一种透平机动叶片及具有其的燃气轮机透平机的制作方法

1.本发明涉及燃气轮机透平机冷却技术领域，具体涉及一种透平机动叶片及具有其的燃气轮机透平机。


背景技术：

2.与传统化石能源不同，新能源发电受太阳光照、风力强度等外界环境因素影响较大，发电量呈现不稳定、难预测、高波动等特点，难以匹配电网需求侧的要求，在用电高峰期和低谷期分别呈现“用电荒”和“弃电”现象。为保障新能源发电的正常使用，需要配套一定量的储能和调峰设施。燃气轮机由于其快速启停和变工况的特点，一直以来都是电力调峰的重要手段之一。
3.燃气轮机透平动叶叶尖长期处于高温环境中，受高温燃气冲击的影响，叶尖材料容易发生疲劳断裂等现象。为隔离叶尖材料与高温燃气间的接触，现有技术中的燃气轮机采用了气膜冷却方式。采用在叶尖上游的机匣位置设计冷却槽缝结构来对叶尖壁面进行冷却。然而凹槽状叶尖受其几何结构的影响，上游冷却槽缝流出的大量冷气无法直接进入叶尖凹槽内部、进而无法对叶尖壁面进行冷却保护。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的透平机动叶片的凹槽状叶尖边缘会对冷气造成阻挡导致冷气无法直接进入叶尖凹槽内部、进而无法对叶尖壁面进行冷却保护的缺陷，从而提供一种透平机动叶片及具有其的燃气轮机透平机。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供一种透平机动叶片，包括：
6.叶片本体，其内部为中空结构，所述叶片本体的厚度从尖端至相对的另一端逐渐增大，所述叶片本体的顶部设置有隔离板；
7.压力侧肩壁，设于所述叶片本体顶部，所述压力侧肩壁沿所述叶片本体的侧边呈弧形延伸；
8.吸力侧肩壁，设于所述叶片本体顶部，所述吸力侧肩壁沿所述叶片本体的另一侧边呈弧形延伸至与所述压力侧肩壁在所述叶片本体的尖端相连接，所述吸力侧肩壁远离所述叶片本体的尖端的一端与所述压力侧肩壁分离，以使所述压力侧肩壁与所述吸力侧肩壁之间形成进流空间。
9.可选地，所述隔离板上设置有气膜冷却孔。
10.可选地，所述气膜冷却孔设于所述进流空间的下游。
11.可选地，所述压力侧肩壁和/或所述吸力侧肩壁的高度为叶片本体高度的1％－3％。
12.可选地，所述压力侧肩壁和/或所述吸力侧肩壁的高度为叶片本体厚度的1％－3％。
13.本发明还提供一种燃气轮机透平机，具有本发明所述的透平机动叶片。
14.可选地，透平机动叶片安装在机匣内，所述机匣内还安装有透平机静叶片，所述透平机静叶片安装在所述透平机动叶片上游，所述机匣上设置有槽缝冷却口，所述槽缝冷却口朝向所述透平机静叶片与所述透平机动叶片之间，且所述槽缝冷却口朝向所述透平机动叶片倾斜设置。
15.可选地，所述槽缝冷却口的出口端靠近所述透平机静叶片的一侧设置有挡流部，所述挡流部朝向远离所述槽缝冷却口的方向延伸。
16.可选地，所述挡流部的高度为所述透平机动叶片的叶片本体高度的1％～3％。
17.可选地，所述槽缝冷却口与所述透平机动叶片顶面之间的夹角为15
°
～75
°
。
18.本发明技术方案，具有如下优点：
19.1.本发明提供的透平机动叶片，包括：叶片本体，其内部为中空结构，叶片本体的厚度从尖端至相对的另一端逐渐增大，叶片本体的顶部设置有隔离板；压力侧肩壁，设于叶片本体顶部，压力侧肩壁沿叶片本体的侧边呈弧形延伸；吸力侧肩壁，设于叶片本体顶部，吸力侧肩壁沿叶片本体的另一侧边呈弧形延伸至与压力侧肩壁在叶片本体的尖端相连接，吸力侧肩壁远离叶片本体的尖端的一端与压力侧肩壁分离，以使压力侧肩壁与吸力侧肩壁之间形成进流空间。
