CN101600853B - 涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮叶片(10)，其具有一个托架结构(12)和一个包绕该托架结构的外壳(14)，该外壳通过至少一个间隔保持件(16)，例如焊料球与所述托架结构(12)保持间隔地相连接，以便在所述托架结构(12)和所述外壳(14)之间形成可供冷却介质流过的间隙(18)。本发明另外还涉及一种制造涡轮叶片(10)的方法，该涡轮叶片(10)具有一个托架结构(12)和一个包绕该托架结构的外壳(14)，该外壳与所述托架结构(12)保持间隔地相连接，其中，所述外壳(14)在所述托架结构(12)的至少一个部位处钎焊到所述托架结构(12)上，以便使所述外壳(14)与所述托架结构(12)保持间隔地相连接。

Description

涡轮叶片
本发明涉及一种涡轮叶片和一种制造涡轮叶片的方法。 
涡轮叶片，尤其是燃气轮机的涡轮叶片在运行时要承受高温，有时这样的高温也会超过材料应力的极限。尤其是在涡轮叶片的入流前缘周边区域内会出现这样的情况。为了即便在高温时也能使用涡轮叶片，很久以来已知的方法是对涡轮叶片进行适当的冷却，使它们具有更高的耐热性，其中，尤其是在燃气轮机中，由于燃气轮机的进口温度越来越高，对涡轮叶片实施冷却的重要意义也一直在增加。利用具有高耐热性的涡轮叶片，尤其可实现较高的动力效率。 
已知的冷却方式例如是对流冷却，冲击式冷却和薄膜式冷却。对流冷却可能是应用最为广泛的叶片冷却方式。在这种冷却方式中，冷却空气被导引通过叶片内的通道并利用对流效应，将热量带走。在冲击式冷却方式中，冷却空气流从内侧撞击到叶片表面上，由此在撞击点实现很好的冷却效果，然而这样良好的冷却效果仅仅局限于撞击点较窄的区域及比较靠近的周边。因此，这种冷却方式主要用于冷却涡轮叶片的承受局部很高温度载荷的入流前缘。在薄膜式冷却方式中，冷却空气通过涡轮叶片中的开孔从内部流到叶片的外侧。冷却空气绕流涡轮叶片并在热的过程燃气和涡轮叶片表面之间形成一个隔热层。上述这些冷却方式可视具体应用情况而适当组合，从而实现尽可能有效的叶片冷却。 
例如在美国专利文献US 6,238,182中公开了涡轮叶片的入流前缘的冲击式冷却。该涡轮叶片具有一个铸造出的叶片型面，其型壁较厚。在较厚的型壁中插装有一种薄壁的冲击式冷却插件。该冲击式冷却插件通过多个分别减缩成尖端的肋片支撑在与之相对的另一些肋片上，这另一些肋片设置在型壁的内侧。这样形成的成对肋片(肋片对)在此相互焊接，以围成所述腔室。 
为实现对流冷却，在目前已知的涡轮叶片设计中，叶片连同例如叶片衬套形式的外壳以及冷却通道被浇铸而成。然后通过涂敷工艺在叶片上施加涂层。在该制造工艺中，尤其是借助浇铸工艺制造在已知的涡轮叶片中设计的冷却通道十分麻烦，成本耗费也很大。 
除了用浇铸工艺制造涡轮叶片外，在美国专利文献US 2,906,495中也公开了由一个支撑结构和一个外壳组成的可纯粹进行对流冷却的涡轮叶片。所述支撑结构为波形。波谷和波峰分别与一个由外壳板构成的叶片型面的吸入侧和压力侧焊接，由此形成多个沿叶片型面直线延伸的冷却通道。 
本发明所要解决的技术问题在于提供一种可进行特别有效的对流冷却的涡轮叶片，并且该涡轮叶片与已知的涡轮叶片相比能更方便和廉价地制造。 
上述技术问题按照本发明首先通过一种涡轮叶片来解决，该涡轮叶片具有一个托架结构和一个包绕该托架结构的外壳，该外壳通过多个间隔保持件与所述托架结构保持间隔地相连接，以便在所述托架结构和所述外壳之间形成可供冷却介质流过的间隙，按照本发明，所述外壳和所述托架结构通过所述间隔保持件进行逐点地连接，所述间隔保持件面状分布地设置。 
在本发明的涡轮叶片中，所述优选为叶片衬套形式的外壳仅仅用于在涡轮叶片被绕流或迎流时，通过按照本发明的间隔保持件将气体动力传递到一个面状地位于该外壳之下的托架结构中。所述托架结构主要支撑外壳并承接通过外壳和间隔保持件传递来的流动力。如果按照本发明的涡轮叶片也用作动叶片，则托架结构也承受因转动造成的离心力作用。就此而言，本发明的涡轮叶片与美国专利文献US6,238,182所公开的涡轮叶片存在区别，在后者所披露的叶片中，仅叶片型面段设计为自支撑，冲击式冷却插件仅仅承担为冲击式冷却保持间隔距离的作用。 
