專利名稱：燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，尤其是帶多個冷卻回路、強(qiáng)化葉片冷卻效果的轉(zhuǎn)子冷卻葉片。
背景技術(shù)：
隨著燃?xì)廨啓C(jī)渦輪進(jìn)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(jìn)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(jìn)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片均采用多冷卻回路、蛇形通道強(qiáng)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。 由于葉片結(jié)構(gòu)上的特點，蛇形通道在布置時，在葉片頂部呈現(xiàn)矩形彎頭的形態(tài)，而在靠近平臺區(qū)域呈現(xiàn)圓形彎頭的形態(tài)。在葉片冷卻系統(tǒng)設(shè)計時，一方面要盡量強(qiáng)化冷卻氣體在通道內(nèi)部的對流換熱效果；另一方面，一般在強(qiáng)化換熱性能的同時會帶來更大的冷卻氣體壓力損失。因此，在冷卻系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)注意控制冷卻氣體在通道中的壓力損失，需保證冷卻氣體在葉片各個出口 (如氣膜冷卻孔，尾緣噴射孔等)具有足夠的壓力噴射出來，并形成良好的氣膜冷卻覆蓋效果。尤其需特別防止冷卻氣體壓力過低而導(dǎo)致高溫燃?xì)獾构嘀寥~片，造成葉片高溫?zé)g的極端情況。對于多流程的冷卻回路，壓力損失主要出現(xiàn)在彎頭區(qū)域。導(dǎo)流片是一種有效的減小壓損的方式。但該導(dǎo)流片的添加會減小部分彎頭區(qū)和彎頭后的換熱能力。從而使得該區(qū)域的換熱能力差異較大，造成較大的溫度差異和熱應(yīng)力。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供了一種用于燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，使其在不增加總冷卻空氣量的情況下，對蛇形通道冷卻系統(tǒng)進(jìn)行更合理的優(yōu)化，尤其在減小通道壓力損失的同時，增強(qiáng)通道彎頭區(qū)及彎頭后的對流換熱能力，以降低彎頭區(qū)的葉片金屬溫度差異和熱應(yīng)力。本實用新型的技術(shù)方案如下—種燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，所述渦輪轉(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組成，所述吸力面和所述壓力面的交界區(qū)域形成葉片前緣和葉片尾緣；在葉片內(nèi)部，包含三個冷卻回路 沖擊冷卻回路、蛇形通道強(qiáng)化對流冷卻回路和尾緣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；葉片根部具有至少一個根部冷卻通道；所述沖擊冷卻回路內(nèi)設(shè)有至少一個沖擊冷卻孔和至少一個氣膜冷卻孔；所述蛇形通道強(qiáng)化對流冷卻回路在靠近葉片葉根處具有至少一個彎頭，至少一個所述彎頭內(nèi)設(shè)置有至少一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)，同時在具有至少一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)的所述彎頭的壁上設(shè)有至少一個通孔，所述通孔連通所述至少一個根部冷卻通道和具有至少一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)的所述彎頭內(nèi)部；所述通孔布置在具有至少一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)的所述彎頭的壁的頂部的沿冷卻氣體流動方向的后半部分；所述通孔為鑄造后再加工得到的孔結(jié)構(gòu)，或直接利用鑄造過程中所需的排泄孔；所述至少一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)與所述葉片葉型是一體鑄造完成；所述蛇形通道強(qiáng)化對流冷卻回路具有通向燃?xì)庵髁鞯闹辽僖粋€開口的橫向冷卻通道，形成橫向冷卻通道的部分頂部封蓋上設(shè)置有至少一個頂部氣膜孔，所述橫向冷卻通道內(nèi)的冷卻氣體最終從所述頂部氣膜孔及所述橫向冷卻通道的所述開口流出。所述蛇形通道強(qiáng)化對流冷卻回路的每個冷卻通道內(nèi)壁面具有至少一個肋片結(jié)構(gòu)。所述氣膜冷卻孔布置在所述葉片前緣的壁上；所述沖擊冷卻回路內(nèi)的冷卻氣體經(jīng)過所述沖擊冷卻孔后，通過所述氣膜冷卻孔流出。所述葉片尾緣內(nèi)部布置了至少一個柱肋結(jié)構(gòu)；所述葉片尾緣開有至少一個噴射通孔，以使所述尾緣柱肋及噴射冷卻回路內(nèi)冷卻氣體流出。