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(shí)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(gè)冷卻回路、強(qiáng)化葉片頂部冷卻效果的渦輪轉(zhuǎn)子葉片。
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?，渦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(duì)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(duì)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。 由于制造上的特點(diǎn)，葉片在完成內(nèi)部冷卻通道腔室的精密鑄造后，在葉片頂部會(huì)將頂部封蓋以焊接的形式完成內(nèi)部冷卻回路的封閉。同時(shí)，在渦輪高溫燃?xì)饬鞯乐?，由于燃?xì)獾臋M向二次流及葉頂泄漏流動(dòng)，渦輪轉(zhuǎn)子葉片的葉頂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(duì)葉片頂部區(qū)域進(jìn)行更加有效合理的冷卻，以降低所述頂部區(qū)域的溫度和熱應(yīng)力水平。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種用于燃?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(duì)葉片頂部區(qū)域進(jìn)行更加有效合理的冷卻，以降低葉片頂部區(qū)域的溫度。本實(shí)用新型的目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，所述葉片包括葉片葉型、葉片葉根以及連接葉片葉型和葉片葉根的葉片平臺(tái)；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；在葉片內(nèi)部，包含三個(gè)冷卻回路用于葉片前緣冷卻的沖擊冷卻回路、用于葉片中部和葉片頂部冷卻的蛇形通道強(qiáng)化對(duì)流冷卻回路、用于葉片尾緣冷卻的尾緣柱肋及噴射冷卻回路；每個(gè)冷卻回路分別具有至少一個(gè)冷卻通道。葉片頂部設(shè)有一個(gè)頂部封蓋，該頂部封蓋焊接在葉片頂部以封閉葉片；所述頂部封蓋與葉片內(nèi)部的隔板形成蛇形通道強(qiáng)化對(duì)流冷卻回路中的橫向冷卻通道，所述橫向冷卻通道具有通向葉片外燃?xì)庵髁鞯闹辽僖粋€(gè)開口 ；在頂部封蓋的橫向冷卻通道側(cè)設(shè)有至少一個(gè)凸起結(jié)構(gòu)；所述頂部封蓋開有至少一個(gè)頂部氣膜孔；所述橫向冷卻通道內(nèi)冷卻氣體為從葉片前緣向葉片尾緣流動(dòng)，最終從所述頂部氣膜孔及橫向冷卻通道的所述開口流入燃?xì)庵髁?。所述凸起結(jié)構(gòu)是圓柱結(jié)構(gòu)、半球形結(jié)構(gòu)或者肋片結(jié)構(gòu)；凸起結(jié)構(gòu)與所述頂部封蓋是一體加工；所述頂部封蓋為單獨(dú)制造，并以焊接的形式安裝在葉片頂部；所述頂部封蓋的燃?xì)鈧?cè)表面還噴有抗氧化涂層和隔熱涂層。所述沖擊冷卻回路或所述蛇形通道強(qiáng)化對(duì)流冷卻回路的至少一個(gè)冷卻通道內(nèi)壁面具有至少一個(gè)肋片結(jié)構(gòu)。[0009]所述葉片前緣的壁上布置了至少一個(gè)氣膜冷卻孔；所述沖擊冷卻回路設(shè)置有至少一個(gè)沖擊冷卻孔；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。所述葉片尾緣內(nèi)部布置了至少一個(gè)柱肋結(jié)構(gòu)；所述葉片尾緣開有至少一個(gè)噴射通孔， 以使所述尾緣柱肋及噴射冷卻回路內(nèi)的冷卻氣體流出。本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果頂部封蓋的橫向冷卻通道側(cè)表面上設(shè)置了至少一個(gè)凸起結(jié)構(gòu)，使得冷卻氣體在流經(jīng)葉片頂部區(qū)域時(shí)，由于凸起結(jié)構(gòu)有強(qiáng)化對(duì)流換熱的作用，因此可強(qiáng)化頂部封蓋橫向冷卻通道側(cè)表面的傳熱冷卻效果。通常情況下，頂部封蓋燃?xì)鈧?cè)表面會(huì)噴涂有隔熱涂層；同時(shí)， 由于葉片頂部區(qū)域還存在氣膜冷卻，以及橫向冷卻通道內(nèi)部的用于強(qiáng)化對(duì)流換熱冷卻的結(jié)構(gòu)，因此，幾種冷卻形式可配合起來獲得頂部封蓋上傳熱性能的合理分布。

