CN101535601A - 涡轮叶片 - Google Patents

Abstract

涡轮叶片(12、14)，具有多个从构造在叶片基体(30)内部的主冷却通道(26)分支出来的辅助冷却通道(24)，所述辅助冷却通道(24)在所述叶片基体(30)的前缘区域中汇入排出口中，该涡轮叶片(12、14)应该在高效率的情况下设计用于相对于涡轮机的工作介质(M)特别耐温度变化地可靠且安全地运行。为此，按本发明以预先确定的间距在所述叶片基体(30)的所述前缘区域中安置了挡热元件(22)，其中该挡热元件(22)具有一定数量的先后沿纵向方向布置的从所述主冷却通道(26)延伸到所述挡热元件(22)的外壁表面(36)的排出通道(28)。

Description

涡轮叶片

技术领域

本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述的涡轮叶片。

背景技术

流体机械尤其燃气涡轮机在许多领域中用于驱动发电机或做功机械。燃气涡轮机通常具有被固定的壳体包围的以能够旋转的方式得到支承的转子。燃气涡轮机的固定的组件也概括地称为定子。燃料的能量含量在此用于产生转子部件的旋转运动。为此使燃料在燃料室中燃烧，其中供给由空气压缩机压缩的空气。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在此通过布置在燃烧室后面的涡轮机单元来导送，所述工作介质在所述涡轮机单元中在做功的情况下膨胀。

为产生转子部件的旋转运动，在此在该转子部件上布置一定数量的通常合并在叶片组或者叶片列中的转子叶片，所述转子叶片通过流动介质的脉冲传输来驱动所述转子部件。此外，为在涡轮机单元中导送流动介质，通常在相邻的转子叶片列之间布置与涡轮机壳体相连接的导向叶片列。所述涡轮叶片尤其导向叶片在此通常为合适地导送工作介质而具有沿叶片轴线延伸的叶身，在端部侧为将所述涡轮叶片固定在相应的支承体上可以将横向于叶片轴线延伸的平台成形在所述叶身上。

在设计这样的燃气涡轮机时作为能够达到的功率的补充通常特别高的效率是设计目标。在此出于热力学的原因，原则上可以通过排出温度的提高来提高效率，所述工作介质以该排出温度从燃烧室中流出并且流入涡轮机单元中。在这样的燃气涡轮机的运行过程中达到的温度大约高达1300℃。

燃气涡轮机的经受工作介质的这样的高温的组件和结构部件由此经受高的热负荷。为了尽管如此在具有高可靠性的情况下保证有关的组件的较长的使用寿命，对所述有关的组件尤其是涡轮机单元的转子叶片和/或导向叶片进行冷却。所述涡轮叶片在此通常设有冷却通道，其中尤其应该保证对相应的涡轮叶片的在特别的程度上经受热负荷的前缘进行有效而可靠的冷却。

作为冷却剂，在此通常使用冷却空气。可以通过一定数量的集成在叶身或者叶片型面中的冷却剂通道将冷却空气输送给相应的涡轮叶片。冷却空气从这些冷却剂通道开始在从这些冷却剂通道分支出来的排出通道中流经所述涡轮叶片的相应设置的区域，由此对叶片内部和叶片壁体进行对流冷却。在排出侧，使这些通道敞开，使得冷却空气在流经所述涡轮叶片之后从也称为薄膜冷却孔的排出口中流出并且在所述叶身的表面上构成冷却膜。通过该冷却空气膜在很大程度上防止所述叶片基体在表面上直接且强烈地与以高速从旁边流过的热的工作介质接触。

为了能够在所述叶身的前缘区域中实现特别均匀的和有效的薄膜冷却，所述排出口在该区域中通常均匀地沿至少两个平行于所述前缘定向的列来布置。此外，所述排出通道通常斜向于涡轮叶片的纵向方向定向，这一点为构成保护性的在表面上沿着流动的冷却空气膜提供了支持。

因为首先所述涡轮叶片的前缘区域经受强烈的热负荷，所以此外所述叶片的前缘可以设有挡热层。该挡热层有利地由比所述叶片基体的材料更为耐热的材料制成。此外，所述挡热层的特征在于低的导热系数，由此减少所述叶片本体的基材的温度负荷。由此通过这样的挡热层结合对叶片的前缘区域的冷却来提高涡轮叶片的使用寿命。

