CN101622423B - 燃气涡轮发动机的导叶组件的导叶管道元件 - Google Patents

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Abstract

一种燃气涡轮机的入口导叶装置，包括多个导叶管道元件，导叶管道元件包括吸力侧壁(2)和压力侧壁(3)，这两种壁(2，3)彼此面对，并设计成能邻接这多个导叶管道元件(1)中的另一个，使得一个导叶管道元件(1)的压力侧壁(3)与相邻导叶管道元件(1)的吸力侧壁(2)相配合，由此形成导叶(6)，导叶管道元件(1)包括接受钥匙元件(15)的部分，当两个导叶管道元件(1)彼此邻接时，该钥匙元件(15)适于装置在压力侧壁(3)和相邻吸力侧壁(2)之间，并且适于将两个邻接的导叶管道元件(1)固定在一起。

Description

燃气涡轮发动机的导叶组件的导叶管道元件
技术领域
本发明涉及燃气涡轮发动机的入口导叶装置。
背景技术
燃气涡轮发动机、特别是轴流式燃气发生器涡轮机中的叶片(特别是定子叶片)，在涡轮机操作期间要经受机械负荷和热负荷。热负荷和机械负荷是由加热叶片并向这些叶片施加气体压力的热气流引起的。具体地，紧挨燃气发生器的燃烧室的下游的第一喷嘴导叶经历热气体温度。
非常需要设计并构造有足够机械整体性的叶片，以抵档操作期间施加的负荷。
此外，叶片的整体性也取决于叶片的耐久性寿命。具体地，当叶片长期经受高温和高应变时，会出现叶片蠕变，导致叶片材料上的裂缝，并最终导致机械故障。
叶片材料的强度取决于操作期间施加的应力、操作温度和操作时间。为了改进叶片的机械整体性和耐久性寿命，通常的补救措施是冷却叶片材料。
叶片设有内部冷却通道，冷却空气流过该冷却通道。冷却空气从燃气发生器的压缩机提取，该压缩机代表了相当大的效率和输出功率损失。
燃气发生器涡轮机的导叶组件由多个相互附接的导叶部分组成。每个导叶组件都包括导叶、轮毂部分和护罩部分。一个导叶部分的每个轮毂部分都邻接相邻导叶部分的轮毂部分，从而形成导叶组件的轮毂。一个导叶部分的每个护罩部分都邻接相邻导叶部分的护罩部分，从而形成导叶组件的壳体。
导叶组件分成导叶部分的分割是均匀的，使得每个导叶部分的几何形状和尺寸都是相同的。因此，可相似地制造每个导叶部分。通常以铸造来制造导叶部分。
但是，为了冷却目的，导叶组件的导叶设有内部冷却通道。因为导叶的几何尺寸小，就精度和合理的制造成本而论，很难在导叶材料内部制造内部冷却通道。
鉴于现代燃气涡轮机中的叶片经受的气体温度能够达到或甚至超过现有镍合金材料的熔化温度的80％，铸造内部冷却通道的现有技术已经改进至很高水平。主要障碍是内部铸造冷却特征的实际制造精度，尤其是在高级微结构合金中，如定向凝固和单晶材料。这往往既降低冷却效率，又导致浪费空气的较大通道，从而损害机器性能。
此外，铸造中精度不高意味着冷却空气分布通常远离燃气涡轮机的周围，意味着喷嘴导叶的设计要考虑最坏情况，并导致几乎所有其他喷嘴导叶都浪费空气。这对于铸造公差是零件和通道尺寸的相对较大部分的小型燃气涡轮发动机特别严重。这也意味着，平均壁厚要大于所需的以避免最坏情况下的缺点。这就导致更大的热阻抗，从而再次降低了冷却效率。
本发明的目的是提供燃气涡轮发动机的入口导叶装置，其中导叶管道元件具有高冷却效率，但制造精度仍然很高。
发明内容
