CN100447374C - 透平机叶片以及制造透平机叶片的铸造组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透平机叶片(1)，它具有一成型的并沿着叶片轴线(4)延伸的叶身(2)，在该叶身的一端部成型有一个横向于叶片轴线(4)延伸的平台(6)。为了该透平机叶片能够承受特别高的热负荷和机械允许，同时可以用较少的冷却剂实现可靠的冷却，按照本发明，平台(6)具有与平台底板(12)相比加厚的外缘(14)，该外缘朝向叶片轴线(4)的侧壁(16)相对于该轴线倾斜。本发明还公开了一种适合于制造这种透平机叶片(1)的铸造组件(30)，其具有一个可在一铸模中定位的第一个掩模部件(32)，在该第一个掩模部件中，一个基本上平面构成的第二个掩模部件(36)可在一个大于10°且小于80°的倾斜角(β)方向上滑移。

Description

透平机叶片以及制造透平机叶片的铸造组件

技术领域

本发明涉及一透平机叶片，其具有一成型的并沿着叶片轴线延伸的叶身，该叶身的端部成型有一个横向于叶片轴线延伸的平台。本发明此外还涉及一种用于制造这种类型的透平机叶片的铸造组件。

背景技术

燃气轮机在许多领域用于驱动发电机或工作机械。其中，利用燃料能量使透平机轴产生旋转运动。燃料为此在一燃烧室中燃烧，其中，由一空压机输送压缩空气。在燃烧室中通过燃料的燃烧产生的处于高压和高温下的工作介质，此时通过一个连接在燃烧室后的透平单元膨胀作功。

此外，为产生透平机轴的旋转运动，在该轴上设置一定数量的通常合并为叶片组或叶片列的动叶片，它们利用流体介质的冲量来驱动透平机轴。为此，为在透平单元中导引流体介质，通常是在相邻的动叶片列之间设置与透平外壳连接的导向叶片列。透平机叶片，特别是导向叶片通常为适当导引工作介质具有一成型的并沿着叶片轴线延伸的叶身，在其用于将透平机叶片固定在各自支座上的端部，成型有一横向于叶片轴线延伸的并在至少一端部内构成钩形基座的平台。

为获得特别有利的效率，这种燃气轮机出于热力学的原因通常设计成，其从燃烧室流出且随后要流入透平单元中的工作介质的出口温度特别高，约为1200℃至约1300℃。在这样高的温度下，燃气轮机的部件，特别是透平机叶片会承受较高的热负荷。为在这种工作条件下也能保证各部件有较高的可靠性和较长的使用寿命，相关部件通常要被冷却。

为此，在现代燃气轮机中，透平机叶片通常由所谓的空心型材制成。成型的叶身为此在其内部具有也被称为叶片芯的空腔，其中可以输入冷却剂。通过这样构成的冷却剂通道，因此可以为各叶片承受热负载的区域供给冷却剂。特别有利的冷却效果和因此特别高的工作可靠性由此可以实现，即冷却剂通道在各叶身的内部占有较大的空间，并且冷却剂输送到尽可能靠近各个承受热烟气的表面处。另一方面，为了在这样的设计中确保足够的机械稳定性和承载能力，各透平机叶片内部可以有多个冷却流道，其中，在叶片型材的内部，具有可供给冷却剂的并彼此通过较薄隔板隔开的多个冷却剂通道。

这种类型的透平机叶片通常通过铸造而成。为此，在第一个铸造步骤中，利用石蜡铸出在其外形上与所期望的叶型相应的铸模。为形成冷却剂的流动通道，在铸模中铸造时，设置例如由陶瓷材料制成的所谓型芯部件，在完成铸造过程之后，将该部件从叶片体的蜡模中取出，从而形成冷却剂通道所要求的空腔。在第一个铸造步骤中得到的蜡模随后通过反复浸渍具有陶瓷覆盖层。可能在多个浸渍过程之后，一旦该陶瓷覆盖层具有足够的厚度，就将具有陶瓷覆盖层的蜡模烧尽，此时，陶瓷硬化，而石蜡烧尽。由此构成叶片的陶瓷铸模，其中也包括用于制造冷却通道等的型芯部件。在第二个铸造步骤中，铸出带有叶片材料的陶瓷铸模。为制造出蜡模，特别是用其制出的叶片和叶片上成型的结构部分，例如平台或者钩形基座，要在第一个铸造步骤中将相应成型的掩模部件或滑板这样设置在铸模中，使铸造过程期间与所要制造的叶片形状相应的、用于容装石蜡的空腔保持不便。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种上述类型的透平机叶片，它一方面应具有承受特别高的热负荷和机械负荷的承载能力，另一方面又要以较少的冷却剂需求量实现可靠的冷却。此外，本发明还要提供一种适于制造这种透平机叶片的铸造组件。

