阅读说明：本技术 涡轮转子叶片及包括其的燃气轮机 (Turbine rotor blade and gas turbine comprising same ) 是由 张正秋 徐克鹏 陈春峰 王文三 蒋旭旭 陈江龙 杨珑 于 2020-07-27 设计创作，主要内容包括：一种涡轮转子叶片及包括其的燃气轮机,涡轮转子叶片包括冷气孔,设置于叶片平台上,冷气孔的一端连通至叶片平台上表面对应位势作用影响区；和/或设置于叶片叶根上,冷气孔的一端连通至叶片平台的下方对应轮缘密封区域；冷气孔的另一端连通至涡轮转子叶片内部,用于引入涡轮转子叶片内部的冷却空气。本发明使其在不增加总冷却空气量的情况下,对叶片平台区域冷却空气的流动进行更加精准的控制,使其在周向的分布更加合理,更加可控,以降低叶片平台区域的温度和热应力水平。(A turbine rotor blade and a gas turbine comprising the same are provided, wherein the turbine rotor blade comprises a cold air hole which is arranged on a blade platform, and one end of the cold air hole is communicated to a potential effect influence area corresponding to the upper surface of the blade platform; and/or the cold air hole is arranged on the blade root of the blade, and one end of the cold air hole is communicated to the corresponding wheel rim sealing area below the blade platform; the other end of the cooling air hole is communicated to the interior of the turbine rotor blade and is used for introducing cooling air in the interior of the turbine rotor blade. The invention can more accurately control the flow of the cooling air in the blade platform area under the condition of not increasing the total cooling air amount, so that the distribution of the cooling air in the circumferential direction is more reasonable and controllable, and the temperature and the thermal stress level of the blade platform area are reduced.)

涡轮转子叶片及包括其的燃气轮机

技术领域

本发明涉及涡轮转子冷却技术领域，尤其涉及一种涡轮转子叶片及包括其的燃气轮机。

背景技术

随着燃气轮机设计技术水平的提高，燃气轮机涡轮进口燃气温度不断提高，涡轮部件所面临的热负荷极高，早已超过高温材料能够承受的极限。为了保证涡轮叶片安全可靠工作，需要对其进行复杂的冷却设计，以使叶片本体的温度和应力分布保持在合理的水平。

在涡轮转子叶片冷却设计过程中，叶片平台区域由于压力波动剧烈，平台区域冷气量的分配往往沿周向分布不均匀而导致冷却效果往往较差，因此涡轮转子叶片平台区域极容易由于冷却空气分布不均匀而导致温度过高或者热应力过大而高温氧化，出现裂纹、甚至烧蚀等失效现象。

因此，需要在不增加总冷却空气量的情况下，对叶片平台区域冷却空气的流动进行更加精准的控制，使其在周向的分布更加合理，更加可控，以降低所述叶片平台区域的温度和热应力水平。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种涡轮转子叶片及包括其的燃气轮机，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

作为本发明的一个方面，提供一种涡轮转子叶片，所述涡轮转子叶片包括叶片叶身、叶片叶根以及连接叶片叶身和叶片叶根的叶片平台；叶片叶身外表面包括吸力面和压力面，吸力面和压力面交界区域分别为叶片前缘和叶片尾缘；在叶片平台下方具有轮缘密封区域，在叶片前缘上游具有位势作用影响区；

所述涡轮转子叶片还包括：

冷气孔，设置于叶片平台上，所述冷气孔的一端连通至叶片平台上表面对应位势作用影响区；和/或

设置于叶片叶根上，所述冷气孔的一端连通至叶片平台的下方对应轮缘密封区域；

所述冷气孔的另一端连通至涡轮转子叶片内部，用于引入涡轮转子叶片内部的冷却空气。

作为本发明的另一个方面，还提供一种燃气轮机，包括如上述的涡轮转子叶片。

基于上述技术方案，本发明相较于现有技术，至少具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：

叶片平台上设置轮缘密封，用于使轮缘密封区域的密封空气喷射至叶片平台上方，通过密封空气对靠近叶片平台区域进行冷却保护；由于位势作用影响区的影响将会导致密封空气沿周向不再均匀分布；本发明设计冷气孔，冷气孔的冷气可以来自于叶片内部冷却通道，也可以来自于叶片根部密封空间。在不增加总冷却空气量的情况下，可以显著提高叶片平台区域的冷却设计质量，以削弱转子叶片前缘对上游流动的位势作用，提高该区域的冷却效果，并有效防止燃气入侵轮缘密封区；

