CN100376766C - 涡轮叶片的加固和冷却结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于涡轮(10)的叶片(13；14)，其具有至少一个可被冷却流体冲击的输送管(22)。提高壁(19；20)和冷却流体之间热交换的几个湍流器(23)设置在输送管(22)的至少一个壁(19；20)。此外，湍流器(23)加固壁(19；20)并会聚。所述加固的结果是，湍流器(23)之间区域中的壁(19；20)的厚度(d)可以降低。

Description

涡轮叶片的加固和冷却结构
技术领域
本发明涉及一种叶片，特别是涡轮叶片，其具有至少一个由多个壁限定的而且冷却流体可以导入其中的输送管，多个湍流器设置在至少一个壁上，以提高壁和冷却流体之间的热交换。
背景技术
这种涡轮叶片从(例如)EP0758932B1可得知。该公知的涡轮叶片为中空结构并具有四个输送管。各输送管分别由涡轮叶片的两个外壁以及分立的各壁限定，冷却流体流经各输送管，以备冷却使用。各外壁设有湍流器，以便提高各外壁和冷却流体之间的热交换。
在公知的涡轮叶片中，湍流器只用来改善热交换。工作过程中发生的涡轮叶片上的负荷几乎全部由各外壁接受，各外壁由此必须具有相对较厚的结构。当负荷增加，各外壁的壁厚也必须进一步增加。然而，由于壁厚的增加，冷却效率降低，总体效率由此降低。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是提供一种叶片，其具有较高的承载能力而不需增加壁厚，或者换句话说，对于相同的承载能力来说，其壁厚得以降低。
为了解决该技术问题，在说明书起始提及的那类叶片中，根据本发明提出了湍流器彼此汇合并用来加固壁。
本发明提供一种叶片，其具有至少一个由多个壁限定的而且冷却流体可以导入其中的输送管，多个湍流器设置在至少一个壁上，以提高壁和冷却流体之间的热交换，其中，在一个壁上的所述湍流器彼此汇合，并用于加固所述一个壁。
根据本发明而且也是首次提出的，湍流器彼此汇合并用来加固壁。借助该装置，在不需要附加材料也不需要增加壁厚的情况下实现加固的大幅度增加。同时，各壁和冷却流体之间实现良好热交换。因此，冷却效率高，总体效率高。壁的加固不仅仅在单个湍流器的区域中产生。各湍流器的相互连接确实能形成大面积的加固。
优选湍流器具有直的结构。直湍流器的使用能产生较高程度的加固，而且制造简单。
在优选的第一实施例中，所有湍流器都具有相对于叶片纵向中心线相同的角度。这样形成了湍流器的对称布置，该布置可以均匀地接收来自所有方向的负荷。
在优选的改进中，湍流器之间为直角。作为备选方案，也可选择锐角或钝角。
根据优选的第二实施例，第一组湍流器与叶片的纵向中心线成第一角，而第二组湍流器与叶片的纵向中心线成第二角。
因此，两组湍流器具有相对于叶片的纵向中心线不同的倾角。因此，叶片的加固取决于负荷冲击的角度。故不同方向上的加固的具体配合可因不同倾角实现。
湍流器优选设置成形成彼此相邻而且在彼此上方定位的多边形凹陷，特别是正方形、菱形、六边形形状的凹陷。壁的内表面设有蜂窝结构。每一个多边形或蜂窝结构分别形成一个封闭的、可承受高负荷的横截面且互相支撑。可实现加固的大幅度增加。
在优选的改进中，壁厚(至少在湍流器之间的区域)降低。壁厚降低由于湍流器所导致的壁的加固的事实而成为可能。冷却效率通过壁厚的降低而进一步增加。在叶片铸造过程中，该布置的湍流器可以优选用作金属输送管。蜂窝结构易于制造。
根据优选实施例，叶片具有多个带有不同湍流器布置的截面。各个截面中的这些不同布置可具体影响叶片的加固。结果是对存在于各个叶片截面中的负荷有最优匹配。
在优选的第一改进中，各截面彼此相距一距离。这样就在湍流器的不同布置之间形成简单过渡。
根据优选的第二改进，各截面彼此汇合。叶片的加固继续增加。
根据本发明的叶片可构成导向叶片，或构成涡轮机的转子叶片。
附图说明
本发明在下文采用示例性实施例进行描述，所述实施例示意性绘于附图中。在所有附图中的相同的附图标记用于相似或功能相同的部件。附图中：
图1为涡轮机的纵向截面图；
图2为叶片的分解透视图；
图3为图2中x的放大详细视图；
图4为第一实施例的叶片的外壁内表面上的端视图；
图5为第二实施例的类似于图4的视图；
图6为第三实施例的类似于图4的视图；
图7为转子叶片的示意图；
图8为导向叶片的示意图。
具体实施方式
图1示出为具有壳体11和转子12的涡轮10的涡轮机的纵向截面图。壳体11设有导向叶片13，转子12设有转子叶片14。工作中，流体在箭头方向15流过涡轮10，该流体沿导向叶片13和转子叶片14流动，致使转子12围绕中心线16开始转动。
在多数应用场合中，流体的温度较高，特别是在第一排叶片区域中(图1中左部所示)。为此，要对导向叶片13和转子叶片14进行冷却。冷却流体的流动示意性地由箭头17、18表示。特别是空气可用作冷却流体。
图2示意性示出导向叶片13的分解示意图。导向叶片13具有曲线形外壁19、20。外壁19、20之间的内部空间借助两个间隔壁21再分成总数为三个的输送管22。工作中，冷却流体导入到输送管22中。
为了提高外壁19、20和冷却流体之间的热交换，外壁19、20设置了多个湍流器23。为了绘图，图2中湍流器23以极为简化的方式示出。然而，可以看到湍流器23彼此汇合，且形成蜂窝结构。该蜂窝结构形成对外壁19、20的加固。
图3示出图2中x的详细放大视图。湍流器23具有直的结构且彼此汇合。在所示的示例性实施例中，每个凹陷24由四个湍流器限定。从湍流器23开始直到凹陷24的中心，外壁19的壁厚d持续降低。壁厚d的降低因为湍流器23的彼此支撑而成为可能，并且借此，大幅度增加对导向叶片13的加固。同时，湍流器23起到冲击保护的作用。
由于降低的壁厚d，冷却效率增加。因此，需要较少的冷却流体，从而涡轮10的总体效率可以较高。
湍流器23的截面为近似三角形结构，并从外壁19开始逐渐变细。因此，在导向叶片13的铸造过程中，湍流器可用作金属输送管。因此，本发明的导向叶片13易于制造。
图4至6示出了三个不同实施例中的外壁19内部的示意性端视图。在图4的实施例中，所有湍流器23a、23b都具有相对于导向叶片13的中心线25相同的角度α、β。湍流器23a、23b之间为直角26。因此由湍流器23a、23b限定的凹陷24为方形。
在各种情形下，湍流器23a、23b在两个接触点31之间延伸。在接触点31的区域中，湍流器23a、23b彼此汇合。直湍流器23a、23b的使用简化了生产。此外，使得加固增加。
图5的实施例中，第一组湍流器23a与纵向中心线25成第一角α，而第二组湍流器23b与纵轴25成第二角β。在该实施例中，湍流器之间的角度26大于90°。相应结果是形成菱形凹陷24。湍流器23a、23b相对于纵轴的不同倾角导致导向叶片13的取决于负荷方向的不同加固。由此实现对不同边界条件的良好匹配。
图6的实施例中，在各情形下，六个湍流器23形成六边形凹陷24。结果是产生了可大幅度增加对导向叶片13加固的蜂窝结构。
湍流器23的其他适当配置当然也可采用。优选湍流器23布置成可产生图4至6所示的凹陷24。在端视图中，这些凹陷24具有封闭的横截面，因此加固程度高。作为备选方案，湍流器23也可以布置成v或x形。
当然，在转子叶片14的情形中也可以设置湍流器23。图7示意性示出这样一种转子叶片14，其具有多个带有不同布置的湍流器23的截面28、29、30。在该情形下，截面28中湍流器的布置与图4所示一致，而截面29、30中湍流器的布置与图5和6的结构一致。各截面28、29、30彼此间距一距离。转子叶片14可在截面28、29、30之间的区域中以较少的生产成本进行横截面和形状的变化。为了获得所需的加固，外壁19、20的壁厚d在这些过渡区中相应增加。采用不同湍流器23的布置使得叶片14的加固受到各截面28、29、30的具体影响。因此，结果是沿纵向中心线25有对不同边界条件的最优匹配。
截面28、29、30还可以彼此汇合，如图8中采用导向叶片13所示意性示出的。在该情形下，各截面28、29、30的湍流器23彼此在接触点汇合(未详细示出)。因此，结果是导向叶片13沿其纵向中心线25连续加固。
本发明能够借助设置用来提高热交换的湍流器的特殊布置而使加固增加。对于相同负荷，外壁19、20的壁厚d可降低。冷却效率因壁厚降低而增加，从而导致涡轮10的总体效率较高。

