双层壁透平叶片和燃气轮机的制作方法

1.本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其是涉及一种双层壁透平叶片和具有该双层壁透平叶片的燃气轮机。

背景技术：

2.燃气轮机是一种重要的动力机械，在航空推进、船舶推进、发电等诸多领域都有其重要应用。目前燃气轮机的透平进口温度已远高于高温合金的耐热极限温度，必须采取相应措施来降低叶片运行温度，所以叶片冷却成为保障叶片安全可靠运行的燃机重大关键技术之一。
3.透平高温叶片普遍采用空心结构，通过从压气机抽取的高压气体来对叶片内部进行冷却。目前广泛使用的叶片的冷却方式主要包括冲击冷却、带肋蛇形通道冷却、柱肋冷却、气膜冷却等，但是这些冷却方式的强化换热能力仍然有限，无法满足更高热载荷的先进燃机运行条件。并且随着几十年的技术发展，对上述冷却方式的研究已相对充分，其冷却效果已接近自身的技术极限，若想大幅提升冷却效果，现有典型叶片内部结构较难实现。

技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种具有强化换热能力和冷却效率的双层壁透平叶片。
5.本发明的实施例还提出一种具有该双层壁透平叶片的燃气轮机。
6.本发明实施例的双层壁透平叶片，包括：外壳和内壳，所述外壳套设所述内壳，所述外壳与所述内壳之间形成环绕所述内壳的环形流道，所述叶片的尾缘处设有尾缘流道和与所述尾缘流道连通的出气口，所述尾缘流道位于所述环形流道的后侧，所述内壳内在靠近所述叶片的前缘处限定出前缘流道，所述内壳的前壁设有连通所述前缘流道和与所述环形流道的冲击孔，所述内壳内在所述前缘流道后侧限定出内壳流道，所述内壳的后侧设有连通所述内壳流道与所述尾缘流道的开口，所述叶片还具有与所述前缘流道与所述内壳流道中的每一者相连通的进气口。
7.本发明实施例提供的燃气轮机的叶片通过双层结构设计，外壳和内壳之间限定出环形流道，冷却气从内壳的前侧的冲击孔喷出对前缘的内壁面进行冲击冷却，而后分为两部分分别沿着环形流道向后流动，在该过程中两股冷却气分别流经压力面的内壁面和吸力面的内壁面，并最终从尾缘处喷出。如此设置能够显著增加冷气在叶片内部的换热面积，流量不变的情况下冷气能够带走更多的热量，大大提升冷却效率和换热能力，显著提高对叶片压力面和吸力面的冷却效果。
8.在一些实施例中，所述环形流道内设有第一柱肋结构，所述第一柱肋结构包括若干第一柱肋，所述第一柱肋的一端与所述内壳相连，所述第一柱肋的另一端与所述外壳相连。
9.在一些实施例中，所述第一柱肋位于所述内壳的两侧。
10.在一些实施例中，所述尾缘处设有第二柱肋结构，所述第二柱肋结构包括若干第二柱肋，若干所述第二柱肋限定出所述尾缘流道。
11.在一些实施例中，所述内壳中设有隔板，所述隔板用于隔离所述前缘流道与所述内壳流道。
12.在一些实施例中，所述内壳中设有沿叶片长度方向延伸的若干流道壁，所述若干流道壁限定出蛇形的所述内壳流道，蛇形的所述内壳流道包括沿叶片长度方向延伸的若干流道段。
13.在一些实施例中，所述若干流道壁在前缘-尾缘方向上间隔设置，靠近所述前缘的所述流道段与所述进气口连通，靠近所述尾缘的所述流道段与所述开口贯通。
14.在一些实施例中，所述内壳的前壁为平板结构，所述内壳的两个侧壁为弧形结构。
15.在一些实施例中，所述出气口位于所述尾缘流道的后方。
16.本发明另一方面实施例的燃气轮机，包括根据上述任一项实施例中的叶片。
附图说明
17.图1是本发明实施例提供的燃气轮机的叶片的轮廓图。
18.图2是本发明实施例提供的燃气轮机的叶片的a-a截面图。
19.图3是图2的b-b截面图。
20.图4是本发明一个实施例提供的第二柱肋结构的示意图。
21.图5是本发明另一个实施例提供的第二柱肋结构的示意图。
22.附图标记：
23.叶片100、
24.外壳1、环形流道12、第一柱肋121、
25.内壳2、内壳流道21、开口22、流道壁23、流道段24、冲击孔25、
26.前缘3、前缘流道31、
27.尾缘4、尾缘流道41、出气口42、第二柱肋43、
28.压力面5、吸力面6、隔板71、
29.第一进气口81、第二进气口82。
具体实施方式
30.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
31.下面根据图1-图5描述本发明实施例提供的双层壁透平叶片100。叶片100具有前缘3 和尾缘4，本领域的技术人员可知，前缘3为叶片100的外轮廓较宽的一侧，尾缘4为叶片100的外轮廓较窄的一侧。叶片100的两个外侧壁面分别为向内凹陷的压力面5和向外突出的吸力面6。
32.叶片100包括外壳1和内壳2，外壳1套设内壳2，外壳1与内壳2之间形成环绕内壳 2的环形流道12，叶片100的尾缘4处设有尾缘流道41和与尾缘流道41连通的出气口42，尾缘流道41位于环形流道12的后侧，即尾缘流道41相比环形流道12靠近叶片100的尾缘4。内壳2内在靠近叶片100的前缘3处限定出前缘流道31，内壳2的前壁设有连通前缘流道31和与环
