一种具有抑制叶顶泄漏和减小叶顶温度的动叶顶部结构的制作方法

一种具有抑制叶顶泄漏和减小叶顶温度的动叶顶部结构的制作方法
【技术领域】
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[0001]本实用新型涉及一种燃气轮机，具体涉及一种具有抑制叶顶泄漏和减小叶顶温度的动叶顶部结构。
【背景技术】
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[0002]在燃气透平中，由于离心力引起的叶片伸长，以及动叶与护环之间高温膨胀差，不带围带的旋转动叶片与护板存在叶顶间隙，叶顶间隙中的工质泄漏是其主要损失源之一。因此，有效控制透平叶顶泄漏是提高燃气透平效率的一个有效途径。透平动叶顶部结构设计研宄中的首要目标为控制工质通过叶顶间隙从高压区域流向低压区域，有效地减小泄漏量以及泄漏流对主流的影响，显著提高燃气透平的工作效率。
[0003]由于叶顶间隙泄漏流具有高速、高温和薄边界层的特点，暴露在高温泄漏流的叶顶区域承受高而不均匀的热负荷，使得叶顶成为动叶易烧蚀和失效的区域之一。透平动叶顶部结构设计研宄中的另一个重要目标是降低叶顶区域金属材料的温度，减小叶顶区域的温度梯度，提高叶片本体使用寿命。减小叶顶温度的主要措施有:(I)减小叶顶间隙，减少叶顶泄漏量并降低顶部对流换热量；(2)采用凹槽式叶顶结构，凹槽起到迷宫密封的作用，增加流动阻力以减少泄漏量，并降低顶部换热率，而且凹槽式叶顶与护环的摩擦减少潜在的严重磨损或失效。
[0004]为了获得更高的热效率和功率输出，现代高性能燃气轮机透平进口温度不断提高，加剧了动叶叶顶烧蚀问题的严重性。传统的凹槽叶顶结构虽然能有效的控制叶顶泄漏流动，但由于其不理想的冷却传热特性常常引起透平叶顶烧蚀，并引起透平叶顶间隙逐渐增大、冷却通道短路等，导致透平工作效率降低，严重影响燃气轮机安全、稳定和可靠运行。
【实用新型内容】:
[0005]本实用新型的目的在于提供一种具有抑制叶顶泄漏和减小叶顶温度的动叶顶部结构，使其既能有效的控制燃气透平动叶与护环之间的叶顶泄漏流动，同时又能够有效减小叶顶温度，提高叶片本体的使用寿命。
[0006]为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案:
[0007]一种具有抑制叶顶泄漏和减小叶顶温度的动叶顶部结构，包括设置在叶片本体顶部外表面上的梯形隔肋和若干射流孔；其中，梯形隔肋的上表面和内表面之间开设有沿梯形隔肋内侧延伸的凹口。
[0008]本实用新型进一步的改进在于:叶片本体包括压力面和吸力面，以及将压力面和吸力面左右两端相连的前缘和尾缘，叶片本体的顶部通过叶片顶板密封，叶片本体内部为冷却通道；若干射流孔沿着叶片本体的中弦区至尾缘方向延伸并与冷却通道相连通。
[0009]本实用新型进一步的改进在于:梯形隔肋设置在吸力面、前缘以及与前缘连接部分的压力面顶部外表面上，吸力面顶部外表面上的梯形隔肋沿着叶片本体的前缘至尾缘方向延伸，压力面顶部外表面上的梯形隔肋沿着前缘至中弦区域延伸布置在叶片前缘区域，且梯形隔肋在压力面顶部外表面所占部分为压力面整个顶部外表面的0% -10%。
[0010]本实用新型进一步的改进在于:未设置梯形隔肋的压力面顶部外表面设置有倒圆角。
[0011]本实用新型进一步的改进在于:若干射流孔开设在叶片本体的压力面一侧。
[0012]本实用新型进一步的改进在于:射流孔是与叶片顶板有一定夹角的斜孔，且该夹角为锐角。
