緣根部最后一個彎頭后，將沿徑向向葉頂方向流動。一方 面，由于彎頭幾何特征，冷卻氣體經(jīng)過彎頭后較難進入尾緣根部區(qū)域的噴射孔，而離心力的 作用更加劇了這一效果，大量的冷卻氣體向葉頂方向流動，而進入葉片尾緣根部區(qū)域的冷 卻氣體較少，導(dǎo)致該葉片尾緣根部區(qū)域冷卻效果較差，其溫度和熱應(yīng)力較大。在以上兩方 面因素作用下，渦輪轉(zhuǎn)子葉片尾緣根部區(qū)域極容易由于溫度過高或者熱應(yīng)力過大而高溫氧 化，出現(xiàn)裂紋、甚至燒蝕等失效現(xiàn)象。因此，需要在不增加總冷卻空氣量的情況下，對葉型尾緣根部區(qū)域進行更加有效 合理的冷卻，以降低所述葉片尾緣根部區(qū)域的溫度和熱應(yīng)力水平。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種燃?xì)廨啓C的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，使其在不增加總冷卻空氣量 的情況下，對葉片尾緣根部區(qū)域進行更加有效合理的冷卻，以降低葉片尾緣根部區(qū)域的溫度。本發(fā)明的技術(shù)方案如下—種燃?xì)廨啓C的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于所述轉(zhuǎn)子葉片包括葉片葉型、葉片葉 根以及連接葉片葉型和葉片葉根的葉片平臺；葉片葉型外表面由吸力面和壓力面構(gòu)成，吸 力面和壓力面交界區(qū)域分別為葉片前緣和葉片尾緣；葉片內(nèi)部包含三個冷卻回路用于所述葉片前緣冷卻的沖擊冷卻回路、用于葉片 頂部區(qū)域冷卻的強化對流冷卻回路、用于葉型中部和葉片尾緣冷卻的柱肋及噴射冷卻回 路；每個冷卻回路分別具有至少一個冷卻通道；所述葉片尾緣內(nèi)部布置了至少一個柱肋結(jié) 構(gòu)，并開有至少兩個噴射通孔，每兩個噴射通孔之間為一個噴射通孔分隔板；在柱肋及噴射冷卻回路內(nèi)，在葉片尾緣靠近葉片葉根處具有一個彎頭，在所述彎 頭內(nèi)設(shè)置有至少一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)，每個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)將所在的彎頭區(qū)域分成兩部分，所述每 個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)從所在的彎頭區(qū)域入口一直延伸連接至所述噴射通孔分隔板中的一個上，將 進入所述每個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)所在的彎頭區(qū)域的冷卻氣體分成兩股。
所述每個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)的厚度能改變，并且能夠改變所述每個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)所在的彎 頭區(qū)域內(nèi)兩股冷卻氣體入口通道的第一寬度dl和第二寬度d2。與所述每個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)連 接的噴射通孔分隔板(19)中的一個和葉片平臺之間的距離d3能改變。所述至少一個導(dǎo)流 片結(jié)構(gòu)與葉片葉型一體鑄造。所述沖擊冷卻回路、所述強化對流冷卻回路或所述柱肋及噴射冷卻回路的至少一 個冷卻通道內(nèi)壁面具有至少一個肋片結(jié)構(gòu)。所述葉片前緣布置了至少一個氣膜冷卻孔，所述沖擊冷卻回路內(nèi)設(shè)置有至少一個 沖擊冷卻孔；所述沖擊冷卻回路內(nèi)冷卻氣體經(jīng)過所述沖擊冷卻孔后，通過所述氣膜冷卻孔 流出。所述強化對流冷卻回路中設(shè)有第二葉頂冷卻通道，所述第二葉頂冷卻通道具有通 向燃?xì)庵髁鞯闹辽僖粋€開口。本發(fā)明具有以下優(yōu)點及突出性效果在靠近葉片尾緣根部的彎頭處，添加了至少 一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)。每個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)從所在的彎頭區(qū)域的入口一直延伸連接至尾緣噴射通孔 分隔板中的一個上，將進入每個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)所在彎頭區(qū)域的冷卻氣體分成兩股。一股專門 用于每個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)所在的葉片尾緣根部區(qū)域的冷卻，另一股則用于每個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)所在 的葉片尾緣其他區(qū)域的冷卻。通過改變每個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)的厚度或位置，可以改變兩股冷氣 的流量分配，從而達到預(yù)想的冷卻分配效果。同時，所述導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)還能起到減小彎頭區(qū)損 失系數(shù)的作用。