形流道12的冲击孔25，即内壳2的靠近叶片100的前缘3的壁面上设有贯穿内壳2的冲击孔25，使前缘流道31中的冷却气通过冲击孔25进入环形流道12，冲击前缘3对应的内壁面，对前缘3进行冷却，而后沿着环形流道12向尾缘4处流动，在该过程中冷却气流经压力面5和吸力面6中的每一者对应的内壁面，进入尾缘流道41，并沿着尾缘流道41流动后从尾缘4处的出气口42喷出。冷却气在环形流道12中的流动能够对压力面5和吸力面6实现有效的冷却。
33.内壳2内在前缘流道31后侧限定出内壳流道21，即内科流道21位于前缘流道31的后侧，内壳2的后侧设有连通内壳流道21与尾缘流道41的开口22，内壳流道21的冷却气通过开口22流出内壳2进入尾缘流道41，与环形流道12中的冷却气汇合后沿着尾缘流道 41流动后从尾缘4处的出气口42喷出，以实现对叶片100的尾缘4的冷却。
34.叶片100还具有与前缘流道31与内壳流道21中的每一者相连通的进气口。冷却气从进气口进入前缘流道31和内壳流道21。
35.本发明实施例提供的燃气轮机的叶片通过双层结构设计，外壳和内壳之间限定出环形流道，冷却气从内壳的前侧的冲击孔喷出对前缘的内壁面进行冲击冷却，而后分为两部分分别沿着环形流道向后流动，在该过程中两股冷却气分别流经压力面的内壁面和吸力面的内壁面，并最终从尾缘处喷出。如此设置能够显著增加冷气在叶片内部的换热面积，流量不变的情况下冷气能够带走更多的热量，大大提升冷却效率和换热能力，显著提高对叶片压力面和吸力面的冷却效果。
36.因此，本发明实施例提供的燃气轮机的叶片可以显著提升内部结构的换热能力，大大提高冷却气对高温叶片的冷却效果。
37.为了表述方便，以图2所示的叶片100的长度方向为上下方向，前缘-尾缘方向为前后方向为例，描述本发明实施例的技术方案，上下方向和前后方向如图2中的箭头所示。
38.在一些实施例中，如图2和图3所示，内壳1内具有隔板71，隔板71位于前缘流道 31与内壳流道21之间，用于隔离前缘流道31与内壳流道21。具体地如图1所示，隔板 71沿竖直方向延伸，并与内壳2的两个侧壁面相连。
39.如图2所示，进气口设在叶片100的底部，进气口包括第一进气口81和第二进气口82，第一进气口81与前缘流道31的底部连通，冷却气从第一进气口81向上流入前缘流道31 中，第二进气口82与内壳流道21的底部连通，冷却气从第二进气口82向上流入内壳流道 21中。
40.在一些实施例中，如图3所示，内壳2的前壁为平板结构，内壳2的两个侧壁为弧形结构，且内壳2的两个侧壁面为与外壳1结构相匹配的弧形结构。
41.具体地，内壳2的前壁沿叶片100的长度方向延伸，内壳2的前壁上分布有若干贯穿其的冲击孔25，冲击孔25与前缘3的内壁面相对。冷却气通过第一进气口81进入前缘流道31并向上流通，通过冲击孔25向前喷射，进入环形流道12中，并对前缘3的内壁面产生冲击冷却的作用。冲击前缘3的内壁面之后的冷却气分为两部分，分别从两侧进入环形流道12并沿环形流道12向尾缘4处流动。
42.在一些实施例中，前缘3也可以设置有若干出气口，但需要注意的是，环境流道12中的部分冷却气可以从前缘3的出气口处喷出，以更好地对前缘3进行冷却，但是另一部分冷却气还是会通过环形流道12向后流动。
43.在一些实施例中，环形流道12中设有第一柱肋结构，第一柱肋结构包括若干第一
柱肋 121。第一柱肋121的一端与内壳2相连，第一柱肋121的另一端与外壳1相连。进入环形流道12中的冷却气沿着第一柱肋121之间形成的间隙流通，第一柱肋121的设置在增大换热面积的同时，还可以增强叶片100的结构强度。
44.作为示例，如图2和图3所示，第一柱肋121位于内壳2的两侧，第一柱肋121的第一端与内壳2的一个外侧面相连，第二端与外壳1的内壁面相连。第一柱肋121在上下方向上和环绕内壳2的周向上间隔分布。第一柱肋121的设置进一步增大了冷却气的换热面积，强化了换热能力，从而进一步增强了冷却效果。此外，由于第一柱肋121的支撑作用，叶片100的结构强度也得到了提高。
45.进一步地，第一柱肋121的导热效应还可以在一定程度上降低内壳2和外壳1之间的温度差，使叶片100的内外温度更均匀，减小了热应力。
46.可选地，第一柱肋121的为圆柱肋或棱柱肋。优选地，第一柱肋121为棱柱肋，例如，第一柱肋121的横截面形状为四棱柱。棱柱肋与圆柱肋相比，具有更高的强化换热能力，从而使本发明实施例提供的叶片100具有更好的冷却效果。
47.在一些实施例中，如图2和图3所示，尾缘处设有第二柱肋结构，第二柱肋结构包括若干第二柱肋43，若干第二柱肋43限定出尾缘流道41。进入尾缘流道41的冷却气在第二柱肋43之间穿梭，与第二柱肋43接触后改变方向，从而实现冷却气在尾缘处翻腾，延长了冷却气在尾缘流道41中的流通时间，进而提高了散热效果。