[0013]本实用新型进一步的改进在于:压力面的内表面和吸力面的内表面之间通过若干隔间设置的隔板相连。
[0014]本实用新型进一步的改进在于:梯形隔肋的凹口为锥形凹口，且锥形凹口与梯形隔肋的内表面之间的角度为45°?70°。
[0015]本实用新型进一步的改进在于:梯形隔肋的凹口为凹形凹口，且凹形凹口的曲率半径为 0.3mm-3mm。
[0016]本实用新型进一步的改进在于:梯形隔肋的凹口为凸形凹口，且凸形凹口的曲率半径为 0.3mm-3mm。
[0017]与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果:
[0018]I)本实用新型的叶顶结构包括位于叶片本体顶部外表面上的梯形隔肋。叶顶结构内部的流体来自从前缘和压力面进入的泄漏流。泄漏流越过前缘区域的梯形隔肋进入后，在顶板前部靠近吸力面侧区再附着，进而形成回流涡，以较低的流速向顶部结构的尾部流动，有效的抑制了从压力面进入的泄漏流，减小了顶部结构的换热强度。同时，该梯形隔肋结构简单，在燃气透平运行一段时间后出现梯形隔肋磨损或微裂纹时，可以实现快速维修，叶片本体的可维修性高。
[0019]2)本实用新型的射流孔与叶片本体冷却通道相连通，并与叶片顶板具有一定的夹角，射流孔的布置不仅对叶片顶板和梯形隔肋具有较高的冷却效率，且在一定程度上抑制了叶顶高温泄漏流，减少了叶顶泄漏损失，提高了透平工作效率。
[0020]3)本实用新型的梯形隔肋具有用于引导高温燃气光顺越过梯形隔肋流向主流燃气的凹口，该凹口减少高温燃气对梯形隔肋的直接冲击，降低叶顶梯形隔肋的温度，减小了叶顶区域的温度梯度。同时，本实用新型减轻了叶片顶部质量，降低了叶顶刚度，从而提高了燃气透平运行安全可靠性。
【附图说明】
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[0021]图1是本实用新型具有抑制叶顶间隙泄漏和减小叶顶温度的燃气透平动叶顶部结构的结构示意图；
[0022]图2是图1的俯视图；
[0023]图3是图2中A-A处的剖视图，其显示了叶片前缘区域顶部间隙泄漏涡流分布；
[0024]图4是图2中B-B处的剖视图，其显示了叶片中弦区域顶部间隙涡流分布；
[0025]图5是梯形隔肋实施例1的横截面侧视图，其显示了减小梯形隔肋温度的锥形凹P ;
[0026]图6是梯形隔肋实施例2的横截面侧视图，其显示了减小梯形隔肋温度的凹形凹P ；
[0027]图7是梯形隔肋实施例2的横截面侧视图，其显示了减小梯形隔肋温度的凸形凹
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【具体实施方式】
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[0028]以下结合附图和技术原理对本实用新型作进一步的详细说明。
[0029]参见图1?2，本实用新型一种具有抑制叶顶泄漏和减小叶顶温度的动叶顶部结构，包括设置在叶片本体I顶部外表面上的梯形隔肋8和若干射流孔12 ;其中，梯形隔肋8的上表面9和内表面10之间开设有沿梯形隔肋8内侧延伸的凹口 11。
[0030]具体来说，叶片本体I的内部为冷却通道6，冷却通道6由叶片本体的压力面4和吸力面5，以及将压力面4和吸力面5的两端连接在一起的前缘2和尾缘3围设而成的。叶片本体的顶部包括将冷却通道6封上的叶片顶板13，以及分布在压力面4和吸力面5顶部外表面上的梯形隔肋8和若干射流孔12，其用于减少叶片本体I与护环15之间的叶顶间隙16的泄漏流，以及降低叶片顶板13和梯形隔肋8表面的传热系数，降低透平叶顶温度。