圖1是葉片三維視圖。圖2是本發(fā)明的燃?xì)廨啓C渦輪轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)部冷卻系統(tǒng)截面示意圖。圖3是圖2的A向視圖。圖4是葉片尾緣根部的放大視圖。圖5是圖2的B-B剖視圖。圖6是圖2的C-C剖視圖。圖中1-根部冷卻通道入口 ；2-氣膜冷卻孔；3-沖擊冷卻孔；4-噴射通孔；5-頂 部氣膜孔；11-葉片葉根；12-葉片平臺；13-葉片葉型；14-頂部封蓋；15-肋片結(jié)構(gòu)；16-柱 肋結(jié)構(gòu)；17-冷卻通道分隔板；18-導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)；181-導(dǎo)流片上方區(qū)域；182-導(dǎo)流片下方區(qū) 域；19-噴射通孔分隔板；20-葉型中弧線；21-第二沖擊冷卻通道；22-第一沖擊冷卻通 道；23-第一葉頂冷卻通道；24-第二葉頂冷卻通道；25-第一柱肋及噴射冷卻通道；26-第 二柱肋及噴射冷卻通道；27-第三柱肋及噴射冷卻通道；28-沖擊冷卻分隔板；31-吸力面； 32-壓力面；33-葉片前緣；34-葉片尾緣；181-導(dǎo)流片上方區(qū)域；182-導(dǎo)流片下方區(qū)域。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理、具體實施和工作過程做進一步的說明。附圖給出了本發(fā)明的一個具體的實施例。圖1是燃?xì)廨啓C高溫轉(zhuǎn)子葉片的三維視 圖，其包括葉片葉型13、葉片葉根11以及在葉片葉型和葉片葉根之間的葉片平臺12。沿葉 型中弧線20將葉片剖開，可以獲得葉片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。葉片內(nèi)部具有用于冷卻氣體流動的多個冷卻通道。冷卻氣體從壓氣機的合適位置抽出，沿燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)子軸系輸送 到轉(zhuǎn)子葉片的根部冷卻通道入口 1，根部冷卻通道入口的大小和數(shù)目根據(jù)所需冷卻氣體流 量及葉片強度綜合考慮進行選定。在葉片內(nèi)部有三個冷卻回路，其包括用于葉片前緣冷卻的沖擊冷卻回路、用于葉 片頂部區(qū)域冷卻的強化對流冷卻回路，以及用于葉片中部和葉片尾緣冷卻的柱肋及噴射冷 卻回路；這三個冷卻回路在葉片內(nèi)互不連通。一股冷卻氣體用于進行葉片前緣的沖擊冷卻 和氣膜冷卻，形成沖擊冷卻回路；一股冷卻氣體用于葉片頂部的冷卻，形成強化對流冷卻回 路；第三股冷卻氣體先經(jīng)過葉片葉型中部的強化對流冷卻，再流向葉片尾緣區(qū)域進行葉片 尾緣的柱肋冷卻和葉片尾緣噴射，形成柱肋及噴射冷卻回路。本實施例中，所述的沖擊冷卻回路包括第一沖擊冷卻通道22和第二沖擊冷卻通 道21，所述兩個沖擊冷卻通道由沖擊冷卻分隔板觀分開；所述沖擊冷卻分隔板上布置了至 少一個沖擊冷卻孔3。第一沖擊冷卻通道22壁面布置了具有強化對流冷卻效果的至少一個 肋片結(jié)構(gòu)15，冷卻氣體在第一沖擊冷卻通道22向葉片頂部方向流動時，沿程會通過布置在 沖擊冷卻分隔板觀上的至少一個沖擊冷卻孔3對第二沖擊冷卻通道21中的部分葉片前緣 內(nèi)壁面進行沖擊冷卻。在葉片前緣33的壁上，布置了至少一個氣膜冷卻孔2，冷卻氣體經(jīng)過 所述沖擊冷卻孔后，從所述氣膜冷卻孔2噴出，形成氣膜覆蓋在葉片吸力面31和葉片壓力 面32上，從而將高溫燃?xì)飧糸_。所述氣膜冷卻孔2的角度、孔徑等幾何尺寸以及數(shù)量根據(jù) 葉片氣動、傳熱等綜合影響效果來進行確定。用于葉片中部對流冷卻和葉片尾緣冷卻的柱肋及噴射冷卻回路包括第一柱肋及 噴射冷卻通道25、第二柱肋及噴射冷卻通道沈和第三柱肋及噴射冷卻通道27。在第三柱 肋及噴射冷卻通道27內(nèi)布置了至少一個柱肋結(jié)構(gòu)16，以強化葉片尾緣的對流冷卻效果。同 時，所述柱肋結(jié)構(gòu)連接葉片的吸力面31和壓力面32，起到強化葉片結(jié)構(gòu)強度的效果。