圖1是燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的三維視圖。圖2是本實(shí)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是頂部封蓋的放大視圖。圖5是頂部封蓋側(cè)視圖。圖6是頂部封蓋的仰視圖。圖7是圖2的B-B剖視圖。圖8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(tái)；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-冷卻通道分隔板；19-葉型中弧線；21-第二沖擊冷卻通道；22-第一沖擊冷卻通道；23-第三蛇形冷卻通道；24-橫向冷卻通道；25-第二蛇形冷卻通道；26-第一蛇形冷卻通道；27-尾緣冷卻通道；28-沖擊冷卻分隔板；31-葉片吸力面； 32-葉片壓力面；33-葉片前緣；34-葉片尾緣。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的原理、具體實(shí)施和工作過程做進(jìn)一步的說明附圖表示本實(shí)用新型的一個(gè)具體的實(shí)施例。圖1是燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的三維視圖，所述轉(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(tái)12;沿葉型中弧線19將葉片剖開，可以獲得葉片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。葉片葉型外表面由葉片吸力面31和葉片壓力面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(dòng)的多個(gè)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(qiáng)度綜合考慮進(jìn)行選定。在葉片內(nèi)部，包含三個(gè)冷卻回路即用于葉片前緣冷卻的沖擊冷卻回路、用于葉片中部和葉片頂部冷卻的蛇形通道強(qiáng)化對(duì)流冷卻回路、用于葉片尾緣冷卻的尾緣柱肋及噴射冷卻回路，這三個(gè)冷卻回路在葉片內(nèi)通過隔板隔開，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(duì)流冷卻、葉片頂部區(qū)域的冷卻，形成蛇形通道強(qiáng)化對(duì)流冷卻回路。在蛇形通道強(qiáng)化對(duì)流冷卻回路中，冷卻氣體在位于葉片頂部的橫向冷卻通道M內(nèi)從葉片前緣向葉片尾緣方向流動(dòng)，最終從葉片頂部的至少一個(gè)頂部氣膜孔5及橫向冷卻通道M的通向葉片外燃?xì)庵髁鞯囊粋€(gè)開口流出。本實(shí)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(gè)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觀上布置了至少一個(gè)沖擊冷卻孔3。第一沖擊冷卻通道22的內(nèi)壁面布置有強(qiáng)化對(duì)流冷卻效果的至少一個(gè)肋片結(jié)構(gòu)16，冷卻氣體在第一沖擊冷卻通道22內(nèi)向葉片頂部方向流動(dòng)時(shí)，沿程會(huì)通過所述沖擊冷卻孔3對(duì)位于第二沖擊冷卻通道21中的部分葉片前緣33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(gè)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_。所述氣膜冷卻孔的角度、孔徑等幾何尺寸以及數(shù)量根據(jù)葉片氣動(dòng)、傳熱等綜合影響效果來進(jìn)行確定。用于葉片尾緣34冷卻的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布置了至少一個(gè)柱肋結(jié)構(gòu)17，以強(qiáng)化所述葉片尾緣的對(duì)流冷卻效果。