[0031]在所示的实施例中，梯形隔肋8分布在叶顶外表面上的压力面4和吸力面5顶部外表面上，吸力面4顶部外表面上的梯形隔肋8沿着叶片本体I的前缘2至尾缘3方向延伸，压 力面5顶部外表面上的梯形隔肋8布置在叶片前缘2区域，沿着前缘2至中弦区域的延伸方向具有一定的长度，其长度占压力面4顶部型线中弧线的0%?10%。该梯形隔肋8的上表面9和内表面10之间开设有沿梯形隔肋8内侧延伸的凹口 11。凹口 11在前缘2和尾缘3之间，可通过从叶片本体I的梯形隔肋8内侧移除材料而形成。凹口 11可通过各种机械加工工艺如车削或铣削等而加工成型。凹口 11可具有各种几何构造，如尺寸和形状，下面将对此进行进一步详细论述。凹口 11的各种实施例均用于减少梯形隔肋8的温度，提高叶片本体的使用寿命。
[0032]在所述的实施例中，叶片本体I上布设有射流孔12，射流孔12排列在叶片顶部压力面4 一侧的中弦区至尾缘3的范围内，射流孔12的内侧与冷却通道6相连，射流孔12的外侧与外界相连。
[0033]参看图3，叶片本体I在顶部前缘区域的剖面图。来自前缘2的高温燃气，紧贴在叶片顶板13前部附近再附着，形成回流涡控制着叶顶间隙16内部流动，有效的抑制了叶顶压力面4进入高温燃气泄漏流。从叶顶间隙16流出的高温燃气在吸力面5侧附近形成二次流进入主流道。前缘压力面4 一侧气流对槽底的冲击作用强度较弱，减小叶片顶板13前缘附近的温度。
[0034]参看图4，叶片本体I在顶部中弦区域的剖视图。来自叶顶压力面4侧的高温燃气流经叶顶间隙16区域时，高温燃气在射流孔12冷却气流和叶顶前缘2形成的回流涡的作用下，被整体托高而直接从静子部件和梯形肋条之间的叶顶间隙16中流出。从叶顶间隙16流出的高温燃气在吸力面5侧附近形成二次流进入主流道。射流孔流出的冷却气流有效的抑制高温燃气的叶顶泄漏流，并减轻了叶片顶板13和梯形隔肋8的热冲击。
[0035]图5?7显示了叶片本体顶部梯形隔肋8的各种实施例，梯形隔肋8具有减小梯形隔肋表面温度的凹口 11。凹口 11可包括各种各样的几何构造，例如类似或不同的曲率、锥度和尺寸。针对特定用途的燃气叶片本体，叶顶凹口结构参数应尽量减少叶顶泄漏流，并保证较低的叶顶温度，同时兼顾考虑结构强度、加工难度和成本等因素。
[0036]参看图5，叶片本体I的顶部梯形隔肋一个实施例的横截面侧视图。该叶片顶部结构具有减小梯形隔肋温度的锥形凹口 17。锥形凹口 17具有在梯形隔肋8内侧延伸的直的或平坦的表面。锥形凹口 17的表面相对于叶片顶板的角度18范围为45°?70°之间。角度18可经过选择，以减小叶片顶部温度。
[0037]参看图6，叶片本体I的顶部梯形隔肋一个实施例的横截面侧视图。该叶片顶部结构具有减小梯形隔肋温度的凹形凹口 19。凹形凹口 19在梯形隔肋8的内侧延伸，并且具有凹形几何构造。凹形凹口 19的曲率半径20为0.3mm-3mm，可以根据实际情况选择，以减小叶片顶部温度。
[0038]参看图7，叶片本体I的顶部梯形隔肋一个实施例的横截面侧视图。该叶片顶部结构具有减小梯形隔肋温度的凸形凹口 21。凸形凹口 21在叶片本体梯形隔肋8的内侧延伸，并且具有凸形几何构造。凸形凹口 21的曲率半径22为0.3mm-3mm，可以根据实际情况选择，以减小叶片顶部温度。
【主权项】
1.一种具有抑制叶顶泄漏和减小叶顶温度的动叶顶部结构，其特征在于:包括设置在叶片本体(I)顶部外表面上的梯形隔肋(8)和若干射流孔(12);其中，梯形隔肋(8)的上表面(9)和内表面(10)之间开设有沿梯形隔肋⑶内侧延伸的凹口(11)。