48.如图2和图3所示，第二柱肋43的两端分别与外壳1内侧的两个侧壁面相连，若干第二柱肋43在上下方向和前后方向上间隔设置，在增大换热面积、强化换热效果的同时，起到了增强尾缘4处结构强度的作用。
49.进一步地，第二柱肋结构中的若干第二柱肋43交错排布。如图2所示，第二柱肋43 组成多排，每排包括多个沿前后方向间隔排布的第二柱肋43，相邻两排第二柱肋43在上下方向上交错排布。如此，可以进一步延长尾缘流道41的长度，延长冷却气在尾缘流道 41中的流通时间，提高散热冷却效果。
50.可选地，第二柱肋43的为圆柱肋或棱柱肋。优选地，第二柱肋43为棱柱肋，例如，如图4所示，第二柱肋43的横截面形状为菱形。如图5所示，第二柱肋43的横截面为矩形。图中箭头为冷却气的流通方向。棱柱肋与圆柱肋相比，具有更高的强化换热能力，从而使本发明实施例提供的叶片100具有更好的冷却效果。
51.在一些实施例中，如图2和图3所示，内壳2中设有若干沿叶片100长度方向(上下方向)延伸的流道壁23，若干流道壁23限定出蛇形的内壳流道21，蛇形的内壳流道21包括若干沿叶片长度方向(上下方向)延伸的流道段24。若干流道壁23在前缘-尾缘方向(前后方向)上间隔设置，靠近前缘3的流道段24与第二进气口82连通，靠近尾缘4的流道段24与开口22连通。
52.具体地，如图2和图3所示，内壳2内设置有两个竖直设置的流道壁23，两个流道壁 23在前后方向上间隔排布，将内壳2的位于前缘流道31后侧的内部空间限定出蛇形的内壳流道21，内壳流道21包括三段竖直延伸的流道段24，相邻流道段24首尾相连。第二进气口82与位于最前方的流道段24的底部连通，位于最后方的流道段24与开口22连通，进而与尾缘流道41连通。
53.蛇形的内壳流道21延长了冷却气在内壳流道21中的流通路径的长度和时间，从而
进一步提高了冷却气的换热能力，增强了换热效果。
54.可以理解的是，在其他实施例中，可以在内壳2内设置有更多数量的流道壁23以进一步延长内壳流道21的长度。
55.可选地，内壳2后侧设置的开口22可以为孔状或缝状。
56.可选地，出气口42可以为孔状或缝状。
57.优选地，如图2和图3所示，出气口42位于尾缘流道41的后方。将出气口42设置在外壳1的最后端，使出气口42与尾缘流道41的进气侧，可以最大程度上延长尾缘流道41 的长度，确保冷却气可以最大程度地对尾缘4进行接触冷却。
58.下面根据图2和图3描述上述实施例中的叶片100的冷却原理和冷却过程。
59.冷却气在叶片100内部的流通路径具体地如图2和图3中的箭头所示，一部分冷却气从底部的第一进气口81进入前缘流道31，随后通过内壳2前壁上的冲击孔25喷出，以实现前缘3的冷却。另一部分冷却气从底部的第二进气口82进入内壳流道21，并沿蛇形的内壳流道21向后流通，从内壳2后侧的开口22流入尾缘流道41。
60.从冲击孔25喷出的冷却气分为两路，沿着环形流道12向尾缘4方向流动，在环形流道12中，冷却气与第一柱肋结构接触换热，还与压力面5和吸力面6对应的内壁面接触换热，实现对压力面5和吸力面6的有效冷却。从环形流道12流出的冷却气与从内壳流道 21流出的冷却气汇合后进入尾缘流道41中，沿尾缘流道41流通后从出气口42喷出，实现对尾缘4的有效冷却，同时尾缘4中的第二柱肋结构强化换热。
61.上述实施例中的燃气轮机的叶片前缘3使用冲击冷却，尾缘4采用柱肋通道冷却，中部使用双层结构冷却。通过双层结构设计对压力面5和吸力面6对应的内壁进行冷却，比传统带肋通道具有更强的换热能力，冷却气的换热面积显著增大，相同流量下冷气将带走更多的热量，大大提升了冷却气的利用效率。并且在环形流道12中使用柱肋结构进一步增强换热能力。因此本发明实施例提供的叶片100具有良好的冷却效果。
62.本发明的另一个实施例提供了一种燃气轮机，该燃气轮机包括上述任一项实施例中的叶片100。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
63.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
64.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
65.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以
是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
66.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
67.尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。