上述第一个技术问题按照本发明可通过这样一种透平机叶片来解决，其具有一成型的并沿着叶片轴线延伸的叶身，在其端部成型有一个横向于叶片轴线延伸的平台，其中，该平台具有与平台底板相比加厚的外缘，该外缘面向叶片轴线的侧壁相对于该叶片轴线倾斜。

本发明基于如下考虑，即，透平机叶片应设计成可特别有利于按照单晶结构来构造。因为单晶体结构的透平机叶片基于其材料特性可承受较高的负荷。特别是通过使用也称为滑板的铸造用掩模部件可更有利于单晶体构造，这主要是因为可选择使用的所谓的消失的填料可能会形成多晶材料的晶核，因此不能用于制造单晶体叶片。因此，透平机叶片在其轮廓上应这样设计，即，便于定位以及在铸造之后便于去除为构成平台凹陷所使用的掩模部件或滑板。然而，即使在遵守这些边界条件时，透平机叶片也应设计成仅需要较少的冷却剂来冷却。这一点可另外这样来实现，即，承受热负荷的平台具有较薄的壁并由此减少所耗材料。这在满足上述有关规定的情况下也可由此实现，即，在铸造透平机叶片之前，将多个掩模部件设置在铸模中，其中，一个为减少平台厚度的掩模部件可插入为其设置的空间区域内。为了在避开设置在该平台上部的模制件情况下也能相应移入该空间区域和一特别靠近叶片中心的空间区域内，透平机叶片在设置在平台上的外环区域内为斜面侧壁设计。

为了使透平机叶片具有特别高的机械和热承载能力，比较有利的是在承受机械负荷和承受热负荷的部件之间进行功能区分。为此，比较有利的是，在透平机叶片的叶身的位于所述平台上方的端部区内成型出一钩型基座。为了使透平机叶片当其可靠地机械悬挂时相对于热负荷还有特别高的稳定性，比较有利的是，在透平机叶片的钩型连接区域内，使所述平台和钩型基座彼此结构上分开构成。在此，在叶身上成型的平台仅用于补偿在燃气轮机的内部空腔内流动的热工作介质所产生的热负荷，而机械负荷与之没有关系。为了使该部位所需的冷却量相对较小，平台最好具有较薄的壁，它尤其可以这样来实现，即，该平台不承受任何机械负荷。机械负荷通过一个设置在平台上方的钩型基座来承受，它悬置在透平机壁或透平机轴上的一相应结构件内。钩型基座的结构设计以承受机械负荷为目的，其中，钩型基座通过平台而避免被施以热负荷。钩型基座的冷却需求量由此相当小。

平台的外缘尤其可以具有一个相对于叶片轴线基本上呈直线状的、即在其横截面中平行于该叶片轴线的外侧壁。在这种类型的结构中，该外缘因此在其朝向平台底部的区域中较厚，其横截面在朝向远离其平台底部的端部逐渐变小。为了在这种情况下保证外缘所有部位被可靠冷却，应当在外缘的较厚下部设置特别的装置。为此，比较有益的是，平台外缘在其底部区域内设置一定数量的冷却孔。为了特别便于工作运行，这些冷却孔的出口侧按照一个进一步的有利设计通入一共同的冷却缝隙中。

透平机叶片可以作为一个透平机的动叶片。该透平机叶片优选作为燃气轮机的导向叶片，特别是用于固定式燃气轮机。

本发明所要解决的第二个技术问题可通过一种用于制造这种类型透平机叶片的铸造组件来解决，它具有一个可在一铸模中定位的第一个掩模部件，该掩摸部件具有一个用于预定该平台底部一界面的缺口，在第一个掩模部件中，一个基本上平面构成的第二个掩模部件可在相对于所述预规定平台底部界面的缺口倾斜一个大于10°且小于80°，优选小于60°角的方向上移动设置。

通过这两个掩模部件的共同作用，其中，第一个掩模部件也称为圆周滑板，第二个掩模部件也称为凹陷滑板，即使不使用“消失的填料”，也能形成带有斜面侧壁的平台凹陷。该铸造组件因此特别适用于制造单晶体透平机叶片，特别是通过有意的不使用“消失的填料”，将可形成多晶体区域的晶核保持在特别小的程度。为制造基本上平面构成的平台底部，比较有利的是，第二个掩模部件具有一相对于其底面以大于10°并小于80°的角倾斜的端面，它与第一个掩模部件的缺口共同构成平台底部的铸造掩模。