所述 柱肋結(jié)構(gòu)的幾何尺寸同樣需要根據(jù)冷卻效果和強度要求來綜合選定。在葉片尾緣布置了至 少兩個噴射通孔4，通常會使得冷卻氣體在所述噴射通孔中加速，從而增強對流冷卻效果。用于葉片頂部冷卻的強化對流冷卻回路包括第一葉頂冷卻通道23和第二葉頂冷 卻通道M，其中第一葉頂冷卻通道23為徑向方向布置，而第二葉頂冷卻通道M為從葉片前 緣到葉片尾緣的橫向方向布置。在強化對流冷卻回路的各冷卻通道中，均在壁面布置了至 少一個肋片結(jié)構(gòu)15，以強化各冷卻通道壁面的對流冷卻效果。強化對流冷卻回路內(nèi)的所述 肋片結(jié)構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)和布置形式需根據(jù)對傳熱和壓力損失的要求進行選定。冷卻氣體應(yīng)保 證足夠的壓力能從第二葉頂冷卻通道M的通向燃?xì)庵髁鞯闹辽僖粋€開口以及布置在葉片 頂部的至少一個頂部氣膜孔5噴出。在轉(zhuǎn)子葉片通道設(shè)計時，由于要考慮離心力對冷卻氣體的影響，需保證冷卻氣體 在最靠近葉片尾緣通道中是由葉片根部向葉片頂部流動。因此冷卻氣體在經(jīng)過靠近葉片尾 緣根部的彎頭后，將沿徑向向葉片頂部方向流動。一方面，由于彎頭幾何特征，冷卻氣體經(jīng) 過所述彎頭后較難進入葉片尾緣根部區(qū)域的噴射通孔4 ；而離心力的作用更加劇了這一效 果，大量的冷卻氣體向葉片頂部方向流動，而進入葉片尾緣根部區(qū)域的冷卻氣體較少，導(dǎo)致 該葉片尾緣根部區(qū)域冷卻效果較差，溫度較大，極容易被高溫氧化，出現(xiàn)裂紋。正因為如此， 本發(fā)明希望在不引入多余冷卻氣體的情況下，降低葉片尾緣根部區(qū)域的溫度。針對前述特定冷卻結(jié)構(gòu)形式的葉片，本實施例在葉片尾緣靠近葉片葉根的彎頭處，設(shè)置了一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)18，該導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)從彎頭入口一直延伸連接至噴射通孔分隔板 19中的一個上，將上述彎頭區(qū)域分成導(dǎo)流片上方區(qū)域181和導(dǎo)流片下方區(qū)域182兩部分，從 而將進入葉片尾緣通道的冷卻氣體分成兩股。一股冷卻氣體專門用于葉片尾緣根部區(qū)域的 冷卻，另一股冷卻氣體則用于葉片尾緣其他區(qū)域的冷卻。通過改變所述導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)的厚度， 或者改變該所述導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)所在的彎頭區(qū)域內(nèi)兩股冷卻氣體入口通道的第一寬度dl和第 二寬度d2，進而改變兩股冷卻氣體的流量分配關(guān)系。并且，與所述導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)連接的所述噴 射通孔分隔板19中的一個和葉片平臺之間的距離d3能改變。通過改變距離d3，確定由流 經(jīng)導(dǎo)流片下方區(qū)域182的冷卻氣體所需要冷卻的葉片尾緣區(qū)域。所述導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)與所連接 的所述噴射通孔分隔板19中的一個的連接處應(yīng)過渡平滑，減少流動損失。該導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)除 了分配冷卻氣體流量外，對于減小彎頭處壓力損失也有明顯的效果。所述導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)可以 與葉片葉型13—體鑄造。 盡管本發(fā)明描述的是申請人認(rèn)為是最實用且經(jīng)過優(yōu)化選擇的案例，但是本發(fā)明不 限于上述詳細(xì)描述的結(jié)構(gòu)特點。