2.根据权利要求1所述的一种具有抑制叶顶泄漏和减小叶顶温度的动叶顶部结构，其特征在于:叶片本体(I)包括压力面(4)和吸力面(5)，以及将压力面(4)和吸力面(5)左右两端相连的前缘(2)和尾缘(3)，叶片本体(I)的顶部通过叶片顶板(13)密封，叶片本体(I)内部为冷却通道(6);若干射流孔(12)沿着叶片本体⑴的中弦区至尾缘(3)方向延伸并与冷却通道(6)相连通。
3.根据权利要求2所述的一种具有抑制叶顶泄漏和减小叶顶温度的动叶顶部结构，其特征在于:梯形隔肋(8)设置在吸力面(5)、前缘(2)以及与前缘(2)连接部分的压力面(4)顶部外表面上，吸力面(5)顶部外表面上的梯形隔肋(8)沿着叶片本体(I)的前缘(2)至尾缘(3)方向延伸，压力面(4)顶部外表面上的梯形隔肋(8)沿着前缘(2)至中弦区域延伸布置在叶片前缘(2)区域，且梯形隔肋(8)在压力面(4)顶部外表面所占部分为压力面(4)整个顶部外表面的0% -10%。
4.根据权利要求3所述的一种具有抑制叶顶泄漏和减小叶顶温度的动叶顶部结构，其特征在于:未设置梯形隔肋(8)的压力面(4)顶部外表面设置有倒圆角(14)。
5.根据权利要求2所述的一种具有抑制叶顶泄漏和减小叶顶温度的动叶顶部结构，其特征在于:若干射流孔(12)开设在叶片本体(I)的压力面(4) 一侧。
6.根据权利要求5所述的一种具有抑制叶顶泄漏和减小叶顶温度的动叶顶部结构，其特征在于:射流孔(12)是与叶片顶板(13)有一定夹角的斜孔，且该夹角为锐角。
7.根据权利要求2所述的一种具有抑制叶顶泄漏和减小叶顶温度的动叶顶部结构，其特征在于:压力面(4)的内表面和吸力面(5)的内表面之间通过若干隔间设置的隔板(7)相连。
8.根据权利要求1或2所述的一种具有抑制叶顶泄漏和减小叶顶温度的动叶顶部结构，其特征在于:梯形隔肋⑶的凹口(11)为锥形凹口(17)，且锥形凹口(17)与梯形隔肋(8)的内表面(10)之间的角度(18)为45。?70。。
9.根据权利要求1或2所述的一种具有抑制叶顶泄漏和减小叶顶温度的动叶顶部结构，其特征在于:梯形隔肋(8)的凹口(11)为凹形凹口(19)，且凹形凹口(19)的曲率半径(20)为 0.3mm-3mm。
10.根据权利要求1或2所述的一种具有抑制叶顶泄漏和减小叶顶温度的动叶顶部结构，其特征在于:梯形隔肋(8)的凹口(11)为凸形凹口(21)，且凸形凹口(21)的曲率半径(22)为 0.3mm-3mm。
【专利摘要】本实用新型公开了一种具有抑制叶顶泄漏和减小叶顶温度的动叶顶部结构，包括设置在叶片本体顶部外表面上的梯形隔肋和若干射流孔；其中，梯形隔肋的上表面和内表面之间开设有沿梯形隔肋内侧延伸的凹口。本实用新型的透平叶顶结构具有抑制叶顶泄漏和降低叶顶温度的特性，不但可进一步提高透平机械的能量转换效率，还能因降低叶顶温度从而减小叶片本体的寿命消耗。此外，本实用新型减轻了叶片顶部质量，降低了叶顶刚度，从而提高了燃气透平运行安全可靠性。
【IPC分类】F01D5-20, F01D5-18
【公开号】CN204609951
【申请号】CN201520251621
【发明人】李园园, 肖俊峰, 于飞龙, 段静瑶, 高松, 上官博, 南晴, 胡孟起
【申请人】华能国际电力股份有限公司, 西安热工研究院有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年4月23日