但是这种挡热层的缺点是，在一定的时间之后会在挡热层中出现裂纹。这些裂纹降低了叶片基体相对于燃气涡轮机的热废气的保护作用，从而由于涡轮叶片的基体中的热负荷的增加而同样会导致裂纹形成。叶片基体中的这样的裂纹危害运行可靠性并且会导致燃气涡轮机出现故障。

此外，从GB 841 117中公开了一种开头所述类型的模块化的涡轮叶片。所述涡轮叶片包括浇铸的具有叶身型面的基体，在该叶身型面上在进汽边侧设置了多条冷却空气吹出缝隙，所述冷却空气吹出缝隙被在侧面固定在叶身型面上的防护板以一定间距所覆盖。从所述缝隙中流出的冷却空气按照冲击冷却(Prallkühlung)的方式方法对白铁制的进汽边进行冷却并且紧接在所述冲击冷却之后如此通过金属片进行转向，使得其可以在压力侧面及吸入侧面的区域中离开所述模块化的涡轮叶片。

发明内容

因此，本发明的任务是，说明一种上面所述类型的涡轮叶片，该涡轮叶片用简单的手段在较高的流体温度中使用时也保证所述燃气涡轮机的特别高的运行可靠性。

按本发明，该任务通过按权利要求1所述特征的涡轮叶片得到解决。

在此本发明以这样的考虑为出发点，即刚好鉴于燃气涡轮机的运行可靠性和经济性，所述涡轮叶片应该通过合适选择的挡热件具有尽可能高的使用寿命。在此尤其应该考虑恰好所述涡轮叶片的前缘经受强烈的热负荷这种状况。因此所述前缘尤其应该加以保护。

这通过以下方式来实现，即所述挡热元件以一定间距在前缘区域中安置在叶片基体上，由此避免所述挡热元件与叶片基体直接接触。在此为了对所述叶片基体进行冷却，其在所述前缘区域中的外表面设有一定数量的辅助冷却通道，其中这些辅助冷却通道从主冷却通道延伸到叶片基体外表面。为了在所述叶片基体的前缘区域中进行有效冷却，这些辅助冷却通道均匀分布地布置在所述挡热元件的后面。由此避免应力和由此产生的裂纹。

为了对挡热元件进行冷却，该挡热元件具有一定数量的从其外表面朝所述叶片基体的方向延伸的排出通道。这种构造用于导送冷却流的通道也额外地用作在所述挡热元件与叶片基体之间的连接元件。所述排出通道在此以一个端部伸入构造在叶片内部的主冷却通道中，其中在所述主冷却通道中流动的介质为对所述挡热元件进行冷却可以流到其外表面上。

通过如此构成的挡热系统，特别有效地防止所述涡轮叶片的特别紧要的区域也就是前缘区域经受涡轮机的工作介质的高温。通过对所述挡热元件及叶片基体的冷却，可以将涡轮机的工作介质的环绕着涡轮叶片的温度提高到超过对涡轮叶片的材料来说可能的温度。如此通过以下方式进行冷却，即来自主冷却通道的冷却流部分地导送穿过所述挡热元件的排出通道直到其外表面并且部分地从所述主冷却通道经过所述叶片基体的辅助冷却通道流过由所述挡热元件和叶片基体形成的中间空间。通过如此导送的冷却介质，在所述挡热元件的外表面上形成保护膜。这种冷却膜防止所述涡轮机的热的工作介质直接与所述挡热元件接触，由此减少被入流的外表面的温度负荷。但是，所述挡热元件的尽管如此出现的升高的温度没有直接影响到所述叶片基体的在前缘区域中的温度，因为所述挡热元件相对于叶片基体以一定的间距来布置。此外，通过在所述挡热元件的内表面与所述叶片基体外表面之间流动的冷却的介质大大减少所述挡热元件与叶片基体之间的热传递，方法是所述前缘区域中的热量被里面的冷却流所带走。

特别优选所述挡热元件具有与所述叶片基体的在前缘区域中的轮廓相匹配的形状。由此实现这一点，即所述涡轮叶片在安置了所述挡热元件之后也具有在前缘区域中流动优化的形状。此外，所述挡热元件的与叶片基体相对应的形状导致所述前缘区域中的中间空间的均匀膨胀。由此，所述冷却的介质以绝大部分恒定的速度沿所述叶片基体外表面及所述挡热元件的内表面流动，由此在所述涡轮叶片的前缘区域中进行特别均匀的冷却。由此尤其在叶片基体中不会出现太高的可能导致裂纹形成的应力。