本實用新型具有以下優(yōu)點及突出性效果在葉片中部的蛇形通道強(qiáng)化對流冷卻回路中，在靠近葉片葉根具有至少一個彎頭，至少一個所述彎頭內(nèi)布置了至少一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)，同時在具有至少一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)的所述彎頭的壁上設(shè)有至少一個通孔，所述通孔連通所述至少一個根部冷卻通道和具有至少一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)的所述彎頭內(nèi)部。所述至少一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)能通過有效減弱具有至少一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)的所述彎頭內(nèi)的大分離流動，對原有的劇烈加速、減速流動起到了很好的抑制作用，從而有效減小蛇形通道冷卻系統(tǒng)中的壓力損失。所述通孔布置在所述具有至少一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)的所述彎頭的壁的頂部的沿冷卻氣體流動方向的后半部分，并連通葉片根部冷卻通道和具有至少一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)的所述彎頭內(nèi)， 通過從葉片根部引入溫度較低的冷卻氣體，一方面強(qiáng)化了具有至少一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)的所述彎頭的沿冷卻氣體流動方向的后半部分的換熱能力，另一方面，降低具有至少一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)的所述彎頭后冷卻氣體的溫度，從而提高具有至少一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)的所述彎頭后冷卻氣體的換熱能力。

圖1是燃?xì)廨啓C(jī)渦輪轉(zhuǎn)子葉片的三維視圖。圖2是本實用新型的燃?xì)廨啓C(jī)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是靠近平臺區(qū)域的圓形彎頭放大視圖。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-葉頂氣膜孔；11-葉片葉根；12-葉片平臺；13-葉片葉型；14-頂部封蓋；15-凸起結(jié)構(gòu)；16-肋片結(jié)構(gòu)；17-柱肋結(jié)構(gòu)；18-分隔板；19-導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)；191-第一彎頭區(qū)域；192-第二彎頭區(qū)域；20-通孔；22-沖擊第一冷卻通道；21-沖擊第二冷卻通道；23-強(qiáng)化對流第三冷卻通道； 24-橫向冷卻通道；25-強(qiáng)化對流第二冷卻通道；26-強(qiáng)化對流第一冷卻通道；27-尾緣冷卻通道；28-沖擊冷卻回路分隔板；31-吸力面；32-壓力面；33-葉片前緣；34-葉片尾緣； 41-葉片葉型中弧線。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理、具體實施和工作過程做進(jìn)一步的說明。附圖給出了本實用新型的一個具體的實施例。圖1是燃?xì)廨啓C(jī)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。 沿葉片葉型中弧線41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(jī)的合適位置抽出，沿燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子軸系輸送到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(qiáng)度綜合考慮進(jìn)行選定。本轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)部有三個冷卻回路，即沖擊冷卻回路、蛇形通道強(qiáng)化對流冷卻回路和尾緣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。其中，一股冷卻氣體用于進(jìn)行葉片前緣的沖擊冷卻和氣膜冷卻，形成沖擊冷卻回路；一股冷卻氣體用于進(jìn)行葉片尾緣的柱肋冷卻和葉片尾緣噴射，形成尾緣柱肋及噴射冷卻回路；第三股冷卻氣體用于葉片中部的對流冷卻以及葉片頂部區(qū)域的冷卻，形成蛇形通道強(qiáng)化對流冷卻回路。冷卻氣體在葉片頂部區(qū)域為從葉片前緣向葉片尾緣方向流動，最終從設(shè)置在頂部封蓋14上的至少一個頂部氣膜孔5及與燃?xì)庵髁鬟B通的橫向冷卻通道M的一個開口流出。本實施例中，所述沖擊冷卻回路包括沖擊第一冷卻通道22和沖擊第二冷卻通道 21，兩個冷卻通道由沖擊冷卻回路分隔板觀分開；所述沖擊冷卻回路分隔板觀上布置了至少一個沖擊冷卻孔3。