冷气孔在叶片平台上以及叶片平台下同时设置，使冷却效果更优。

附图说明

图1是本发明实施例的涡轮转子叶片子午面剖面示意图；

图2是本发明实施例的涡轮转子叶片立体结构示意图；

图3是本发明实施例相关的位势作用原理图；

图4是本发明实施例的位势作用影响下轮缘密封区域的密封空气流量示意图。

以上附图中，附图标记含义如下：

10-动叶护环；11-叶片叶根；12-叶片平台；13-叶片叶身；14-冷却通道；15-叶片根部密封空间；16-平台上部冷气孔；17-平台下部冷气孔；18-位势作用影响区；20-叶身中弧线；31-吸力面；32-压力面；33-叶片前缘；34-叶片尾缘；35-轮缘密封区域；36-轮缘密封；40-静叶片；41-静叶上端壁；42-静叶下端壁；A-高温燃气；B-密封空气；C-冷却空气；D-燃气入侵；E-冷气集中。

具体实施方式

本发明提供的燃气轮机的涡轮转子叶片，使其在不增加总冷却空气量的情况下，对叶片平台区域冷却空气的流动进行更加精准的控制，使其在周向的分布更加合理，更加可控，以降低叶片平台区域的温度和热应力水平。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

作为本发明的一个方面，提供一种涡轮转子叶片，涡轮转子叶片包括叶片叶身、叶片叶根以及连接叶片叶身和叶片叶根的叶片平台；叶片叶身外表面包括吸力面和压力面，吸力面和压力面交界区域分别为叶片前缘和叶片尾缘；在叶片平台下方具有轮缘密封区域，在叶片前缘上游具有位势作用影响区；

涡轮转子叶片还包括：

冷气孔，设置于叶片平台上，冷气孔的一端连通至叶片平台上表面对应位势作用影响区；和/或

设置于叶片叶根上，冷气孔的一端连通至叶片平台的下方对应轮缘密封区域；

冷气孔的另一端连通至涡轮转子叶片内部，用于引入涡轮转子叶片内部的冷却空气。

在本发明的实施例中，冷气孔的另一端连通至叶片叶根内部的密封空间或者涡轮转子叶片内部冷却通道。

在本发明的实施例中，冷气孔为圆形、椭圆形、矩形或者缝隙结构。

在本发明的实施例中，冷气孔的形成方法包括机械加工、电加工或者铸造。

在本发明的实施例中，涡轮转子叶片为实心叶片，冷气孔的另一端连通至叶片叶根内部的密封空间；叶片叶根内部的密封空间为相邻叶片及密封装置装配形成的空腔。

在本发明的实施例中，涡轮转子叶片为空心叶片，冷气孔的另一端连通至涡轮转子叶片内部冷却通道，冷却通道为铸造或者机械加工形成。

在本发明的实施例中，冷气孔包括若干第一冷气孔和若干第二冷气孔；涡轮转子叶片为空心叶片；

其中，第一冷气孔设置于叶片平台上，第一冷气孔的一端连通至叶片平台上表面对应位势作用影响区；第一冷气孔的另一端连通至涡轮转子叶片内部冷却通道，冷却通道为铸造或者机械加工形成；

第二冷气孔设置于叶片叶根上，第二冷气孔的一端连通至叶片平台的下方对应轮缘密封区域；第二冷气孔的另一端连通至涡轮转子叶片叶根内部的密封空间；叶片叶根内部的密封空间为相邻叶片及密封装置装配形成的空腔。