20.通过去除透平机动叶片叶尖前缘区域内的压力侧肩壁和吸力侧肩壁，叶尖整体仍保持凹槽状叶尖的状态，此时叶尖凹槽内叶尖泄漏流仍呈s型流动轨迹，叶尖间隙泄漏流流量仍保持在较低水平。去除了叶尖前缘区域内的压力侧肩壁和吸力侧肩壁后，冷却空气从压力侧肩壁与吸力侧肩壁之间形成的进流空间之间进入到凹槽内，冷气进入叶尖间隙的流量增加，叶尖壁面的冷却效率得到提升。同时叶尖凹槽内压力侧角涡的起始位置也向后移动，叶尖间隙泄漏流对叶尖壁面冲击的作用区域面积减小，从而降低了叶尖壁面的高换热区域，进而对叶尖壁面进行高效冷却保护。
21.2.本发明提供的透平机动叶片，隔离板上设置有气膜冷却孔。通过设置气膜冷却孔，从叶片本体的内腔向叶尖凹槽内吹出另一股冷空气，使得在叶片本体顶部形成一层冷气膜，隔绝高温燃气对叶片本体叶尖的冲击。
22.3.本发明提供的燃气轮机透平机，透平机动叶片安装在机匣内，机匣内还安装有透平机静叶片，透平机静叶片安装在透平机动叶片上游，机匣上设置有槽缝冷却口，槽缝冷却口朝向透平机静叶片与透平机动叶片之间，且槽缝冷却口朝向透平机动叶片倾斜设置。通过将槽缝冷却口倾斜朝向透平机动叶片设置，使得槽缝冷却口吹出的冷气能够直接吹向透平机动叶片的叶尖对其进行冷却，减少冷气与来自机匣上游的高温燃气之间的换热，提升槽缝冷却口吹出的冷气对透平机动叶片的叶尖的冷却效率。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明的实施方式中提供的透平机动叶片的结构示意图。
25.图2为本发明的实施方式中提供的燃气轮机透平机的结构示意图。
26.图3为本发明的实施方式中提供的燃气轮机透平机内透平机静叶片与透平机动叶片安装位置的示意图。
27.图4为本发明的实施方式中提供的槽缝冷却口的结构示意图。
28.图5为本发明的实施方式中提供的槽缝冷却口周围的空气流场示意图。
29.图6为本发明的实施方式中提供的透平机动叶片叶尖冷气覆盖范围示意图。
30.附图标记说明：1、叶片本体；2、压力侧肩壁；3、吸力侧肩壁；4、气膜冷却孔；5、机匣；6、透平机静叶片；7、槽缝冷却口；8、挡流部；9、静叶端壁；10、动叶端壁。
具体实施方式
31.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
35.实施例1
36.图1所示为本实施例提供的一种透平机动叶片，包括叶片本体1、压力侧肩壁2和吸力侧肩壁3。
37.为降低叶尖泄漏损失，燃气轮机常采用凹槽状叶尖结构。凹槽状叶尖在平叶尖的基础上改进得到，凹槽状叶尖中间为凹槽结构，称为叶尖凹槽，叶尖凹槽的压力侧称为压力侧肩壁2，叶尖凹槽的吸力侧称为吸力侧肩壁3。在压力侧肩壁2和吸力侧肩壁3几何结构的作用下，叶尖凹槽内形成了刮削涡和压力侧角涡，叶尖间隙泄漏流在以上两涡的作用下在叶尖间隙内呈s型流动轨迹，叶尖间隙泄漏流的通流面积降低，从而减少了叶尖间隙泄漏流的泄漏量。然而凹槽状叶尖受其几何结构的影响，上游的大量冷气无法直接进入叶尖凹槽内部、进而无法对叶尖壁面进行冷却保护。为解决上述问题，本实施例以某高压透平第一级动叶片为研究对象，通过改变凹槽状叶尖的肩壁几何结构，提升叶尖壁面的冷却效率、增强叶尖壁面的冷却效果。
38.本实施例提供的叶片本体1内部为中空结构，叶片本体1的厚度从尖端至相对的另一端逐渐增大，叶片本体1的顶部设置有隔离板。压力侧肩壁2设于叶片本体1顶部，压力侧肩壁2沿叶片本体1的侧边呈弧形延伸。吸力侧肩壁3设于叶片本体1顶部，吸力侧肩壁3沿叶
