一种涡轮静叶片的冷却结构制造技术

本发明专利技术公开了一种涡轮静叶片的冷却结构，包括涡轮静叶片和挡板；涡轮静叶片包括上缘板、下缘板和叶型；挡板为与涡轮静叶片的前段形状一致的薄壁钣金，包裹在上缘板、下缘板和叶型的前段，形成狭缝空腔。上缘板、下缘板和叶型分别在其前段按照一定的间隔设置有多个肋条及气孔。本发明专利技术设计一块薄壁挡板结构，使其与涡轮静叶片形成一定的狭缝空腔，冷却气流在空腔内部充分换热，使静叶片的叶型前段和缘板前段金属温度降低，气体经过狭缝流出时能实现高效的气膜覆盖于静叶燃气侧壁面上，实现对静叶燃气侧壁面的保护，提高了冷气的利用效率。同时将传统设计中最容易损坏的静叶叶型前段转移到薄壁挡板上，从而保护了静叶片本身不被破坏。破坏。破坏。

【技术实现步骤摘要】
一种涡轮静叶片的冷却结构


[0001]本专利技术涉及涡轮叶片冷却结构领域，具体为一种涡轮静叶片的冷却结构。

技术介绍

[0002]燃气机是内燃机的一种，其通过燃烧天然气产生动力做功，可用于推动汽车及轮船行走，也可以燃烧后驱动发电机发电。其优点在于比柴油机或汽油机更加清洁、环保。燃气机可以取代柴油机和汽油机，现广泛应用于公共交通、油田发电等领域。由燃气轮机的简单循环方式可知，提高涡轮进口燃气初温，可以提高燃机功率和性能，但与此同时涡轮叶片承受温度提高、服役环境恶劣程度加剧，F级燃气轮机燃气初温约1400℃，已远超叶片金属的承受极限。因此，涡轮叶片先进的冷却结构设计对于燃气轮机安全运行而言至关重要。
[0003]其中，典型的涡轮静叶均采用空心结构，通过冷却空气在叶片内腔、叶身气孔、叶片外壁面等位置的冲击冷却、对流冷却及气膜冷却等多种冷却方式的组合带走叶片热量实现降低温度的效果。而静叶叶型前段由于直接受到上游燃气冲刷，因此所处的环境更为恶劣，也是静叶损坏的常见部位之一，主要体现在涂层剥落、金属鼓包、烧穿、甚至断裂等。为了控制静叶叶型前段金属温度在允许范围内，常见冷却结构为来自压气机抽气进入静叶叶型前段空腔，然后经叶型前段壁面密布的气膜孔流出，在燃气作用下覆盖叶型前段外壁面实现气膜冷却，并配合叶片外壁面的陶瓷隔热涂层实现双重保护。
[0004]例如在申请公布号为CN 114396316 A，申请公布日为2022.04.26的中国专利技术专利中公开了一种透平静叶叶片和透平静叶，包括叶身，所述叶身具有前缘侧和后缘侧，所述叶身内设有第一腔和第二腔，所述第一腔、所述第二腔沿着从所述前缘侧至所述后缘侧的方向顺次设置，所述叶身的后缘侧设有劈缝，所述劈缝将所述第二腔与所述叶身的外侧连通，所述叶身设有多个气膜冷却孔，所述气膜冷却孔将所述第一腔、所述第二腔与所述叶身的外侧连通。
[0005]在申请公布号为CN 111485956 A，申请公布日为2020.08.04的中国专利技术专利中公开了一种涡轮导向冷却叶片，包括主体、第一隔板以及多个气膜孔，主体包括前缘和尾缘；第一隔板设置在主体内部，以在主体内部形成相独立的第一腔体和第二腔体，第一腔体位于主体靠近前缘的一侧，第二腔体位于主体靠近尾缘的一侧，第一隔板上设置有通气孔，第一腔体和第二腔体通过通气孔相连通；多个气膜孔均设置在主体上，多个气膜孔分别与第一腔体和第二腔体相连通；其中，气膜孔为第一通孔，气膜孔由气膜孔的中部朝向主体外表面的方向形成第一渐扩开口。
[0006]对于传统的静叶叶型前段和缘板前段冷却结构设计而言，主要存在以下的弊端：
[0007]一是，静叶叶型前段气膜冷却效果较差。静叶叶型前段处于在高速燃气的直接冲刷下，受制于叶型前段的曲率形状，叶型前段气膜孔出气对冲来流燃气，只在气膜孔附近小范围覆盖壁面，甚至起不到覆盖壁面的作用，气膜覆盖效果较差，隔绝燃气冲击的效果不理想，因此需要密集的气膜孔布置。
[0008]二是，静叶叶型前段气膜孔出气困难甚至存在燃气倒灌。静叶叶型前段区域存在
燃气滞止区，该区域压力与静叶腔室内来自压气机抽气的冷却空气压力相差不大，导致冷却空气向外流动的动力不足，甚至出现燃气向叶片内腔倒灌，燃气入侵叶片内部会导致叶片基体温度升高，产生氧化腐蚀、裂纹、鼓包等严重降低静叶使用寿命或运行安全的损伤发生。
[0009]三是，静叶叶型前段布置气膜孔非常密集，大大降低了静叶强度。由于静叶叶型前段气膜冷却有效度低，因此若想实现理想的气膜冷却效果，必须缩小气膜孔的布置间距，导致叶型前段气膜孔排布非常密集，导致叶片叶型前段材料去除量增加，叶片强度降低。
[0010]四是，静叶叶型前段在运行时易损坏，维修、更换叶片的成本高、周期长。静叶叶型前段附近燃气温度较高，而静叶内腔引入的冷却空气温度远低于燃气，二者巨大的温度差导致静叶叶型前段金属热应力高度集中，此为静叶叶型前段极易损坏的原因，且损坏后修复难度大，更为常见的是直接更换整只静叶，成本非常高。
[0011]五是，静叶缘板的气膜孔为保证气膜覆盖效果，顺气流方向需要一定角度，导致其无法布置在叶片缘板最前段位置，缘板前段金属承受燃气直接加热而得不到冷却，易氧化腐蚀。