所述力传递通过大量面状分布地设置、并分别将外壳与托架结构逐点地连接起来的间隔保持件来实现。通过间隔保持件的面状分布设置，所述外壳在大量的部位被支撑，这使得外壳可特别薄并因此能特别好地冷却。 
所述通过间隔形成的间隙按照本发明由一种优选为气体或流体的冷却介质流过，以便在涡轮叶片应用过程中通过对流冷却实现对外壳的有效冷却。按照本发明，所述外壳的热量仅仅通过所述间隔保持件传递给所述托架结构。这样做的优点在于，避免了因外壳受热所导致的托架结构过热。 
采用本发明的涡轮叶片，可相对于已知的技术方案更好地区分流动导向任务和力传递任务，从而降低任务的复杂程度。通过热和机械方面的脱耦，可有效地结合不同寻常的材料组合，而这在已知的连同其外壳和冷却通道一起被浇铸而成的涡轮叶片中却不能顺利简便地实现。 
尤其是，按照本发明的涡轮叶片相对于已知的涡轮叶片可更简便地制造，因为不必为构造冷却通道准备相应复杂构型的铸模。按照本发明，仅仅需要通过间隔保持件实现在托架结构和外壳之间的连接，以便形成按照本发明的间隙形式的可流通的冷却通道。 
按照本发明提供一种设计用于对流冷却的涡轮叶片，它除了便于制造之外，尤其还具有通过大量面状分布设置的间隔保持件明显改善散热和将热量传递给冷却介质的优点。其中，所述大量的间隔保持件的表面被冷却介质流过并同时使冷却介质产生涡流，从而提高传热系数。 
特别优选的是，所述间隔保持件均匀地分布在外壳和托架结构之间。在本发明的另一有利的扩展设计中，所述间隔保持件分别设计成焊料球，并通过焊接，尤其是钎焊与所述托架结构及所述外壳连接。因此，按照本发明，所述外壳与托架结构之间的连接通过钎焊实现，更确切地说是优选通过在各个单独部位的钎焊实现。所述焊料按照本发明由许多小的焊料球组成，它们在焊接过程中不是全部熔化，而是仅部分熔化。这些焊料球在电子技术中通常被称为“球栅(Ball-Grid)”。由上述方式可在外壳和托架结构之间形成窄缝形式的间隙，其中，热量仅仅可在如此构成的焊点处传递到托架结构中。所述焊料球按照本发明形成一个大的表面，使得热量可直接传递到穿过所述间隙流动的冷却介质中。每单位面积内的间隔保持件数量越多，所述间隔保持件可被冷却介质绕流的表面积就越大，这一方面能改善冷却，另一方面能改善外壳与托架结构的连接。更好的连接本身又可实现更坚固或更薄的外壳。 
在另一有利的扩展设计中，在外壳和面状托架结构之间的所述间隙设计为缝隙状，其中，在叶片的横截面图中看，其缝隙大小从叶片的前缘到后缘都基本保持不变。由此可使得用于对流冷却外壳的冷却空气特别小损耗地流过所述间隙。 
在本发明另一有利的扩展设计中，所述涡轮叶片的叶根被这样构造，即，使得所述间隙从叶根开始可被冷却介质流过。从而以实用的方式实现了按照本发明的间隙的通流。 
本发明还涉及一种制造按本发明的涡轮叶片的方法，该涡轮叶片具有一个托架结构和一个包绕该托架结构的外壳，该外壳与所述托架结构保持间隔地相连接，其中，所述外壳在所述托架结构的多个部位钎焊到所述托架结构上，以便使所述外壳与所述托架结构保持间隔地相连接，其中，所述外壳和所述托架结构通过多个间隔保持件进行逐点地连接，所述间隔保持件面状分 布地设置。 
下面借助附图所示对按照本发明的涡轮叶片的一实施方式进行详细说明，附图中： 
图1是按照本发明的涡轮叶片的横剖面视图； 
图2是叶片衬套形式的涡轮叶片外壳连同相连的焊料球的局部立体视图； 
图3是通过按照本发明的焊料球在外壳和托架结构之间形成的连接的局部放大视图。 
