一种燃气轮机涡轮动片的冷却结构
技术领域
本发明涉及地面重型燃气轮机涡轮叶片技术领域，尤其是公开了一种冷却效果较好，且制造简单的燃气轮机涡轮动片的冷却结构。
背景技术
为了提高燃气轮机整机效率，涡轮燃气温度在逐年升高，目前的燃气进口温度远高于金属材料的可承受温度，因此涡轮叶片的冷却设计成为了燃气轮机设计的关键技术之一，需要在冷气流量不超过目标值的情况下将叶片冷却至可接受的温度水平。其中，叶片前缘及其附近的换热系数很大，可以达到叶片外表面平均换热系数的2～4倍。对动叶片而言，由于其前缘直径小，该问题更加突出，前缘的换热系数很大，导致冷却难度很大。同时，动叶叶片顶部的泄漏流导致叶顶的换热系数一般也较高，且由于几何尺寸和空间限制，叶片顶部难以布置合适的冷却结构，所以动叶叶片顶部的冷却设计问题也比较突出。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供了一种燃气轮机涡轮动叶的冷却结构，该结构能够充分冷却叶片前缘、叶片顶部和叶身其他部分，冷却效果较好，且制造简单。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种燃气轮机涡轮动叶动叶的冷却结构，包括叶片内依次排列的四个通道，
第一通道，紧邻叶片前缘；
第二通道，与第一通道间隔设置的蛇形通道；
第三通道，与第二通道间隔设置的蛇形通道；
第四通道，与第三通道和叶片尾缘形成的蛇形通道；
叶片顶部，位于所述第一通道、所述第二通道、所述第三通道和所述第四通道的上端，所述叶片顶部为凹槽结构；
叶片底部，位于所述第一通道、所述第二通道、所述第三通道和所述第四通道的下端。
优选地，所述第一通道的叶片前缘设有至少1列气膜孔。
优选地，所述气膜孔为圆形直孔，所述气膜孔的孔径DM的范围为0.025D1≤DM≤0.05D1，所述气膜孔的孔节距T的范围为0.17D1≤T≤0.25D1。
优选地，所述气膜孔为两列，进一步优选地，所述气膜孔包括第一列气膜孔和第二列气膜孔，所述第一列气膜孔和第二列气膜孔分别位于叶片前缘滞止点的压力面和吸力面。
优选地，所述第一列气膜孔和第二列气膜孔的复合角均为30°。
优选地，所述通道内设扰流肋或扰流柱。
优选地，所述扰流肋或扰流柱设置在叶片通道的压力面和吸力面，通道的两个侧壁面不布置扰流肋或扰流柱。
优选地，所述扰流肋与气体流动方向均呈+45°夹角。
优选地，所述扰流肋的高度S范围为0.025D1≤S≤0.042D1，所述扰流肋的宽度W范围为0.025D1≤W≤0.042D1，所述扰流肋的肋节距P范围为0.25D1≤P≤0.42D1。
优选地，所述扰流柱的横截面为圆形，所述扰流柱的直径YF范围为0.083D1≤YF≤0.167D1，所述扰流柱的高度WF范围为0.11D1≤WF≤0.33D1，所述扰流柱的径向节距ZF范围为0.25D1≤ZF≤0.42D1，所述扰流柱的轴向截距XF范围为0.25D1≤XF≤0.42D1。
优选地，所述第一通道、第二通道和第三通道内分别设置第一扰流肋、第二扰流肋和第三扰流肋。
优选地，所述第四通道内错排设置三列扰流柱。
优选的，所述第二通道、第三通道和第四通道由2个U型弯头连接组成蛇形通道。
优选地，所述第二通道和第三通道上端设第一U型弯头，第三通道和第四通道的下端设第二U型弯头。
优选地，所述叶片尾缘为离散的劈缝，用于排出冷气。