技术实现思路

[0012]为克服现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种涡轮静叶片的冷却结构，在静叶片叶型前段和上、下缘板前段独立设计一块与叶型前段和缘板前段形状一致的薄壁钣金挡板结构，形成冷却气体的狭缝空腔，冷却气流在空腔内部充分换热后，使静叶叶型前段和缘板前段金属温度降低到允许范围内，然后气体经过狭缝流出时能实现高效的气膜覆盖于静叶燃气侧壁面上，实现对静叶燃气侧壁面的保护，提高了冷气的利用效率。
[0013]为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种涡轮静叶片的冷却结构，包括涡轮静叶片和挡板；所述的涡轮静叶片包括上缘板、下缘板和叶型；所述的挡板为与所述的涡轮静叶片的前段形状一致的薄壁钣金，包裹在所述的上缘板、下缘板和叶型的前段，形成狭缝空腔。
[0014]采取上述技术方案，将传统设计中最容易损坏的静叶叶型前段转移到薄壁挡板上，从而保护了静叶本身不被破坏，而更换挡板比现有技术中需要维修、更换整只静叶相对，简易且成本降低；同时使得传统方案难以冷却的缘板前段有了冷却保护，同时通过狭缝形成气膜覆盖。
[0015]本专利技术进一步设置为：所述的上缘板在其前段沿圆周方向按照一定的间隔设置有多个上缘板肋条，所述的上缘板上还设置有多个上缘板气孔。
[0016]本专利技术进一步设置为：所述的下缘板在其前段沿圆周方向按照一定的间隔设置有多个下缘板肋条，所述的下缘板上还设置有多个下缘板气孔。
[0017]本专利技术进一步设置为：所述叶型的前段外壁面沿着径向按照一定的间隔设置有多个叶型肋条；沿其壁厚方向设置有多个叶型气孔。
[0018]本专利技术进一步设置为：所述的叶型上还设置有供气腔室。
[0019]本专利技术进一步设置为：当所述的挡板安装在涡轮静叶片上时，所述的上缘板肋条、下缘板肋条、叶型肋条位于所述的挡板与上缘板、下缘板和叶型之间，在所述的涡轮静叶片上形成了上缘板狭缝腔室、下缘板狭缝腔室和叶型狭缝腔室。
[0020]采取上述技术方案，可使来自上缘板前段上侧的冷却空气，经过上缘板气孔进入上缘板狭缝腔室，冷却空气在狭缝腔室内流动后，经狭缝顺燃气流动方向流出腔室进入主流燃气；
[0021]来自下缘板前段下侧的冷却空气，经过下缘板气孔进入下缘板狭缝腔室，冷却空气在狭缝腔室内流动后，经狭缝顺燃气流动方向流出腔室进入主流燃气。
[0022]来自供气腔室的冷却空气，经过叶型气孔进入叶型狭缝腔室中。冷却空气在腔室内分成两个方向，分别经压力面和吸力面狭缝流出腔室，进入主流燃气中。
[0023]本专利技术进一步设置为：所述的上缘板、下缘板、叶型与所述的上缘板肋条、下缘板肋条、叶型肋条为一体铸造成型。
[0024]本专利技术进一步设置为：所述的挡板的外壁面喷涂一定厚度的TBC热障涂层，用于抵抗高温本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种涡轮静叶片的冷却结构，包括涡轮静叶片，所述的涡轮静叶片包括上缘板、下缘板和叶型；其特征在于，所述的一种涡轮静叶片的冷却结构还包括挡板；所述的挡板为与所述的涡轮静叶片的前段形状一致的薄壁钣金，包裹在所述的上缘板、下缘板和叶型的前段，形成狭缝空腔。2.根据权利要求1所述的一种涡轮静叶片的冷却结构，其特征在于，所述的上缘板在其前段沿圆周方向按照一定的间隔设置有多个上缘板肋条，所述的上缘板上还设置有多个上缘板气孔。3.根据权利要求1所述的一种涡轮静叶片的冷却结构，其特征在于，所述的下缘板在其前段沿圆周方向按照一定的间隔设置有多个下缘板肋条，所述的下缘板上还设置有多个下缘板气孔。4.根据权利要求1所述的一种涡轮静叶片的冷却结构，其特征在于，所述叶型的前段外壁面沿着径向按照一定的间隔设置有多个叶型肋条；所述的叶型上还...

【专利技术属性】
技术研发人员：隋永枫，初鹏，吴宏超，杨世锡，姚世传，薛彬彬，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：