沖擊第一冷卻通道22壁面布置有強(qiáng)化對流冷卻效果的至少一個肋片結(jié)構(gòu)16，冷卻氣體在沖擊第一冷卻通道22內(nèi)向葉片頂部方向流動時，沿程會通過所述沖擊冷卻孔3對沖擊第二冷卻通道21中的部分葉片前緣內(nèi)壁面進(jìn)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，將從所述氣膜冷卻孔噴出，形成氣膜覆蓋在葉片的吸力面31和壓力面32，從而將高溫燃?xì)飧糸_。所述氣膜冷卻孔的角度、孔徑等幾何尺寸和數(shù)量根據(jù)葉片氣動、傳熱等綜合影響效果來進(jìn)行確定。所述尾緣柱肋及噴射冷卻回路包括尾緣冷卻通道27。所述尾緣冷卻通道27內(nèi)布置了至少一個柱肋結(jié)構(gòu)17，以強(qiáng)化所述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(qiáng)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(qiáng)度要求來綜合選定。在葉片尾緣布置了至少一個噴射通孔4，通常會使得冷卻氣體在所述噴射通孔中加速，從而增強(qiáng)對流冷卻效果。所述蛇形通道強(qiáng)化對流冷卻回路包括強(qiáng)化對流第一冷卻通道沈、強(qiáng)化對流第二冷卻通道25、強(qiáng)化對流第三冷卻通道23和橫向冷卻通道M ；其中強(qiáng)化對流第一冷卻通道26、 強(qiáng)化對流第二冷卻通道25和強(qiáng)化對流第三冷卻通道23為徑向方向布置，而橫向冷卻通道 M為從葉片前緣至葉片尾緣的橫向方向設(shè)置。各冷卻通道之間均由分隔板18分開，使得冷卻氣體在各冷卻通道中蜿蜒流動。所述蛇形通道強(qiáng)化對流冷卻回路的各冷卻通道壁面均布置了至少一個肋片結(jié)構(gòu)16，以強(qiáng)化冷卻通道壁面的對流冷卻效果。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(jìn)行選定。冷卻氣體應(yīng)保證足夠的壓力能從橫向冷卻通道M的所述開口以及所述頂部氣膜孔5噴出。在葉片冷卻系統(tǒng)設(shè)計時，對于多流程冷卻系統(tǒng)，除了關(guān)注冷卻氣體的換熱效果，還應(yīng)著重關(guān)注其中的壓力損失，以防止高溫燃?xì)獾构鄬?dǎo)致葉片燒蝕的極端情況。而冷卻系統(tǒng)中壓力損失的大部分出現(xiàn)在彎頭區(qū)域。導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)是一種較為有效的減小彎頭區(qū)域損失系數(shù)的方式，但由于冷卻氣體在彎頭區(qū)域內(nèi)換熱能力分布不均勻，尤其彎頭區(qū)域后半段及彎頭區(qū)域的后部分傳熱能力被削弱，導(dǎo)致彎頭區(qū)域溫度差異較大，使彎頭區(qū)域的葉片金屬產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，因此本實施例在所述蛇形通道強(qiáng)化對流冷卻回路中，在靠近葉片葉根的一個彎頭所在區(qū)域內(nèi)，設(shè)置有一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)19及一個通孔20，該導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)19將所述彎頭所在區(qū)域分為第一彎頭區(qū)域191和第二彎頭區(qū)域192兩部分；冷卻氣體流經(jīng)該彎頭所在區(qū)域時，對原來的劇烈加速、減速流動得到了很好的抑制。同時，第一彎頭區(qū)域191的大分離也得到較好的抑制，從而有效減小所述彎頭所在區(qū)域的壓力損失。所述通孔20布置在所述彎頭的壁上，并且布置在沿冷卻氣體流動方向的所述彎頭頂部的后半部分；該通孔連通與沖擊冷卻回路連通的葉片根部冷卻通道和第二彎頭區(qū)域。通過從葉片根部引入溫度較低的冷卻氣體，一方面強(qiáng)化了第二彎頭區(qū)域后半部分的換熱能力；另一方面，降低第二彎頭區(qū)域后冷卻氣體的溫度，從而提高第二彎頭區(qū)域后冷卻氣體的換熱能力。該導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)與葉片葉型一起鑄造出來。通孔可通過鑄造后再加工出來， 也可以直接利用鑄造過程中所需的排泄孔。作為一種特例，本實用新型給出了一種圓弧形導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)19，和圓形通孔結(jié)構(gòu) 20。但具體實施時，是需要根據(jù)實際葉片在此處的彎頭區(qū)域幾何形狀進(jìn)行合理的優(yōu)化配置。