在另外的有利的设计方案中，所述挡热元件由与叶片基体相比更为耐热的材料制成。因为在涡轮机运行时热的工作介质直接流到所述挡热元件上，所以恰好该组件经受高的温度负荷。因此，所述挡热元件由特别耐温度变化的材料制成，用于尤其保证运行可靠性并且将涡轮机的停机时间降低到最低限度。

除了使用耐温度变化的材料之外，为提高所述挡热元件的稳定性，应该对其进行冷却。在此为了进行特别有效的冷却，所述挡热元件设计用于冲击冷却(Prallkühlung)，这通过以下方式来实现，也就是将所述挡热元件相对于叶片基体的间距保持在足够小的程度上。为此，所述挡热元件相对于所述叶片基体优选以1毫米到3毫米的间距来布置。恰好在该间距以下安置在涡轮叶片的前缘区域中的挡热元件保证冷却的介质以足够高的冲击速度冲击到所述挡热元件的内表面上，由此通过冲击冷却实现特别有效的冷却。因为预先给定所述叶片基体的主冷却通道中的静态的压力，所以所述冷却流的冲击速度除了比如所述辅助冷却通道的直径之外尤其由所述挡热元件相对于叶片基体的间距来确定。紧临冲击到所述挡热元件的内表面上之前需要冷却介质的足够高的速度，因为这样实现所述冷却的介质与所述挡热元件的内表面之间的紧密接触。通过这样的冲击冷却，可以比例如在进行薄膜冷却时的情况实现明显更为有效的散热。

在特别有利的设计方案中，所述辅助冷却通道基本上垂直于所述挡热元件的内表面定向地布置。由此，来自主冷却通道的冷却流垂直地冲击到所述挡热元件的内表面上，由此将所述冷却介质的动能的大部分用于冷却流中的微粒与所述挡热元件的内表面之间的特别紧密的接触。由此特别有效地将所述挡热元件的热量传递到里面的冷却流上且将其排出。

在一种另外的变型方案中，所述挡热元件在涡轮叶片的边缘区域中与所述叶片基体相连接。为形成特别有效的冲击冷却，所述叶片基体优选在其前缘区域中设有空隙。此外，这种作为替代方案的实施方式的优点在于，所述涡轮叶片的原来的流动优化的形状得到保持。

所说明的挡热元件可以以有利的方式用在流体机械的一些位置上，在这些位置上热的流体机械的结构部件和组件被加载热的工作介质。但是特别优选将挡热元件用于保护涡轮叶片的前缘区域，因为叶片基体在这个区域中的温度负荷特别高。此外，通过这样的挡热系统将燃气涡轮机的停机时间降低到最低限度，因为使用寿命通过挡热元件得到提高。

由于所述挡热元件的极高的热负荷，即使在使用特别耐热的材料的情况下尤其在经过涡轮机的一定的运行持续时间之后也会在挡热元件中出现裂纹。在这种情况下，比如可以在燃气涡轮机的保养工作的范围内以比较简单的方式方法移走所述挡热元件并且更换为新的挡热元件。由此在涡轮叶片的前缘区域中形成裂纹的情况下不必像以往一样完全更换相关的涡轮叶片。

用本发明获得的优点尤其在于，通过布置在涡轮叶片的叶片基体前面的挡热元件来十分有效地防止涡轮叶片的前缘区域经受涡轮机的工作介质的高温。这样的挡热系统尤其能够使用冲击冷却，由此可以特别有效地对所述挡热元件进行冷却。此外，通过所述挡热元件来防止可能出现的来自挡热元件的外表面的裂纹扩展到叶片基体中。此外，事后可以以简单的方式方法且用较低的开销将所述按本发明的挡热元件安装在涡轮叶片上。

附图说明

借助于附图对本发明的实施例进行详细解释。其中：

图1是燃气涡轮机的半剖图，

图2是设有挡热板的涡轮叶片的纵剖面，

图3是沿纵向方向剖切的挡热元件，

图4是挡热元件的横截面，

图5是设有挡热元件的涡轮叶片的横截面，

图6是在作为替代方案的实施方式中涡轮叶片连同集成在叶片基体的前缘区域中的挡热元件。

相同的部件在所有的附图中用相同的附图标记表示。

具体实施方式

按图1的燃气涡轮机1具有用于燃烧用空气的压缩机2、燃烧室4以及用于驱动所述压缩机2及未示出的发电机或做功机械的涡轮机单元6。此外，所述涡轮机单元6和压缩机2布置在共同的也称为涡轮机转子的涡轮机轴8上，所述发电机或者说做功机械也与该涡轮机轴8相连接，并且该涡轮机轴围绕其中轴线9可旋转地得到支承。以环形燃烧室的类型构造的燃烧室4装备着一定数量的用于使液态的或者气状的燃料燃烧的燃烧器10。