技术特征：

1.一种双层壁透平叶片，其特征在于，包括：外壳和内壳，所述外壳套设所述内壳，所述外壳与所述内壳之间形成环绕所述内壳的环形流道，所述叶片的尾缘处设有尾缘流道和与所述尾缘流道连通的出气口，所述尾缘流道位于所述环形流道的后侧，所述内壳内在靠近所述叶片的前缘处限定出前缘流道，所述内壳的前壁设有连通所述前缘流道和与所述环形流道的冲击孔，所述内壳内在所述前缘流道后侧限定出内壳流道，所述内壳的后侧设有连通所述内壳流道与所述尾缘流道的开口，所述叶片还具有与所述前缘流道与所述内壳流道中的每一者相连通的进气口。2.根据权利要求1所述的双层壁透平叶片，其特征在于，所述环形流道内设有第一柱肋结构，所述第一柱肋结构包括若干第一柱肋，所述第一柱肋的一端与所述内壳相连，所述第一柱肋的另一端与所述外壳相连。3.根据权利要求2所述的双层壁透平叶片，其特征在于，所述第一柱肋位于所述内壳的两侧。4.根据权利要求1所述的双层壁透平叶片，其特征在于，所述尾缘处设有第二柱肋结构，所述第二柱肋结构包括若干第二柱肋，若干所述第二柱肋限定出所述尾缘流道。5.根据权利要求1所述的双层壁透平叶片，其特征在于，所述内壳中设有隔板，所述隔板用于隔离所述前缘流道与所述内壳流道。6.根据权利要求1或5所述的双层壁透平叶片，其特征在于，所述内壳中设有沿叶片长度方向延伸的若干流道壁，所述若干流道壁限定出蛇形的所述内壳流道，蛇形的所述内壳流道包括沿叶片长度方向延伸的若干流道段。7.根据权利要求6所述的双层壁透平叶片，其特征在于，所述若干流道壁在前缘-尾缘方向上间隔设置，靠近所述前缘的所述流道段与所述进气口连通，靠近所述尾缘的所述流道段与所述开口贯通。8.根据权利要求1所述的双层壁透平叶片，其特征在于，所述内壳的前壁为平板结构，所述内壳的两个侧壁为弧形结构。9.根据权利要求1所述的双层壁透平叶片，其特征在于，所述出气口位于所述尾缘流道的后方。10.一种燃气轮机，其特征在于，包括根据权利要求1-9中任一项所述的叶片。

技术总结

本发明公开了一种双层壁透平叶片和燃气轮机，双层壁透平叶片包括外壳和内壳，外壳套设内壳，外壳与内壳之间形成环绕内壳的环形流道，叶片的尾缘处设有尾缘流道和与尾缘流道连通的出气口，尾缘流道位于环形流道的后侧，内壳内在靠近叶片的前缘处限定出前缘流道，内壳的前壁设有连通前缘流道和与环形流道的冲击孔，内壳内在前缘流道后侧限定出内壳流道，内壳的后侧设有连通内壳流道与尾缘流道的开口，叶片还具有与前缘流道与内壳流道中的每一者相连通的进气口。通过双层壁结构设计在外壳和内壳之间限定出环形流道，能够显著增加冷气在叶片内部的换热面积，大大提升冷却效率和换热能力，显著提高对叶片压力面和吸力面的冷却效果。果。果。