而是覆蓋權(quán)利要求書來限定的內(nèi)容，以及由此引申和變型 的等效結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種燃?xì)廨啓C的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于所述轉(zhuǎn)子葉片包括有葉片葉型(13)、 葉片葉根(11)以及連接葉片葉型和葉片葉根的葉片平臺(12)；葉片葉型外表面由吸力 面(31)和壓力面(32)構(gòu)成，吸力面和壓力面交界區(qū)域分別為葉片前緣(33)和葉片尾緣 (34)；葉片內(nèi)部包含三個冷卻回路用于所述葉片前緣冷卻的沖擊冷卻回路、用于葉片頂部 冷卻的強化對流冷卻回路，以及用于葉片中部和葉片尾緣冷卻的柱肋及噴射冷卻回路；每 個冷卻回路分別具有至少一個冷卻通道；所述葉片尾緣(34)內(nèi)部布置了至少一個柱肋結(jié)構(gòu)(16)，并開有至少兩個噴射通孔 G)，每兩個噴射通孔之間為一個噴射通孔分隔板(19)；在柱肋及噴射冷卻回路內(nèi)，在葉片尾緣靠近葉片葉根處具有一個彎頭，在所述彎頭內(nèi) 設(shè)置有至少一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)(18)，每個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)將所在的彎頭區(qū)域分成兩部分；所述每 個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)從所在的彎頭區(qū)域入口一直延伸連接至位于葉片尾緣的所述噴射通孔分隔 板(19)中的一個，并將進入所述每個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)所在的彎頭區(qū)域的冷卻氣體分成兩股。
2.如權(quán)利要求1所述的一種燃?xì)廨啓C的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于所述每個導(dǎo)流片 結(jié)構(gòu)(18)的厚度能夠改變，或能夠改變所述每個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)所在的彎頭區(qū)域內(nèi)兩股冷卻 氣體入口通道的第一寬度dl和第二寬度d2。
3.如權(quán)利要求1所述的一種燃?xì)廨啓C的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于與所述每個導(dǎo)流 片結(jié)構(gòu)連接的所述噴射通孔分隔板(19)中的一個和葉片平臺之間的距離d3能改變。
4.如權(quán)利要求1所述的一種燃?xì)廨啓C的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于所述至少一個導(dǎo) 流片結(jié)構(gòu)(18)與葉片葉型(13) 一體鑄造。
5.如權(quán)利要求1所述的一種燃?xì)廨啓C的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于所述沖擊冷卻回 路、所述強化對流冷卻回路或所述柱肋及噴射冷卻回路的至少一個冷卻通道的內(nèi)壁面具有 至少一個肋片結(jié)構(gòu)(15)。
6.如權(quán)利要求1所述的一種燃?xì)廨啓C的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于所述葉片前緣 (33)的壁上布置了至少一個氣膜冷卻孔O)，所述沖擊冷卻回路內(nèi)設(shè)置有至少一個沖擊冷 卻孔(3)；所述沖擊冷卻回路內(nèi)冷卻氣體經(jīng)過所述沖擊冷卻孔( 后，通過所述氣膜冷卻孔 (2)流出。
7.如權(quán)利要求1所述的一種燃?xì)廨啓C的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于所述強化對流冷 卻回路中設(shè)有第二葉頂冷卻通道(M)，所述第二葉頂冷卻通道具有通向燃?xì)庵髁鞯闹辽僖?個開口。
全文摘要
燃?xì)廨啓C的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其包括葉片葉根、葉片平臺和葉片葉型。葉片內(nèi)部采用了蛇形通道的冷卻結(jié)構(gòu)，包括了三個流通冷卻氣體的冷卻回路用于冷卻葉片前緣區(qū)域的沖擊冷卻回路；用于冷卻葉片頂部區(qū)域的強化對流冷卻回路；用于冷卻葉片尾緣區(qū)域的柱肋及噴射冷卻回路。對于流向葉片尾緣的這股冷卻氣體，在靠近葉片尾緣和葉片葉根的彎頭區(qū)域，添加至少一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)，使分配有足夠的冷卻氣體來冷卻葉片尾緣根部，由此降低葉片尾緣根部的溫度。
文檔編號F01D5/18GK102102544SQ20111005986
公開日2011年6月22日 申請日期2011年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月11日
發(fā)明者陳偉 申請人:北京華清燃?xì)廨啓C與煤氣化聯(lián)合循環(huán)工程技術(shù)有限公司