片本体1的另一侧边呈弧形延伸至与压力侧肩壁2在叶片本体1的尖端相连接，吸力侧肩壁3远离叶片本体1的尖端的一端与压力侧肩壁2分离，以使压力侧肩壁2与吸力侧肩壁3之间形成进流空间。
39.隔离板上设置有气膜冷却孔4。气膜冷却孔4设于进流空间的下游。压力侧肩壁2和吸力侧肩壁3的高度为叶片本体1高度的1％－3％，本实施例中，压力侧肩壁2和吸力侧肩壁3的高度平齐，压力侧肩壁2和吸力侧肩壁3的高度叶片本体1高度的2％。压力侧肩壁2和吸力侧肩壁3的厚度为叶片本体1高度的1％－3％。本实施例中，压力侧肩壁2和吸力侧肩壁3的厚度为叶片本体1高度的1％。
40.与传统凹槽状叶尖相比，本实施例提供的透平机动叶片叶尖前缘区域内无压力侧肩壁2和吸力侧肩壁3结构。叶尖的压力侧肩壁2起始位置为叶尖周向弦长的30％处；叶尖的吸力侧肩壁3起始位置为叶尖周向弦长的40％处。叶尖压力侧肩壁2的起始点与叶尖吸力侧肩壁3的起始点连线与叶尖中弧线相垂直。通过去除叶尖前缘区域内的压力侧肩壁2和吸力侧肩壁3，透平动叶片的叶尖整体仍保持凹槽状叶尖的状态，此时叶尖凹槽内叶尖泄漏流仍呈s型流动轨迹，叶尖间隙泄漏流流量仍保持在较低水平。去除叶尖前缘区域内的压力侧肩壁2和吸力侧肩壁3后，叶尖凹槽内压力侧角涡的起始位置也向后移动，叶尖间隙泄漏流对叶尖壁面冲击的作用区域面积减小，从而降低了叶尖壁面的高换热区域。由于叶尖前缘区域内的压力侧肩壁2和吸力侧肩壁3对上游槽缝冷气进入叶尖凹槽存在阻塞作用，去除了叶尖前缘区域内的压力侧肩壁2和吸力侧肩壁3后，槽缝冷气进入叶尖间隙的流量增加，叶尖壁面的冷却效率得到提升。
41.实施例2
42.图2至图6所示为本实施例提供的一种燃气轮机透平机，具有实施例1所述的透平机动叶片。
43.燃气轮机透平机由透平机静叶片6和透平机动叶片组成，透平机静叶片6和透平机动叶片在径向方向两侧分别为静叶端壁9、动叶端壁10和机匣5。其中透平机静叶片6两侧分别与静叶端壁9和机匣5相连接，均为静止部件；透平机动叶片仅单侧与动叶端壁10相连接，为旋转部件。静止的机匣5和旋转的透平机动叶片之间存在径向的叶尖间隙以防止摩擦的发生。由于叶尖压力侧和吸力侧之间存在压力梯度，叶栅通道内的高温流体在该压力梯度的驱使下直接穿过叶尖间隙，形成叶尖间隙泄漏流。叶尖间隙泄漏流无法对动叶做功，降低了透平的做功能力，被称为叶尖泄漏损失。为降低叶尖泄漏损失，燃气轮机常采用凹槽状叶尖结构。凹槽状叶尖在平叶尖的基础上改进得到，凹槽状叶尖中间为凹槽结构，称为叶尖凹槽，叶尖凹槽的压力侧称为压力侧肩壁2，叶尖凹槽的吸力侧称为吸力侧肩壁3。在压力侧肩壁2和吸力侧肩壁3几何结构的作用下，叶尖凹槽内形成了刮削涡和压力侧角涡，叶尖间隙泄漏流在以上两涡的作用下在叶尖间隙内呈s型流动轨迹，叶尖间隙泄漏流的通流面积降低，从而减少了叶尖间隙泄漏流的泄漏量。针对在燃气轮机透平机动叶片叶尖前缘上游位置设置冷却槽缝后，凹槽状叶尖结构设计阻塞冷气流进入叶尖凹槽内部，叶尖壁面无法得到充分冷却的问题，本实施例以某高压透平第一级动叶片为研究对象，通过分析叶尖区域内流场结构特征，判断冷却气流和叶尖间隙泄漏流的流动特点，优化叶尖几何造型结构。改变叶尖压力侧肩壁2和吸力侧肩壁3的起始位置，可以有效地增加机匣5槽缝冷气流进入叶尖凹槽的流量，从而提升叶尖壁面的冷却效率。
44.本实施例中的透平机动叶片安装在机匣5内，机匣5内还安装有透平机静叶片6，透平机静叶片6安装在透平机动叶片上游，机匣5上设置有槽缝冷却口7，槽缝冷却口7朝向透平机静叶片6与透平机动叶片之间，且槽缝冷却口7朝向透平机动叶片倾斜设置。
