[實用新型]渦輪葉片前緣沉槽肋內冷結構

有效

• 申請號: 201220089336.6
• 申請日: 2012-03-12
• 公開（公告）號: CN202628198U
• 公開（公告）日: 2012-12-26
• 發明（設計）人: 吉洪湖;朱強華
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 葉連生

技術領域

本發明涉及燃氣輪機尤其是陸用重型燃氣輪機渦輪葉片的內部冷卻結構，具體而言，是一種應用于渦輪葉片前緣部位的沉槽肋內冷結構。?

背景技術

燃氣輪機是一種將熱能轉化為機械能的先進的動力機械，提高其能量轉換效率的一個主要途徑就是提升渦輪前燃氣溫度，但這也導致高溫渦輪部件的工作環境日益惡化。目前先進燃氣輪機的渦輪前燃氣溫度超過了1500℃，已經遠遠高于渦輪材料的熔化溫度，為了保證燃氣輪機安全、可靠、長期的工作，就必須對其高溫渦輪部件進行有效的冷卻。其中渦輪葉片的冷卻至關重要，因為它直接承受著高溫燃氣的熱沖擊負荷，而且渦輪轉子葉片工作在高速旋轉的狀態下，還受到極大的離心力作用，故此迫切需要采取更加先進的冷卻技術、發明簡單高效的冷卻結構來降低渦輪葉片的溫度水平并使其溫度梯度控制在合理的范圍之內。渦輪葉片的冷卻技術可以分為內部對流換熱和外部氣膜冷卻兩大類。氣冷渦輪葉片通常為中空結構，其內部形成冷卻通道，冷卻氣體沿通道流動的過程中經由對流換熱作用從葉片內壁面吸收熱量并降低其溫度。為了增強對流換熱效果，葉片內壁面上常設置各種形式的湍流器，如肋片、擾流柱和凹槽/凹坑等，以增加對冷卻氣流的擾動。此外，還在葉片上開設不同結構和疏密程度的氣膜孔，使葉片內部的冷卻氣體通過氣膜孔覆蓋于葉片的外壁面上，從而將高溫燃氣與葉片外壁面隔離開以減少兩者間的傳熱。這種外部冷卻技術所能得到的冷卻效果顯著優于內部冷卻技術，已經被現代高性能燃氣輪機所廣為采用，但其同樣存在著無法克服的幾個缺點：其一是冷卻氣體流到葉片外部對高溫燃氣造成不利影響，既產生了摻混損失又降低了燃氣溫度，難以保證渦輪葉片原始氣動型面的設計性能，從而降低了燃氣輪機的熱效率及其輸出功的大小；其二是氣冷渦輪葉片自身就是一種形狀極不規則的空心薄壁零件，再在其上開設氣膜孔使得制造難度大為增加，導致葉片的加工工藝復雜、成品率低、成本高；?其三是氣膜孔很容易被煙塵等固體顆粒物堵塞，導致葉片反因得不到足夠的冷卻而燒毀，使得燃氣輪機不宜長時間工作于較臟的近地面大氣環境中，對燃用重油、水煤漿等其它非航空燃料的陸用重型燃氣輪機而言也是比較危險的，在使用過程中必須經常對渦輪葉片進行清潔和維護。基于上述原因，先進的渦輪葉片內部冷卻技術在提高燃氣輪機渦輪進口溫度的過程中仍將發揮重要的作用，發明高效的渦輪葉片內部冷卻結構非常必要。?

由于渦輪葉片的前緣部位直接承受高溫燃氣的沖擊，其熱負荷最高，因此該部位冷卻結構的設計始終是一個難點，但是只有葉片前緣得到了有效的冷卻才有助于提高渦輪進口溫度，進而提升燃氣輪機的整機性能。?

發明內容

為了克服燃氣輪機渦輪葉片現有內部冷卻技術的不足，本發明提出了一種適用于葉片前緣部位的沉槽肋內部冷卻結構，該結構綜合應用了凹槽和肋片兩項強化冷卻措施，它不僅能夠使葉片前緣得到更好的冷卻效果，而且將冷卻結構與葉片的設計融為一體，使渦輪葉片的結構更加簡潔并在保證其強度的情況下有效減輕其重量。?

一種渦輪葉片的前緣沉槽肋內冷結構，該渦輪葉片的轉子葉片具有蛇形通道式內部冷卻結構，導向葉片具有插件沖擊式內部冷卻結構，插件前端具有沖擊孔；其特征在于：上述轉子葉片的前緣內壁面沿葉高方向具有沉槽結構，在沉槽結構內垂直葉高方向平行分布有若干弧形肋；上述導向葉片的前緣內壁面沿葉高方向具有沉槽結構，在沉槽結構內垂直葉高方向平行分布有若干弧形肋；插件上的沖擊孔與弧形肋交錯排列。?

所述渦輪葉片的前緣沉槽肋內冷結構的前緣冷卻方法，其特征在于包括以下過程：轉子葉片前緣內壁面的沉槽結構使得前緣壁厚較其它部位明顯減薄，減小了葉片內部冷卻空氣與外部高溫燃氣之間的距離；弧形肋保持葉片前緣在減薄之后具有足夠的強度，又能加強對冷卻氣流的擾動、擴展其換熱面積，加強了冷卻效果；轉子葉片前緣內壁面的沉槽結構使得前緣壁厚較其它部位明顯減薄，減小了葉片內部冷卻空氣與外部高溫燃氣之間的距離；弧形肋保持葉片前緣在減薄之后具有足夠的強度，又能加強對冷卻氣流的擾動、擴展其換熱面積，加強了冷卻效果；插件上的沖擊孔與弧形肋交錯排列，能夠起到更好的冷卻效果。?