利用本发明所取得的优点主要在于，通过设置在第一个掩模部件或圆周滑板中的并在圆周方向上倾斜配置的第二个掩模部件或隔离滑板制造出倾斜的平台凹陷侧壁，可以避开与用于钩型连接的叶型加筋的咬边(Hinterschneidung)。由此，两个掩模部件在完成铸造过程之后可以重新去除，而不需要采用“消失的填料”。此外，通过设置在平台外缘中的冷却孔，平台的所有空间区域利用较少的冷却剂消耗也可以实现可靠的冷却，其中，特别是通过平台外缘较宽的底部，可以减小使冷却剂消耗增加的折流冷却面(prallgekühlte

)。此外，通过在平台底部区域中加宽外缘，在透平机叶片工作中较热的部分与较冷的部分相比特别大，由此可相对减小由受阻的热膨胀在叶片材料中产生的应力。

附图说明

下面借助一附图所示实施方式对本发明予以详细说明。

附图示出一透平机叶片的断面图及示意性示出一铸造组件的部件。

具体实施方式

如图所示，透平机叶片1具有一成型的沿着一叶片轴线4延伸的叶身2。该叶身2为适当影响在透平单元中流动的流动介质而拱起和/或凹曲。

在本实施方式中，透平机叶片1作为燃气轮机的导向叶片(但根据后面介绍的原理也可以将其构造成动叶片)。为此，在图中所示叶身2的上端成型有一个横向于叶片轴线4延伸的平台6。如图所示，在平台6上方或位于其上地另外形成有一钩型基座8，它可按照一种图中没有详细示出的方式固定在一个透平机外壳上。该钩型基座8可与一相邻的结构件咬合，从而可特别简单的方式将透平机叶片1固定在一支座上。在此，该透平机叶片1设置应用在燃气轮机的沿工作介质的流动方向看过去的第二排导向叶片组中，因此，该钩型基座8构造成既可以在前侧也可以在后侧悬置在一结构件中。

透平机叶片1设计成可用在燃气轮机的一个承受较高热负荷的空间区域内。为此，始终通过不同的结构件来分别承担透平机叶片1的热负荷和机械负荷。这一点通过平台6和钩型基座8的分离设置得到保证。即平台6只用于承受由流过燃气轮机的热工作介质带来的热负荷，而不会受到机械负荷。

相反，机械负荷是由与平台6结构上分开的钩型基座8承受，然而，由于前置连接的平台6的作用，其钩型基座8承受极小的热负荷。此外，为了使透平机叶片1在热负荷高的空间区域内的使用更为容易，透平机叶片1也可被冷却。为此，在叶身2的内部设置空腔10，例如像冷却空气或冷却蒸汽的冷却剂可从其中导过。

平台6具有一薄壁结构的平台底部12，它的平面结构基本上起到挡住由流过透平机的热工作介质传导来的热流的热辐射防护板的作用。为了例如通过钩型连接与周围的结构件连接和/或为了加强自支撑的机械稳定性，平台6还设计带有一加厚的边缘或加筋，并为此具有一与平台底部12相比变厚的外缘14。通过该外缘14和平台底部12按凹陷加深方式形成一个所谓的平台凹槽(Plattformtasche)。

为了即使在不使用“消失的填料”情况下也能够较简单地制造平台槽，透平机叶片1这样设计，即，在避免和伸入相应空间区域内的钩型基座8咬边(Hinterschneidung)的情况下并由此绕过各钩型基座8从其一旁可将一模制件可逆地插入由外缘14与平台底部12共同构成的凹槽的空间区域。为了保证这一点，外缘14面向叶片轴线4的侧壁16相对于该叶片轴线4倾斜。其倾斜角α大于10°且小于80°，在图示实施方式中选择为大约45°。

外缘14因此在靠近平台底部12的底部区域内具有较宽的横截面，它朝着其背离平台底部12的端部18方向逐渐变窄。正是在该上端部区内，外缘14基于较少的材料用量可采用较简单的方法并尤其是在使用有限的冷却剂量的情况下而得到可靠的冷却。为了用有限的冷却剂对其较宽的、靠近平台底部12的下部区域内也能实现可靠的冷却，外缘14在该区域内设有一定数量的可施加冷却剂的冷却孔20。它们在其排出区内通入一共同的冷却缝隙22内。

