[发明专利]一种双层壁冷却与气膜冷却组合式透平叶片结构

说明书

本发明提出了一种双层壁冷却与气膜冷却组合式透平叶片结构，涉及燃气轮机叶片冷却技术，用于燃气透平叶片冷却。该结构包括位于叶片前缘的气膜冷却结构和位于叶身的双层壁冷却结构。与常规叶片不同的是，叶身由带肋通道结构改为双层壁冷却结构方案，其双层壁由冲击孔、扰流柱和气膜孔构成，扰流柱设计为外侧半高型扰流柱，可减小流动阻力系数。由于双层壁冷却结构会带来带肋通道所不具有的冲击冷却效果，因而在同样的冷气量条件下，会具有更高的综合冷效，使得透平叶片壁温更低、寿命更长。

技术领域

本发明属于燃气轮机叶片冷却技术领域，涉及一种双层壁冷却与气膜冷却组合式透平叶片结构，尤其涉及一种叶片前缘采用传统气膜冷却、叶身采用新型双层壁冷却的叶片冷却结构，用于燃气透平叶片结构设计，可明显提高燃气透平叶片冷却效率。

背景技术

目前燃气透平常采用复杂多通道强迫对流加气膜冷却的复合冷却方式，可使叶片金属平均温度降低500-700K，冷却效率为0.5-0.6。未来燃气轮机的透平进口温度将达到1973K，为了满足未来燃气轮机透平进口温度进一步提高的要求，需采用冷却技术使叶片能降温700-900K，冷却效率大于0.7。如果继续采用对流/气膜复合冷却方式，冷气消耗量将会急剧增加，冷气用量的增加将会降低燃气轮机的性能，这与高效燃气轮机的设计要求是相违背的，因此发展高效双层壁冷却技术对于提升我国燃气轮机技术具有重要意义。

由于双层壁结构最先用于燃烧室冷却设计中，常规双层壁结构(如图1 所示)大多沿流向和展向具有同样的排列方式。这就使得气膜孔沿展向和流向的间距相当。但对于燃气透平叶片气膜冷却来说，由于气膜沿流向能作用较远的距离，而沿展向的作用空间很有限。如果把典型双层壁直接用于叶片冷却中，这将会消耗大量的冷却空气。同时透平动叶片前缘前缘空间狭小、当地主流静压较大，而双层壁结构的流动阻力又比较大，把透平叶片前缘设计成双层壁结构时存在着冷气因压差太小流不出去的问题。

发明内容

针对现有透平叶片双层壁冷却设计技术的缺点和不足，本发明的目的是提供一种适用于燃气轮机透平动叶的双层壁冷却与气膜冷却组合式冷却结构设计。与常规叶片不同的是，叶身由带肋通道结构改为双层壁冷却结构。由于双层壁冷却结构会带来带肋通道所不具有的冲击冷却效果，因而在同样的冷气量条件下，会具有更高的综合冷效，使得叶片壁温更低。同时为了减小双层壁冷却结构的流动阻力，把圆柱肋设计为半高型圆柱肋。

本发明为实现其技术目的所采取的技术方案为：

一种双层壁冷却加气膜冷却组合式透平叶片结构，其特征在于，叶片前缘区域采用气膜冷却，叶身主体区域采用双层壁冷却，其中，

所述叶身主体区域包括沿叶片展向延伸的若干个独立的冷气腔室，各所述冷气腔室的压力面和吸力面的壁面均为双层壁结构，所述双层壁结构包括带气膜孔的外侧壁、带冲击孔的内侧壁以及位于所述内侧壁和外侧壁之间呈阵列分布的半高型扰流柱，

所述叶片前缘区域设有沿叶片展向延伸的冷气通道，所述冷气通道的壁面上设有呈阵列分布的气膜通孔。

优选地，所述双层壁结构中，所述冲击孔和扰流柱沿流向和展向呈矩阵排列。

优选地，所述双层壁结构中，所述气膜孔根据叶片当地的热负荷设置任意位置和排数。

优选地，所述双层壁结构中，所述冲击孔为圆形，扰流柱为圆柱形。

优选地，所述双层壁结构中，所述冲击孔为沿流向和展向矩阵排列，故双层壁内的冷气流量沿流向逐渐增大。

优选地，所述双层壁结构中，所述气膜孔为圆柱孔或锥形孔，气膜孔排数和相对位置可根据需要任意布置。

优选地，所述双层壁结构中，所述气膜孔沿流向的夹角α可以为30度至 90度之间的任意角度。