在本发明的实施例中，第一冷气孔和第二冷气孔分别沿叶片前缘周向设置多个，用于降低位势作用影响区的气压的波动。

在本发明的实施例中，叶片平台上设置轮缘密封，用于使轮缘密封区域的密封空气喷射至叶片平台上方。

作为本发明的另一个方面，还提供一种燃气轮机，包括如上述的涡轮转子叶片。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但需要注意的是，下述的实施例仅用于说明本发明的技术方案，但本发明并不限于此。

附图1给出了本发明实施例的涡轮转子叶片子午面剖面示意图。高温燃气A经过静叶片40加速转向后，沿着静叶上端壁41和静叶下端壁42形成的空间进入转子叶片的叶片平台12和动叶护环10形成的空间后，冲击叶片叶身13做功。

叶片平台12的冷却方式如图1所示。转子叶片轮缘密封区域35内的密封空气B通过轮缘密封36对叶片平台12下部区域进行密封，防止高温燃气入侵；同时，密封空气B形成气膜覆盖在叶片平台12上部，对平台进行冷却保护，防止其高温失效。

由于下游动叶片前缘的位势作用，如图3所示，压力分布出现波动，且会在动叶片上游产生类似三角形(或者正弦曲线形状)的位势作用影响区18，该区域压力增高。如图4所示，转子叶片轮缘密封区域35内通过轮缘密封36喷射出的密封空气沿周向不再均匀分布，位势作用影响区18内的密封空气流量显著减小，甚至出现燃气倒灌，严重危害燃气轮机安全。

图2为本发明实施例的涡轮转子叶片立体结构示意图。冷却空气C从叶片叶根11进入转子叶片内部冷却通道14和叶片根部密封空间15。当由于转子叶片前缘33的位势作用导致密封空气在轮缘密封区域35处分布不均匀时，在叶片平台12上表面位势作用影响区18内，布置至少一个平台上部冷气孔16，用于引入叶片内部冷却通道14的冷却空气；冷气孔可以是圆形、椭圆形、矩形、缝隙等结构，冷气孔可以是机械加工、电加工、铸造形成的；叶片平台12下部轮缘密封区域35，布置有至少一个平台下部冷气孔17，用于引入叶片内部冷却通道14的冷却空气；冷气孔可以是圆形、椭圆形、矩形、缝隙等结构，冷气孔可以是机械加工、电加工、铸造形成的。

在本发明的其他实施例中，冷却空气C从叶片叶根11进入转子叶片内部冷却通道14和叶片根部密封空间15。当由于转子叶片前缘33的位势作用导致密封空气在轮缘密封区域35分布不均匀时，在叶片平台12上表面位势作用影响区18内，布置至少一个平台上部冷气孔16，用于引入叶片根部密封空间15的冷却空气，冷气孔可以是圆形、椭圆形、矩形、缝隙等结构，冷气孔可以是机械加工、电加工、铸造形成的；叶片平台12下部轮缘密封区域35，布置有至少一个平台下部冷气孔17，用于引入叶片根部密封空间15的冷却空气，冷气孔可以是圆形、椭圆形、矩形、缝隙等结构，冷气孔可以是机械加工、电加工、铸造或者装配间隙形成的。

与以上两个实施例类似，平台上部冷气孔16的冷却空气可以来自冷却通道14，平台下部冷气孔17的冷却空气来自叶片根部密封空间15；或者平台下部冷气孔17的冷却空气可以来自冷却通道14，平台上部冷气孔16的冷却空气来自叶片根部密封空间15。

通过平台下部冷气孔17对密封空气进行补充，有效提高了轮缘密封区域35中位势作用影响区18内的密封空气流量，有效减轻了下游叶片叶身13产生的位势作用影响；通过平台上部冷气孔16对密封空气进行补充，有效提高动叶叶片平台12上部位势作用影响区18的冷气覆盖以及对流换热效果，可有效降低该区域换热和温度水平。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。