45.槽缝冷却口7的出口端靠近透平机静叶片6的一侧设置有挡流部8，挡流部8朝向远离槽缝冷却口7的方向延伸。挡流部8的高度为透平机动叶片的叶片本体1高度的1％～3％。槽缝冷却口7与透平机动叶片顶面之间的夹角为15
°
～75
°
。本实施例中挡流部8的高度为透平机动叶片的叶片本体1高度的1％。槽缝冷却口7与透平机动叶片顶面之间的夹角为30
°
。
46.对流换热系数h定义如下(单位：w/(k
·
m2))：
[0047][0048]
上式中：q为叶尖壁面的热流密度(单位：w/m2)；ta为叶尖壁面附近流体温度(单位：k)；tw为叶尖壁面温度(单位：k)。
[0049]
壁面冷却效率η定义为：
[0050][0051]
上式中：t
∞
为透平主流温度(单位：k)；tw为叶尖壁面温度(单位：k)；tc为冷气温度(单位：k)。
[0052]
本实施例提供的燃气轮机透平机，透平机动叶片的叶尖前缘上游位置设置有槽缝冷却口7；透平机动叶片的叶尖以凹槽状叶尖为基准，针对叶尖压力侧肩壁2和吸力侧肩壁3的起始位置进行优化，旨在增加叶尖间隙内的冷气流量，提升叶尖壁面的冷却效率，保护叶尖材料的正常工作。透平机动叶片的叶尖与机匣5之间的叶尖间隙尺寸为透平机动叶片高度的1％，压力侧肩壁2和吸力侧肩壁3的肩壁高度g为透平机动叶片高度h的2％，压力侧肩壁2和吸力侧肩壁3的肩壁宽度k为透平机动叶片高度h的1％。
[0053]
透平机动叶片叶尖前缘上游位置的槽缝冷却口7位于机匣台阶上方位置，保持倾斜式结构特点。为避免机匣台阶和叶尖前缘在燃气轮机运行过程中产生摩擦，机匣台阶和叶尖前缘之间存在有轴向间隙。槽缝冷却口7的槽缝宽度f设置为透平机动叶片高度h的1％，槽缝冷却口7的槽缝倾角e设置为30
°
，作为挡流部8的机匣台阶高度t设置为透平机动叶片高度h的1％。
[0054]
图5给出了透平机动叶片的叶尖上游机匣5上槽缝冷却口7的三维放大图。槽缝冷却口7在竖直径向方向存在一个台阶结构，该台阶高度与叶尖间隙尺寸相等，诱发台阶与叶尖之间的轴向间隙内形成一个肋后涡，阻塞了高温主流燃气进入叶尖间隙。槽缝冷却口7存在轴向倾角，在冷却槽缝倾角e＝30
°
时，更容易诱使冷气进入叶尖间隙内部。
[0055]
对比现有技术中的透平机叶片的凹槽状叶尖和本实施例提供的透平机叶片的叶尖前缘区域内的流场结构，现有技术中的透平机叶片的凹槽状叶尖机匣上槽缝冷却口的冷气流在进入叶尖凹槽内的过程中，叶尖前缘肩壁处的通流面积较小，同时上有的高温主流燃气与冷气流在肩壁上方交汇的位置会形成一个分离涡，会减少冷气的同流面积，增加冷气进入叶尖凹槽的阻力。图4给出了采用本实施例的叶尖前缘区域内流场结构示意图。与传统凹槽状叶尖结构相比，叶尖前缘位置无肩壁结构存在，机匣上槽缝冷却口的冷气流在进
入叶尖凹槽内的过程中，通流面积始终处于较大程度；虽然此时叶尖凹槽底面仍存在有分离涡，但对整体的通流面积影响较小，冷气进入叶尖凹槽的阻力得到降低。叶尖壁面的冷却效率得到提升。
[0056]
本实施例还针对不同起始位置压力侧肩壁2和吸力侧肩壁3的叶尖进行了采用数值模拟方法进行了计算，数值计算结果显示，当叶尖压力侧肩壁2的起始点与叶尖吸力侧肩壁3的起始点连线与叶尖中弧线相垂直时，叶尖壁面的冷却效果最佳，此时叶尖的压力侧肩壁2起始位置为叶尖周向弦长的30％处，叶尖的吸力侧肩壁3起始位置为叶尖周向弦长的40％处。图6所示为本实施例提供的透平机叶片的叶尖壁面上来自槽缝冷却口7的冷气覆盖区域示意图，其中阴影部分为冷气覆盖区域。通过对比可以发现，当采用本发明的叶尖设计时，叶尖壁面的气膜冷却范围向叶尖尾缘方向延伸，叶尖壁面气膜冷却覆盖面积增加。