优选地，所述劈缝的缝宽WL范围为0.045D1≤WL≤0.054D1，所述劈缝的缝高UL范围为0.045D1≤UL≤0.12D1，所述劈缝的节距ZL范围为0.167D1≤ZL≤0.333D1。
优选地，所述叶片顶部的凹槽结构为不完整的凹槽，具体为将叶片顶部轴向弦长的40％～70％区段切除。
优选地，所述凹槽的深度XT范围为0.042D1≤XT≤0.083D1，所述凹槽两侧的壁厚YT≥0.063D1。
优选地，所述凹槽的压力面设复合孔，所述复合孔包括工艺孔和冷却孔，所述工艺孔包括第一工艺孔、第二工艺孔和第三工艺孔，所述第一工艺孔与第一通道的连接，第二工艺孔与第二通道连接，第三工艺孔与第四通道连接；
优选地，所述冷却孔与所述第三通道连接。
优选得，所述叶片底部设进气口，所述进气口包括第一进气口、第二进气口，第三进气口和第四进气口，所述进气口沿轴向均匀地布置在叶片根部，所述第一进气口和第二进气口与第一通道的连接，所述第一进气口和第二进气口在叶片底部的叶片生根位置汇合，进入所述第一通道；
所述第三进气口和第四进气口与第二通道连接，所述第三进气口和第四进气口在叶片底部的叶片生根位置汇合，进入所述第二通道。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
1、本发明第一通道为单独供气，一方面，通过在通道内设扰流肋，将扰流肋布置在叶片压力面和吸力面，两个侧壁面不布置，另一方面在通道布置两列气膜孔，分别位于前缘滞止点的压力面和吸力面，并通过优化扰流肋和气流流动方向的角度、扰流肋的高度S、宽度W、节距P范围，以及气膜孔的孔径DM、孔节距T范围、两列气膜孔的复合角等参数的组合，能有效冷却叶片前缘部位。
2、为了降低叶顶压力面的温度，本发明切除了叶片顶部中弦区附近压力面的凹槽壁面金属，即采用不完整的凹槽结构，与该结构相配合，叶片顶部压力面布置冷却孔，并使压力面的孔带有一定的复合角，该复合角使得压力面排出的冷气能更容易冷却到叶片顶部，有效降低了叶片顶部压力面的温度，解决了由于叶片顶部尺寸限制和空间限制，难以布置合适的冷却结构的问题。
3、本发明第一通道有两个进气口，两个进气口的冷气从叶片底部流入之后，在叶片生根位置处汇合成一股。第二三四通道的冷气从第二通道的底部进气，也设有2个进气口，两个进口的冷气也在叶片生根位置处汇合成一股。叶片的4个进气口沿叶片轴向均匀布置。轴向均匀的冷气进口分布，使得叶根的温度比较均匀。
4、本发明第二、三和四通道由2个U型弯头连接组成蛇形通道，由第二通道底部进气，第二通道和第三通道带扰流肋，第四通道布置扰流柱，叶片尾缘为离散的劈缝，用于排气。利用带扰流肋的第二、三通道冷却叶片中弦区温度，使用这种带扰流柱的简单通道足以冷却。叶片尾缘温度稍高，冷却难度稍大，第四通道使用换热较强的扰流柱加劈缝结构，可以将叶片尾缘的温度冷却至合理的温度水平。
5、本发明的动叶的冷却结构只有4个通道，通道形状规则，因此铸造结构相对简单，机加工工作量也较少，只需要加工2列前缘气膜孔和几个叶顶孔。因此，总体来看，该种冷却结构制造简单。
附图说明
图1为燃气轮机涡轮动叶的立体模型剖切图。
图2为燃气轮机涡轮动叶的纵向剖切平面展开图。
图3为图2的E-E方向的剖视图。
图4为动叶的正向视图。
图5为图4动叶的Q-Q方向的剖视图。
图6为动叶第四通道的纵向剖视图。
图7为动叶第四通道R-R方向的横向剖视图。
图8为动叶叶片顶部局部正向视图。