所述涡轮机单元6具有一定数量的与所述涡轮机轴8相连接的能旋转的转子叶片12。所述转子叶片12环状地布置在所述涡轮机轴8上并且由此形成一定数量的转子叶片组。此外，所述涡轮机单元6包括一定数量的固定的导向叶片14，所述导向叶片14同样环状地在形成导向叶片组的情况下固定在所述涡轮机单元6的内缸16上。所述转子叶片12在此用于通过流经所述涡轮机单元6的工作介质M的脉冲传输来驱动所述涡轮机轴8。相反，所述导向叶片14则用于相应地在两个沿工作介质M的流动方向看先后相随的转子叶片组或转子叶片环之间流动导送工作介质M。先后相随的、由导向叶片14或导向叶片组的叶片环以及转子叶片12或转子叶片组的叶片环构成的叶片对在此也称为涡轮级。

每个导向叶片14具有平台18，该平台18为将相应的导向叶片固定在所述涡轮机单元6的内缸16上作为壁体元件来布置。所述平台18以及所述涡轮叶片12、14在此是经受比较大的热负荷的结构部件。每个转子叶片12以类似的方式通过也称为叶根的平台19固定在所述涡轮机轴8上。

在两个相邻的导向叶片组的导向叶片14的彼此隔开布置的平台18之间，分别在所述涡轮机单元6的内缸16上布置了导向环21。每个导向环21的外表面在此同样经受流经所述涡轮机单元6的热的工作介质M并且沿径向方向通过缝隙和与其对置的转子叶片12的外面的端部隔开。布置在相邻的导向叶片组之间的导向环21在此尤其用作遮盖元件，所述遮盖元件防止所述内缸16或其它壳体安装件经受由所述流经涡轮机6的工作介质M引起的超负荷。

所述燃烧室4在本实施例中构造为所谓的环形燃烧室，在该环形燃烧室中大量沿圆周方向围绕着所述涡轮机轴8布置的燃烧器10汇入共同的燃烧室中。为此，所述燃烧室4在其总体上构造为环形的结构，该结构围绕着所述涡轮机轴8来定位。

为获得较高的效率，所述燃烧室4设计用于工作介质M的较高的比如1000℃到1600℃的温度。为了在这些对材料不利的工作参数时也能够实现较长的运行持续时间，所述转子叶片12如在图2中示出的一样具有安置在前缘区域中的挡热元件22。每个安置在转子叶片12上的挡热元件22在工作介质侧都设有特别耐热的保护层比如陶瓷或者由耐高温的材料制成。

如在图2中示出的一样，所述涡轮叶片12、14在前缘区域中设有一定数量的辅助冷却通道24。同样安置在涡轮叶片12、14的前缘区域中的且伸入主冷却通道26中的排出通道28除了导送冷却介质K之外还用作所述挡热元件22的固定元件。优选作为冷却介质K使用的冷却空气K由于在所述叶片基体30的主冷却通道26中占优势的相对于涡轮机单元6中的环境压力更高的压力通过所述辅助冷却通道24流进在所述叶片基体30的外表面32和所述挡热元件22的内表面34之间形成的中间空间中以及流过所述挡热元件22的排出通道28，其中从所述排出通道28中流出的冷却空气K在所述工作介质M和所述挡热元件22的外表面36之间形成保护膜。相反，从所述叶片基体30的辅助冷却通道24中逸出的冷却空气K则流向所述挡热元件22的内表面34，并且通过由此产生的冲击冷却效应(Prallkühleffekt)对其进行冷却。

图3和4相应地示出了所述挡热元件22的两张不同的剖视图，其中从所述挡热元件22的在图3中示出的纵剖面中可以看出，所述排出通道28沿所述挡热元件22的纵向方向看先后布置并且每条排出通道28从所述挡热元件22的外表面36朝其内表面34延伸。所述排出通道28在此如在图4中示出的一样可以垂直于所述挡热元件22的纵向方向布置在中间。