[0057]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种透平机动叶片，其特征在于，包括：叶片本体(1)，其内部为中空结构，所述叶片本体(1)的厚度从尖端至相对的另一端逐渐增大，所述叶片本体(1)的顶部设置有隔离板；压力侧肩壁(2)，设于所述叶片本体(1)顶部，所述压力侧肩壁(2)沿所述叶片本体(1)的侧边呈弧形延伸；吸力侧肩壁(3)，设于所述叶片本体(1)顶部，所述吸力侧肩壁(3)沿所述叶片本体(1)的另一侧边呈弧形延伸至与所述压力侧肩壁(2)在所述叶片本体(1)的尖端相连接，所述吸力侧肩壁(3)远离所述叶片本体(1)的尖端的一端与所述压力侧肩壁(2)分离，以使所述压力侧肩壁(2)与所述吸力侧肩壁(3)之间形成进流空间。2.根据权利要求1所述的透平机动叶片，其特征在于，所述隔离板上设置有气膜冷却孔(4)。3.根据权利要求2所述的透平机动叶片，其特征在于，所述气膜冷却孔(4)设于所述进流空间的下游。4.根据权利要求1至3任一项所述的透平机动叶片，其特征在于，所述压力侧肩壁(2)和/或所述吸力侧肩壁(3)的高度为叶片本体(1)高度的1％－3％。5.根据权利要求1所述的透平机动叶片，其特征在于，所述压力侧肩壁(2)和/或所述吸力侧肩壁(3)的厚度为叶片本体(1)高度的1％－3％。6.一种燃气轮机透平机，其特征在于，具有权利要求1至5任一项所述的透平机动叶片。7.根据权利要求6所述的燃气轮机透平机，其特征在于，透平机动叶片安装在机匣(5)内，所述机匣(5)内还安装有透平机静叶片(6)，所述透平机静叶片(6)安装在所述透平机动叶片上游，所述机匣(5)上设置有槽缝冷却口(7)，所述槽缝冷却口(7)朝向所述透平机静叶片(6)与所述透平机动叶片之间，且所述槽缝冷却口(7)朝向所述透平机动叶片倾斜设置。8.根据权利要求7所述的燃气轮机透平机，其特征在于，所述槽缝冷却口(7)的出口端靠近所述透平机静叶片(6)的一侧设置有挡流部(8)，所述挡流部(8)朝向远离所述槽缝冷却口(7)的方向延伸。9.根据权利要求8所述的燃气轮机透平机，其特征在于，所述挡流部(8)的高度为所述透平机动叶片的叶片本体(1)高度的1％～3％。10.根据权利要求7至9任一项所述的燃气轮机透平机，其特征在于，所述槽缝冷却口(7)与所述透平机动叶片顶面之间的夹角为15
°
～75
°
。

技术总结
本发明涉及燃气轮机透平机冷却技术领域，具体涉及一种透平机动叶片及具有其的燃气轮机透平机。透平机动叶片，包括：叶片本体，其内部为中空结构，叶片本体的厚度从尖端至相对的另一端逐渐增大，叶片本体的顶部设置有隔离板；压力侧肩壁，设于叶片本体顶部，压力侧肩壁沿叶片本体的侧边呈弧形延伸；吸力侧肩壁，设于叶片本体顶部，吸力侧肩壁沿叶片本体的另一侧边呈弧形延伸至与压力侧肩壁在叶片本体的尖端相连接，吸力侧肩壁远离叶片本体的尖端的一端与压力侧肩壁分离，以使压力侧肩壁与吸力侧肩壁之间形成进流空间。通过去除叶尖前缘区域内的压力侧肩壁和吸力侧肩壁，冷气进入叶尖间隙的流量增加，叶尖壁面的冷却效率得到提升。升。升。


技术研发人员：姜世杰 肖俊峰 胡孟起 夏林 连小龙 王一丰 田新平 卫星光
受保护的技术使用者：西安热工研究院有限公司
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/9/14