图中，1、叶片，2A、第一进气口，2B、第二进气口，2C、第三进气口，2D、第四进气口，3、第一通道，4、第二通道，5、第三通道，6、第四通道，7、叶片前缘，8、扰流肋，9F、第一列气膜孔，9G、第二列气膜孔，10、叶片顶部，11、叶顶凹槽，12L、第一工艺孔、12M、第二工艺孔，12N、第三工艺孔，13、冷却孔，14J、第一U形弯头、14K、第三四通道U形弯头、15、叶片尾缘，16、扰流柱，17、劈缝，18、叶片生根，19、叶片根部，20、叶片吸力面，21、叶片压力面，22、气膜孔。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面通过具体实施方案结合附图及对本发明作进一步详细说明。其中，所述D1为叶身截面的最大厚度。
如图1-8所示，本发明提供了一种燃气轮机涡轮动叶的冷却结构，包括叶片1内依次排列的四个通道，
第一通道3，紧邻叶片前缘7；
第二通道4，与第一通道间隔3设置的蛇形通道；
第三通道5，与第二通道4间隔设置的蛇形通道；
第四通道6，与第三通道5和叶片尾缘15形成的蛇形通道；
叶片顶部10，位于所述第一通道3、所述第二通道4、所述第三通道5和所述第四通道6的上端，所述叶片顶部10为凹槽11结构；
叶片底部19，位于所述第一通道3、所述第二通道4、所述第三通道5和所述第四通道6的下端。
优选地，所述叶片前缘7设有至少1列气膜孔。
优选地，所述气膜孔为圆形直孔，所述气膜孔的孔径DM的范围为0.025D1≤DM≤0.05D1，所述气膜孔的孔节距T的范围为0.17D1≤T≤0.25D1。
优选地，所述气膜孔为两列，进一步优选地，所述气膜孔包括第一列气膜孔9F和第二列气膜孔9G，所述第一列气膜孔9F和第二列气膜孔G9分别位于叶片前缘7滞止点的21压力面和20吸力面。
优选地，所述第一列气膜孔9F和第二列气膜孔9G的复合角均为30°。
优选地，所述通道内设扰流肋8或扰流柱16。
优选地，所述扰流肋8或扰流柱16设置在叶片通道的21压力面和20吸力面，通道的两个侧壁面不布置扰流肋或扰流柱。
优选地，所述扰流肋8与气体流动方向均呈+45°夹角。
优选地，所述扰流肋8的高度S范围为0.025D1≤S≤0.042D1，所述扰流肋8的宽度W范围为0.025D1≤W≤0.042D1，所述扰流肋8的肋节距P范围为0.25D1≤P≤0.42D1。
优选地，所述扰流柱16的横截面为圆形，所述扰流柱16的直径YF范围为0.083D1≤YF≤0.167D1，所述扰流柱16的高度WF范围为0.11D1≤WF≤0.33D1，所述扰流16的径向节距ZF范围为0.25D1≤ZF≤0.42D1，所述扰流柱16的轴向截距XF范围为0.25D1≤XF≤0.42D1。
优选地，所述第一通道3、第二通道4和第三通道5内分别设置第一扰流肋、第二扰流肋和第三扰流肋。
优选地，所述第四通道6内错排设置三列扰流柱16。
优选的，所述第二通道4、第三通道5和第四通道6由2个U型弯头连接组成蛇形通道。
优选地，所述第二通道4和第三通道5上端设第一U型弯头14J，第三通道5和第四通道6的下端设第二U型弯头14K。
优选地，所述叶片尾缘15为离散的劈缝17，用于排出冷气。
优选地，所述劈缝17的缝宽WL范围为0.045D1≤WL≤0.054D1，所述劈缝17的缝高UL范围为0.045D1≤UL≤0.12D1，所述劈缝17的节距ZL范围为0.167D1≤ZL≤0.333D1。