透平机叶片1设计用于在高机械强度和高热负荷下工作。为此，透平机叶片1为单晶体结构。为此，在遵守对此规定的边界条件下，透平机叶片1借助附图中仅简单示出的铸造组件30通过铸造而成。主要上在制造透平机叶片1的蜡模时使用的铸造组件30，作为基本部件包括一未详细示出的铸模。一些掩模部件可以定位在该铸模中，它们总体上可以形成一与所要制造的透平机叶片1的外形相应的空腔，在随后的工序中，空腔用可铸蜡填充。除了其他的为透平机叶片1成型所需的部件外，铸造组件30主要包括可以圆周滑板方式使用的第一个掩模部件32。第一个掩模部件32除了其他的用于确定结构的造型部件外，为此包括一个预先规定所述平台底部12的界面的缺口34。

为实现平台6的最终成型，第一个掩模部件32通过第二个掩模部件36来补充，该第二个掩模部件36基本上平面构成并可在第一个掩模部件32中移动。在附图所示的铸造位置中，第二个掩模部件36这样伸入第一个掩模部件32的缺口34内，从而仅形成出一个与平台6的最终成型相适应的空间区域。该区域由此预先规定出平台6的平台底部12及外缘14。

为在铸造出透平机叶片1的蜡模后，可以通过简单移动和不使用“消失的填料”，简单去除掩模部件32，36，第二个掩模部件36可相对于预先规定平台底部12界面的缺口34倾斜约45°的角β地，沿双箭头38所示方向移动设置。按照这种方式，在透平机叶片1蜡模铸造出之后，通过沿双箭头38的方向简单移动，即可从蜡模中去除第二个掩模部件36，而不会受到钩型基座8的妨碍。钩型基座8的侧向尺寸为此这样确定，即，使之不至于影响通过线段40所示的第二个掩模部件36的空间区域。

为了总体上可以适当地使平台6成型，第二个掩模部件36在本实施方式中另外具有一可相对于其底面42约为45°角γ倾斜的端面44，它与第一个掩模部件的缺口34共同形成平台底部12的一个铸造掩模。

在完成透平机叶片1蜡模的铸造之后，通过这种造型和第一个掩模部件32和第二个掩模部件36的共同作用，可以首先通过简单移动将第二个掩模部件36从已经产生的模制件中去除，而不会受到与例如钩型基座8咬边的妨碍。随后，可以通过在双箭头46所示的圆周方向上，也就是基本上平行于平台底部12地移动，将第一个掩模部件32去除。由此，透平机叶片1蜡模的可靠铸造，仅在使用滑板和不使用“消失的填料”情况下即可实现，从而可特别便于制造单晶体的透平机叶片1。在这样制造时，平台6在其处于叶片轴线4的区域内留下一限制平台凹陷的凸缘式突出部50。该突出部50可以特别有利的方式作为折流冷却板的支座或定位装置使用。

Claims (6)

1.一种透平机导向叶片(1)，其具有一成型的并沿着叶片轴线(4)延伸的叶身(2)，在该叶身的一端部成型有一个横向于叶片轴线(4)延伸的平台(6)，其中，该平台(6)具有与平台底板(12)相比加厚的外缘(14)，该外缘朝向叶片轴线(4)的侧壁(16)相对于该轴线倾斜，在叶身(2)的位于平台(6)上方的端部区内成型有一钩形基座(8)，该钩形基座(8)在平台的方向上延伸，并至少局部在所述平台之外，以便在它们之间形成一个自由空间。

2.按权利要求1所述的透平机导向叶片(1)，其中，所述平台(6)的外缘(14)在其底部区域具有一些冷却孔(20)。

3.按权利要求2所述的透平机导向叶片(1)，其中，所述冷却孔(20)的出口通入一共同的冷却缝隙(22)中。

4.按权利要求1至3之一所述的透平机导向叶片(1)，其中，该叶片是固定式燃气轮机的导向叶片。

5.一种铸造组件(30)，用于制造权利要求1至4之一所述透平机导向叶片，它具有一个可在一铸模中定位的第一个掩模部件(32)，该掩模部件具有一个用于预规定平台底部(12)界面的缺口(34)，在该第一个掩模部件中，一个平面构成的第二个掩模部件(36)可在相对于所述预规定界面的缺口(34)倾斜一个大于10°且小于80°角(β)的方向上滑移。

6.按权利要求5所述的铸造组件(30)，其中，所述第二个掩模部件(36)具有一相对于其底面(42)倾斜一个大于10°且小于80°角(γ)的端面(44)，它与第一个掩模部件(32)的缺口(34)共同构成平台底部(12)的铸造掩模。

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