Claims (12)

1.一种叶片，其具有至少一个由多个壁(19、20、21)限定的而且冷却流体可以导入其中的输送管(22)，多个湍流器(23)设置在至少一个壁(19；20)上，以提高壁(19；20)和冷却流体之间的热交换，其特征在于，在一个壁上的所述湍流器(23)彼此汇合，并用于加固所述一个壁。
2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述湍流器(23)具有直的结构。
3.根据权利要求2所述的叶片，其特征在于，所有湍流器(23a、23b)都与叶片(13；14)的纵向中心线(25)成相同角度(α、β)。
4.根据权利要求2或3所述的叶片，其特征在于，所述各湍流器(23a、23b)之间为直角(26)。
5.根据权利要求2所述的叶片，其特征在于，第一组湍流器(23a)与纵向中心线(25)成第一角(α)，而第二组湍流器(23b)与纵向中心线(25)成第二角(β)。
6.根据权利要求2或3所述的叶片，其特征在于，湍流器(23)设置形成彼此相邻而且在彼此上方定位的多边形凹陷。
7.根据权利要求1、2或3所述的叶片，其特征在于，所述壁(19；20)的壁厚(d)至少在湍流器(23)之间的区域中降低。
8.根据权利要求1、2或3所述的叶片，其特征在于，叶片(13；14)具有多个带有不同湍流器(23)布置的截面(28、29、30)。
9.根据权利要求8所述的叶片，其特征在于，所述截面(28、29、30)彼此间隔开。
10.根据权利要求8所述的叶片，其特征在于，所述截面(28、29、30)彼此汇合。
11.根据权利要求1、2或3所述的叶片，其特征在于，所述叶片构成导向叶片(13)或构成涡轮机(10)的转子叶片(14)。
12.根据权利要求6所述的叶片，其特征在于，所述多边形凹陷为菱形或六边形形状的凹陷。
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