如尤其可以从图5的示意图中看出的一样，所述挡热元件22具有与所述叶片基体30的在前缘区域中的轮廓相匹配的形状。由此还实现了这一点，即所述涡轮叶片12、14在将所述挡热元件22安装在叶片基体30上之后也具有流动优化的形状。此外，这样弯曲的挡热元件22在所述挡热元件22的内表面34和所述叶片基体30的外表面32之间形成保持相同的间距，由此能够在这个区域中实现特别有效的冷却。为冷却所需要的冷却空气K在此从所述涡轮叶片12、14的主冷却通道26流过所述辅助冷却通道24和排出通道28，由此由于从所述排出通道28中流出的冷却空气K和在所述涡轮机单元6中流动的工作介质M在所述挡热元件22的外表面36上形成冷却膜。所述挡热元件22的内表面34以及所述叶片基体30的在涡轮叶片12、14的前缘区域中的外表面32的冷却通过所述冷却空气K从所述辅助冷却通道24中流出来进行，其中所述挡热元件22的内表面34通过在此出现的冲击冷却效应特别有效地得到冷却。

为了尽可能在由冷却空气K流入的每个区域中在所述挡热元件22的内表面34上实现冲击冷却，优选如此布置所述辅助冷却通道24，使得从所述辅助冷却通道24中流出的冷却空气K垂直地冲击到所述挡热元件22的内表面34上。在此优选如此选择所述挡热元件22相对于叶片基体30的间距，从而在所述冷却介质K冲击到所述挡热元件22的内表面34上时通过该冷却介质K的足够高的流动速度在所述冷却空气K和反射表面之间引起紧密的接触，并且由此出现冲击冷却效应。

图6示出了具有按本发明的挡热元件22的涡轮叶片12、14的一种特别有利的设计方案。在此，所述挡热元件22被集成在所述叶片基体30的前缘区域中，由此以有利的方式保持所述涡轮叶片12、14的原来的外部形状。因而没有改变流体机械的空气动力学上的设计，由此在挡热元件22在外部安装在叶片基体30上时防止比如由于在外部边缘上的涡流形成而降低燃气涡轮机的效率。

在所述挡热元件22和叶片基体30之间为产生冲击冷却所需要的缝隙在所述涡轮叶片12、14的这种特殊的实施方式中通过以下方式来实现，即所述挡热元件22被安放在存在于叶片基体30中的空隙38上。由此，所述涡轮叶片12、14的伸入燃气涡轮机的流动通道中的外表面部分地由所述挡热元件22的外表面构成。

按图5的挡热元件22的自由端部在按图6的设计方案中平齐地成形在由所述基体30构成的叶片壁体上，用于实现所述涡轮叶片12、14的无错位(versatzfrei)的表面。此外，所述基体30的与挡热元件22对置的部分朝叶片内部缩进，使得所述挡热元件22的边缘区域与所述叶片本体相连接。

Claims (7)

1.涡轮叶片(12、14)，尤其用在燃气涡轮机(2)中，

具有叶片基体(30)，该叶片基体的在前缘区域中的外表面(32)设有与该外表面(32)隔开布置的挡热元件(22)，并且

具有多条从由构造在所述叶片基体(30)内部的主冷却通道(26)中分支出来的辅助冷却通道(24)，所述辅助冷却通道(24)在所述叶片基体(30)的前缘区域中汇入排出口中，

其特征在于，

所述挡热元件具有一定数量的从所述主冷却通道(26)一直延伸到所述挡热元件(22)的外表面(36)的排出通道(28)。

2.按权利要求1所述的涡轮叶片(12、14)，

其挡热元件(22)在所述叶片基体(30)的前缘区域中具有与叶片的轮廓相匹配的形状。

3.按权利要求1或2所述的涡轮叶片(12、14)，

其挡热元件(22)由与叶片基体(30)相比更加耐热的材料制成。

4.按权利要求1到3中任一项所述的涡轮叶片(12、14)，

其中，所述挡热元件(22)相对于所述叶片基体(30)以最大3毫米的间距来布置。

5.按权利要求1到4中任一项所述的涡轮叶片(12、14)，

其中，所述辅助冷却通道(24)基本上垂直于所述挡热元件(22)的内壁表面(34)定向地布置。

6.按权利要求1到5中任一项所述的涡轮叶片(12、14)，

其中，所述挡热元件(22)在其边缘区域中与所述叶片基体(30)相连接。

7.热的流体机械，尤其是燃气涡轮机(2)，

具有一定数量的按权利要求1到6中任一项所述的涡轮叶片(12、14)。

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