优选地，所述叶片顶部10的凹槽11结构为不完整的凹槽，具体为将叶片顶部10轴向弦长的40％～70％区段切除。
优选地，所述凹槽11的深度XT范围为0.042D1≤XT≤0.083D1，所述凹槽11两侧的壁厚YT≥0.063D1。
优选地，所述凹槽11的压力面设复合孔，所述复合孔包括工艺孔和冷却孔，所述工艺孔包括第一工艺孔12L、第二工艺孔12M和第三工艺孔12N，所述第一工艺孔12L与第一通道3的连接，第二工艺孔12M与第二通道4连接，第三工艺孔12N与第四通道6连接；
优选地，所述冷却孔13与所述第三通道3连接。
优选得，所述叶片底部设进气口，所述进气口包括第一进气口2A、第二进气口2B，第三进气口2C和第四进气口2D，所述进气口沿轴向均匀地布置在叶片根部19，所述第一进气口2A和第二进气口2B与第一通道3连接，所述第一进气口2A和第二进气口2B在叶片底部的叶片生根18位置汇合，进入所述第一通道3；
所述第三进气口2C和第四进气口2D与第二通道4连接，所述第三进气口2C和第四进气口2D在叶片底部的叶片生根18位置汇合，进入所述第二通道4。
相比于现有技术：
1、本发明第一通道为单独供气，一方面，通过在通道内设扰流肋，将扰流肋布置在叶片压力面和吸力面，两个侧壁面不布置，另一方面在通道布置两列气膜孔，分别位于前缘滞止点的压力面和吸力面，并通过优化扰流肋和气流流动方向的角度、扰流肋的高度S、宽度W、节距P范围，以及气膜孔的孔径DM、孔节距T范围、两列气膜孔的复合角等参数的组合，能有效冷却叶片前缘部位。
2、为了降低叶顶压力面的温度，本发明切除了叶片顶部中弦区附近压力面的凹槽壁面金属，即采用不完整的凹槽结构，与该结构相配合，叶片顶部压力面布置冷却孔，并使压力面的孔带有一定的复合角，该复合角使得压力面排出的冷气能更容易冷却到叶片顶部，有效降低了叶片顶部压力面的温度，解决了由于叶片顶部尺寸限制和空间限制，难以布置合适的冷却结构的问题。
3、本发明第一通道有两个进气口，两个进气口的冷气从叶片底部流入之后，在叶片生根位置处汇合成一股。第二三四通道的冷气从第二通道的底部进气，也设有2个进气口，两个进口的冷气也在叶片生根位置处汇合成一股。叶片的4个进气口沿叶片轴向均匀布置。轴向均匀的冷气进口分布，使得叶根的温度比较均匀。
4、本发明第二、三和四通道由2个U型弯头连接组成蛇形通道，由第二通道底部进气，第二通道和第三通道带扰流肋，第四通道布置扰流柱，叶片尾缘为离散的劈缝，用于排气。利用带扰流肋的第二、三通道冷却叶片中弦区温度，使用这种带扰流柱的简单通道足以冷却。叶片尾缘温度稍高，冷却难度稍大，第四通道使用换热较强的扰流柱加劈缝结构，可以将叶片尾缘的温度冷却至合理的温度水平。
5、本发明的动叶的冷却结构只有4个通道，通道形状规则，因此铸造结构相对简单，机加工工作量也较少，只需要加工2列前缘气膜孔和几个叶顶孔。因此，总体来看，该种冷却结构制造简单。
在一些优选的方案中，各个通道的轴向划分位置可以变动，即各个通道的相对面积大小可以根据实际情况改变。
在一些优选的方案中，3列扰流柱和叶片尾缘的劈缝在第四通道中的相对轴向位置可以变动，根据实际通道的横截面积情况，扰流柱可以更靠前或者靠后。
在一些优选的方案中，4个叶片根部处的进气口的周向宽度可以变动，进气口的形状也不限于参考图中展示的长方形。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