同時(shí)， 所述柱肋結(jié)構(gòu)連接葉片吸力面31和葉片壓力面32，起到強(qiáng)化葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的效果。所述柱肋結(jié)構(gòu)17的幾何尺寸和數(shù)量同樣需要根據(jù)冷卻效果和強(qiáng)度要求來綜合選定。在所述葉片尾緣布置了至少一個(gè)噴射通孔4，通常會(huì)使得冷卻氣體在所述噴射通孔中加速，從而增強(qiáng)對(duì)流冷卻效果。用于葉片中部和葉片頂部冷卻的蛇形通道強(qiáng)化對(duì)流冷卻回路包括第一蛇形冷卻通道沈、第二蛇形冷卻通道25、第三蛇形冷卻通道23和橫向冷卻通道對(duì)，其中第一蛇形冷卻通道沈、第二蛇形冷卻通道25和第三蛇形冷卻通道23為徑向方向，而橫向冷卻通道M 內(nèi)冷卻氣體為從葉片前緣到葉片尾緣橫向流動(dòng)。蛇形通道強(qiáng)化對(duì)流冷卻回路的各冷卻通道之間均由冷卻通道分隔板18隔開，使得冷卻氣體在其中蜿蜒流動(dòng)。蛇形通道強(qiáng)化對(duì)流冷卻回路的各冷卻通道內(nèi)壁面均布置了至少一個(gè)肋片結(jié)構(gòu)16，以強(qiáng)化各冷卻通道內(nèi)壁面的對(duì)流冷卻效果。蛇形通道強(qiáng)化對(duì)流冷卻回路內(nèi)的所述肋片結(jié)構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)、布置形式和數(shù)量需根據(jù)對(duì)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。由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，通常葉片頂部會(huì)有凹座結(jié)構(gòu)。在完成葉片內(nèi)部冷卻通道腔室的精密鑄造后，在葉片頂部會(huì)將一個(gè)頂部封蓋14以焊接的形式完成冷卻回路的封閉，并形成葉片頂部的凹座結(jié)構(gòu)。為了對(duì)葉片頂部進(jìn)行冷卻，通常在此頂部封蓋上布置所述頂部氣膜孔5，冷卻氣體形成氣膜來冷卻葉片頂部。即便如此，因?yàn)闇囟冗^高，氣膜覆蓋效果不均勻等原因，葉片頂部依然極容易被高溫氧化，出現(xiàn)裂紋、甚至燒蝕。正因?yàn)槿绱?，本?shí)用新型希望在不引入多余冷卻氣體的情況下，降低頂部封蓋的溫度。針對(duì)前述特定冷卻結(jié)構(gòu)形式的葉片。本實(shí)用新型在該橫向冷卻通道的頂部封蓋的內(nèi)側(cè)表面設(shè)有至少一個(gè)凸起結(jié)構(gòu)15，所述凸起結(jié)構(gòu)可以是半圓形結(jié)構(gòu)、圓柱結(jié)構(gòu)或者是肋片結(jié)構(gòu)，如圖4所示。冷卻氣體在葉片頂部區(qū)域橫向流動(dòng)時(shí)，所述凸起結(jié)構(gòu)將增大流體的湍
5流度，強(qiáng)化葉片頂部區(qū)域，尤其是頂部封蓋內(nèi)壁面上的對(duì)流冷卻效果。同時(shí)，根據(jù)流動(dòng)傳熱機(jī)理可知，在所述凸起結(jié)構(gòu)作用下，頂部封蓋內(nèi)壁面上的傳熱系數(shù)會(huì)出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。為了降低頂部封蓋的溫度，可對(duì)所述凸起結(jié)構(gòu)15進(jìn)行流-熱-固耦合計(jì)算，以優(yōu)化其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 作為一種優(yōu)選的特例，本實(shí)用新型給出了一種頂部封蓋結(jié)構(gòu)，頂部封蓋內(nèi)側(cè)壁面布置有3/4 圓弧的圓形凸起結(jié)構(gòu)。所述頂部氣膜孔5沿冷卻氣體流動(dòng)方向布置在所述凸起結(jié)構(gòu)后方約一倍孔徑處。所述頂部氣膜孔的具體位置如附圖6所示。為了降低頂部封蓋熱應(yīng)力水平，頂部封蓋14和所述凸起結(jié)構(gòu)15為一體鑄造完成。 為了進(jìn)一步降低頂部封蓋溫度，在頂部封蓋14的葉片燃?xì)鈧?cè)表面噴有抗氧化涂層和隔熱涂層(TBC)，這種涂層可進(jìn)一步降低頂部封蓋的溫度。