[实用新型]涡轮叶片前缘沉槽肋内冷结构

说明书

技术领域

本发明涉及燃气轮机尤其是陆用重型燃气轮机涡轮叶片的内部冷却结构，具体而言，是一种应用于涡轮叶片前缘部位的沉槽肋内冷结构。 

背景技术

燃气轮机是一种将热能转化为机械能的先进的动力机械，提高其能量转换效率的一个主要途径就是提升涡轮前燃气温度，但这也导致高温涡轮部件的工作环境日益恶化。目前先进燃气轮机的涡轮前燃气温度超过了1500℃，已经远远高于涡轮材料的熔化温度，为了保证燃气轮机安全、可靠、长期的工作，就必须对其高温涡轮部件进行有效的冷却。其中涡轮叶片的冷却至关重要，因为它直接承受着高温燃气的热冲击负荷，而且涡轮转子叶片工作在高速旋转的状态下，还受到极大的离心力作用，故此迫切需要采取更加先进的冷却技术、发明简单高效的冷却结构来降低涡轮叶片的温度水平并使其温度梯度控制在合理的范围之内。涡轮叶片的冷却技术可以分为内部对流换热和外部气膜冷却两大类。气冷涡轮叶片通常为中空结构，其内部形成冷却通道，冷却气体沿通道流动的过程中经由对流换热作用从叶片内壁面吸收热量并降低其温度。为了增强对流换热效果，叶片内壁面上常设置各种形式的湍流器，如肋片、扰流柱和凹槽/凹坑等，以增加对冷却气流的扰动。此外，还在叶片上开设不同结构和疏密程度的气膜孔，使叶片内部的冷却气体通过气膜孔覆盖于叶片的外壁面上，从而将高温燃气与叶片外壁面隔离开以减少两者间的传热。这种外部冷却技术所能得到的冷却效果显著优于内部冷却技术，已经被现代高性能燃气轮机所广为采用，但其同样存在着无法克服的几个缺点：其一是冷却气体流到叶片外部对高温燃气造成不利影响，既产生了掺混损失又降低了燃气温度，难以保证涡轮叶片原始气动型面的设计性能，从而降低了燃气轮机的热效率及其输出功的大小；其二是气冷涡轮叶片自身就是一种形状极不规则的空心薄壁零件，再在其上开设气膜孔使得制造难度大为增加，导致叶片的加工工艺复杂、成品率低、成本高； 其三是气膜孔很容易被烟尘等固体颗粒物堵塞，导致叶片反因得不到足够的冷却而烧毁，使得燃气轮机不宜长时间工作于较脏的近地面大气环境中，对燃用重油、水煤浆等其它非航空燃料的陆用重型燃气轮机而言也是比较危险的，在使用过程中必须经常对涡轮叶片进行清洁和维护。基于上述原因，先进的涡轮叶片内部冷却技术在提高燃气轮机涡轮进口温度的过程中仍将发挥重要的作用，发明高效的涡轮叶片内部冷却结构非常必要。 

由于涡轮叶片的前缘部位直接承受高温燃气的冲击，其热负荷最高，因此该部位冷却结构的设计始终是一个难点，但是只有叶片前缘得到了有效的冷却才有助于提高涡轮进口温度，进而提升燃气轮机的整机性能。 

发明内容

为了克服燃气轮机涡轮叶片现有内部冷却技术的不足，本发明提出了一种适用于叶片前缘部位的沉槽肋内部冷却结构，该结构综合应用了凹槽和肋片两项强化冷却措施，它不仅能够使叶片前缘得到更好的冷却效果，而且将冷却结构与叶片的设计融为一体，使涡轮叶片的结构更加简洁并在保证其强度的情况下有效减轻其重量。 

一种涡轮叶片的前缘沉槽肋内冷结构，该涡轮叶片的转子叶片具有蛇形通道式内部冷却结构，导向叶片具有插件冲击式内部冷却结构，插件前端具有冲击孔；其特征在于：上述转子叶片的前缘内壁面沿叶高方向具有沉槽结构，在沉槽结构内垂直叶高方向平行分布有若干弧形肋；上述导向叶片的前缘内壁面沿叶高方向具有沉槽结构，在沉槽结构内垂直叶高方向平行分布有若干弧形肋；插件上的冲击孔与弧形肋交错排列。 

所述涡轮叶片的前缘沉槽肋内冷结构的前缘冷却方法，其特征在于包括以下过程：转子叶片前缘内壁面的沉槽结构使得前缘壁厚较其它部位明显减薄，减小了叶片内部冷却空气与外部高温燃气之间的距离；弧形肋保持叶片前缘在减薄之后具有足够的强度，又能加强对冷却气流的扰动、扩展其换热面积，加强了冷却效果；转子叶片前缘内壁面的沉槽结构使得前缘壁厚较其它部位明显减薄，减小了叶片内部冷却空气与外部高温燃气之间的距离；弧形肋保持叶片前缘在减薄之后具有足够的强度，又能加强对冷却气流的扰动、扩展其换热面积，加强了冷却效果；插件上的冲击孔与弧形肋交错排列，能够起到更好的冷却效果。