图1示出按照本发明的涡轮叶片10的横断面，由此横剖面视图可看出，叶片10具有一个倒圆的入流前缘和一个尖锐的流动后缘。所述涡轮叶片10具有一个实心的或空心的托架结构12，一个薄壁的叶片衬套14形式的外壳，该外壳通过焊料球16与托架结构12保持间隔地相连接，以便形成可被一种冷却介质流过的狭窄缝隙形式的间隙18。为了形成一样宽度的间隙，所述托架结构12在与所述外壳14内侧相对的区域内设计成面状结构，并相应于外壳14的气体动力学造型而弯曲成型。所述叶片衬套14用于将流体入流它时所形成的流体动力学力传递给所述托架结构12。该托架结构12则设计成可将传递给它的力进一步传递给一个图中未示出的叶片托架，所述托架结构12固定在该叶片托架上。通过大量的在电子技术领域行话中也称为“球栅(Ball-Grid)”的焊料球16相应地钎焊在所述托架结构12或叶片衬套14的各点上，可实现所述外壳与托架结构的连接。在此，所述焊料球16在钎焊过程中不完全熔化。 
在冷却介质流过间隙18时，叶片衬套14基于其热量被流过的冷却介质带走而被有效地对流冷却。由于在叶片衬套14和托架结构12之间的热传递仅仅通过焊料球16进行，托架结构12仅被热的叶片衬套14少许加热。叶片衬套1的绝大部分热量被冷却介质带走，在此，所述焊料球16形成大的表面，热量直接被传递给冷却介质。 
图2示出涡轮叶片10的呈叶片衬套14形式的外壳及与之相连接的焊料球16。如图所示，这些焊料球16仅仅设置在各个独立的、相互间隔的位置上，以实现在托架结构12和叶片衬套14之间尽可能有效的连接，并且随之形成尽可能有利于流动的间隙18。所述焊料球16按照一种均匀栅格的形式面状分布地设置在外壳14和托架结构12之间，由此可将作用在外壳14上 的流动力均匀地传递到托架结构12中。与此同时，基于所采用的大量焊料球16，各单个焊料球16所传递的力也会比较小。相应地各焊料球16可设计得相对较小。 
图3最后示出通过焊料球16在叶片衬套14和托架结构12之间实现连接的局部放大视图，其中，所述叶片衬套14上还具有一些通孔20，它们可这样地提供作为对流冷却的辅助手段的薄膜式冷却，即，冷却介质可通过这些通孔20向外流出。 
同样也可以利用一个空心的托架结构12对叶片衬套14进行冲击式冷却，其中，在所述托架结构12内的空腔通过适当的冲击式冷却开孔与所述间隙18连通。 

Claims (6)

1.一种涡轮叶片(10)，其具有一个托架结构(12)和一个包绕该托架结构的外壳(14)，该外壳通过多个间隔保持件(16)与所述托架结构(12)保持间隔地相连接，以便在所述托架结构(12)和所述外壳(14)之间形成可供冷却介质流过的间隙(18)，其特征在于，所述外壳(14)和所述托架结构(12)通过所述间隔保持件(16)进行逐点地连接，其中，所述间隔保持件(16)面状分布地设置，所述间隔保持件(16)分别设计成焊料球，并通过钎焊与所述托架结构(12)及所述外壳(14)连接。
2.如权利要求1所述的涡轮叶片(10)，其中，所述间隔保持件(16)均匀地面状分布。
3.如权利要求1所述的涡轮叶片(10)，其中，所述焊料球(16)仅部分熔化。
4.如权利要求1或2所述的涡轮叶片(10)，其中，所述间隙(18)设计为缝隙状，并且在横截面图中看，其缝隙大小从叶片的前缘到后缘都基本保持不变。
5.如权利要求1或2所述的涡轮叶片(10)，其特征在于，所述涡轮叶片(10)具有叶根，该叶根被这样构造，即，使得所述间隙(18)可从叶根开始被冷却介质流过。
6.一种制造涡轮叶片(10)的方法，该涡轮叶片(10)具有一个托架结构(12)和一个包绕该托架结构的外壳(14)，该外壳与所述托架结构(12)保持间隔地相连接，其中，所述外壳(14)在所述托架结构(12)的多个部位处钎焊到所述托架结构(12)上，以便使所述外壳(14)与所述托架结构(12)保持间隔地相连接，其特征在于，所述外壳(14)和所述托架结构(12)通过多个间隔保持件(16)进行逐点地连接，并且所述间隔保持件(16)面状分布地设置，其中，所述间隔保持件(16)包括焊料球(16)，这些焊料球在连接所述托架结构(12)与所述外壳(14)时仅仅部分熔化。
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