盡管本實(shí)用新型描述的是申請(qǐng)人認(rèn)為是最實(shí)用且經(jīng)過優(yōu)化選擇的案例，但是本實(shí)用新型不限于上述詳細(xì)描述的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。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(tái)(12)；葉片葉型外表面由吸力面(31) 和壓力面(32)構(gòu)成，吸力面和壓力面的交界區(qū)域分別為葉片前緣(33)和葉片尾緣(34)；在葉片內(nèi)部，包含三個(gè)冷卻回路用于葉片前緣冷卻的沖擊冷卻回路，用于葉片中部和葉片頂部冷卻的蛇形通道強(qiáng)化對(duì)流冷卻回路，以及用于葉片尾緣冷卻的尾緣柱肋及噴射冷卻回路；每個(gè)冷卻回路分別具有至少一個(gè)冷卻通道；葉片頂部設(shè)有一個(gè)頂部封蓋(14)，該頂部封蓋焊接在葉片頂部以封閉葉片；所述頂部封蓋與葉片內(nèi)部的隔板形成蛇形通道強(qiáng)化對(duì)流冷卻回路中的橫向冷卻通道(M)，所述橫向冷卻通道具有通向葉片外燃?xì)庵髁鞯闹辽僖粋€(gè)開口 ；在頂部封蓋(14)的橫向冷卻通道側(cè)設(shè)有至少一個(gè)凸起結(jié)構(gòu)(15)；所述頂部封蓋(14)開有至少一個(gè)頂部氣膜孔(5)；所述橫向冷卻通道04)內(nèi)冷卻氣體為從葉片前緣向葉片尾緣流動(dòng)，最終從所述頂部氣膜孔(5)及橫向冷卻通道04)的所述開口流入燃?xì)庵髁鳌?br> 2.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，其特征在于所述頂部封蓋(14)為單獨(dú)制造，并以焊接的形式安裝在葉片頂部；所述頂部封蓋(14)的燃?xì)鈧?cè)表面還噴有抗氧化涂層和隔熱涂層。
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，其特征在于所述凸起結(jié)構(gòu)(15)是圓柱結(jié)構(gòu)、半球形結(jié)構(gòu)或者肋片結(jié)構(gòu)。
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，其特征在于所述凸起結(jié)構(gòu)(15)與所述頂部封蓋(14)是一體加工。
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，其特征在于所述沖擊冷卻回路或所述蛇形通道強(qiáng)化對(duì)流冷卻回路的至少一個(gè)冷卻通道內(nèi)壁面具有至少一個(gè)肋片結(jié)構(gòu)(16)。
6.如權(quán)利要求1所描述的一種燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于所述葉片前緣(33)的壁上布置了至少一個(gè)氣膜冷卻孔O)；所述沖擊冷卻回路設(shè)置有至少一個(gè)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C3)后，通過所述氣膜冷卻孔 O)流出。
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，其特征在于所述葉片尾緣(34)內(nèi)部布置了至少一個(gè)柱肋結(jié)構(gòu)(17)；所述葉片尾緣開有至少一個(gè)噴射通孔，以使所述尾緣柱肋及噴射冷卻回路內(nèi)的冷卻氣體流出。
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(tái)和葉片葉型；在葉片內(nèi)部，包括用于冷卻葉片前緣區(qū)域的沖擊冷卻回路、用于冷卻葉片尾緣區(qū)域的尾緣柱肋及噴射冷卻回路、用于冷卻葉片中部區(qū)域及葉片頂部區(qū)域的蛇形通道強(qiáng)化對(duì)流冷卻回路；在葉片頂部封蓋的內(nèi)側(cè)設(shè)置至少一個(gè)凸起結(jié)構(gòu)，用于強(qiáng)化葉片頂部封蓋的冷卻效果，由此降低葉片頂部封蓋的溫度。
文檔編號(hào)F01D5/18GK202055870SQ20112006489
公開日2011年11月30日 申請(qǐng)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(qǐng)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