盡管本實用新型描述的是申請人認(rèn)為是最實用且經(jīng)過優(yōu)化選擇的案例，但是本實用新型不限于上述詳細(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(jī)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于所述渦輪轉(zhuǎn)子葉片包括葉片葉型 (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(3 構(gòu)成，所述吸力面和所述壓力面的交界區(qū)域形成葉片前緣(33)和葉片尾緣(34)；在葉片內(nèi)部，包含三個冷卻回路沖擊冷卻回路、蛇形通道強(qiáng)化對流冷卻回路和尾緣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；葉片根部具有至少一個根部冷卻通道；所述蛇形通道強(qiáng)化對流冷卻回路在靠近葉片葉根處具有至少一個彎頭，至少一個所述彎頭內(nèi)設(shè)置有至少一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)(19)，同時在具有至少一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)的所述彎頭的壁上設(shè)有至少一個通孔(20)，所述通孔00)連通所述至少一個根部冷卻通道和具有至少一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)的所述彎頭內(nèi)部。
2.如權(quán)利要求1所述一種燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于所述通孔00)布置在具有至少一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)的所述彎頭的壁的頂部的沿冷卻氣體流動方向的后半部分。
3.如權(quán)利要求1所述的一種燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于所述通孔OO)為鑄造后再加工得到的孔結(jié)構(gòu)或直接利用鑄造過程中所需的排泄孔。
4.如權(quán)利要求1所述的一種燃?xì)廨啓C(jī)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)(19)與所述葉片葉型(13)是一體鑄造完成。
5.如權(quán)利要求1所述的一種燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于所述蛇形通道強(qiáng)化對流冷卻回路具有通向燃?xì)庵髁鞯闹辽僖粋€開口的橫向冷卻通道(M)，形成橫向冷卻通道的部分頂部封蓋(14)上設(shè)置有至少一個頂部氣膜孔(5)，所述橫向冷卻通道內(nèi)的冷卻氣體最終從所述頂部氣膜孔( 及所述橫向冷卻通道04)的所述開口流出。
6.如權(quán)利要求1所述的一種燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于所述沖擊冷卻回路內(nèi)設(shè)有至少一個沖擊冷卻孔(3)和至少一個氣膜冷卻孔O)。
7.如權(quán)利要求1所述的一種燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于所述蛇形通道強(qiáng)化對流冷卻回路的每個冷卻通道內(nèi)壁面具有至少一個肋片結(jié)構(gòu)(16)。
8.如權(quán)利要求6所述的一種燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于所述的氣膜冷卻孔(2)設(shè)置在所述葉片前緣(3 的壁上；所述沖擊冷卻回路內(nèi)的冷卻氣體經(jīng)過所述沖擊冷卻孔C3)后，通過所述氣膜冷卻孔( 流出。
9.如權(quán)利要求1所述的一種燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于所述葉片尾緣 (34)內(nèi)部布置了至少一個柱肋結(jié)構(gòu)(17)；所述葉片尾緣(34)開有至少一個噴射通孔G)， 以使所述尾緣柱肋及噴射冷卻回路內(nèi)冷卻氣體流出。
專利摘要燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其包括葉片葉根、葉片平臺和葉片葉型。在葉片內(nèi)部，包括用于葉片前緣區(qū)域冷卻的沖擊冷卻回路、用于葉片尾緣區(qū)域冷卻的尾緣柱肋及噴射冷卻回路、用于葉片中部區(qū)域及葉片頂部區(qū)域冷卻的蛇形通道強(qiáng)化對流冷卻回路；在所述蛇形通道強(qiáng)化對流冷卻回路中，靠近葉片葉根的至少一個彎頭所在區(qū)域內(nèi)，設(shè)置至少一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)；在具有至少一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)的所述彎頭的壁上設(shè)有至少一個通孔。所述至少一個導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)及所述至少一個通孔對該強(qiáng)化對流冷卻回路而言，能有效降低該冷卻回路中的壓力損失，同時能有效的強(qiáng)化所述至少一個彎頭所在區(qū)域以后蛇形通道強(qiáng)化對流冷卻回路中的冷卻效果。
文檔編號F01D5/18GK201991570SQ201120064889
公開日2011年9月28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(jī)與煤氣化聯(lián)合循環(huán)工程技術(shù)有限公司