根据本发明，权利要求1所述的燃气涡轮发动机的入口导叶装置实现了该目的。从属权利要求限定了本发明的进一步改进方案。
燃气涡轮发动机的创造性的入口导叶装置包括多个导叶管道元件，导叶管道元件包括吸力侧壁和压力侧壁，这两种壁彼此面对，并设计成可邻接所述导叶管道元件的另一个，使得一个导叶管道元件的压力侧壁与相邻导叶管道元件的吸力侧壁相配合，从而形成导叶。此外，导叶管道元件包括接受钥匙元件的部分，该钥匙元件适于布置在压力侧壁和相邻吸力侧壁之间，从而使得当两个导叶管道元件相互邻接时，该钥匙元件将两个邻接的导叶管道元件固定在一起。
导叶管道元件限定了由吸力侧壁和压力侧壁限定的流动通道。当并排布置多个所述导叶管道元件时，导叶装置就形成了，其中，由相邻压力侧壁和吸力侧壁限定的对形成相关导叶。如果预定数目的导叶管道元件一个接一个地布置，那么就形成了导叶装置。
由于导叶由一个导叶管道元件的压力侧壁和相邻导叶管道元件的吸力侧壁形成，因此导叶由两个单独的导叶管道元件限定。因此，在导叶内设置了分割面，当两个相邻导叶管道元件分离后，从外部可接近导叶的内部。
因此，当制造导叶管道元件时，吸力侧壁和压力侧壁之间的流通道制造在内部，而导叶的分割面暴露于外部。例如，导叶管道元件可铸造而成，其中，带有吸力侧壁和压力侧壁的流动通道使用型芯形成，并通过例如机加工分割面来制造导叶中的内部冷却通道。
与冷却通道的几何尺寸相比，流动通道的几何尺寸大得多。通常，与铸造相比，机加工允许的制造公差更小。因此，借助模具芯制造流动通道并通过机加工制造冷却通道是适当的，因为与冷却通道的机加工公差对冷却流的影响相比，流动通道的铸造公差对主流具有类似的相对影响。此外，主流动通道的模具芯不是很复杂、并且更大更稳定，从而带来高制造产量。此外，精确测量导叶冷却通道的位置的能力会导致：通过机加工分割面，可纠正芯和模具的未对准，这种纠正会带来较低的扩散(scatter)，因此，冷却通道和流动通道设计余量、以及吸力侧壁和压力侧壁的厚度公差都可以得到减小。结果，必要冷却空气的量可被减少，燃气涡轮发动机的总体效率得到提高。
导叶管道元件可包括彼此面对的轮毂段壁和护罩段壁，当多个导叶管道元件一个接一个地布置时，它们分别形成导叶排的轮毂或护罩。
因此，导叶管道元件具有由吸力侧壁、压力侧壁、轮毂段壁和护罩段壁限定的盒状结构。该盒状结构是刚性的，并具有高机械强度和刚度。
此外，有利的是轮毂段壁和护罩段壁都具有处于导叶前缘上游和后缘下游的预定延伸部分。
通常，燃气涡轮发动机包括带过渡区的燃烧室。因此，当导叶管道元件安装在燃气涡轮发动机内接近燃烧室的下游时，该预定延伸部分的尺寸有利地设计为至少延伸到过渡区。传统设计中，导叶之间的接缝从导叶排上游边缘延伸到下游边缘，该接缝沿这整个长度暴露在管流下。通常泄漏应该会提供进入接缝的热气体，并破坏导叶支撑结构。在本发明设计中，导叶之间的接缝的大部分位于吸力表面和压力表面之间，因此不会暴露给涡轮机中的热气体。因此，轮毂侧壁和护罩侧壁中的接缝泄漏在至上游延伸部分和下游延伸部分的长度上减小了。该接缝目前由于渗漏和浪费冷却空气、以及扰乱涡轮机中的空气动力特性、降低空气动力效率而声名狼藉。
该实施方式也将很好地适用于压力损失冷却方案，该方案允许在燃烧室内重新使用导叶冷却空气。这将提高涡轮机的热力有效点火温度，而不改变由材料和排放物限制的物理最热气体温度。其后果是对于任何特定材料技术，改进了燃气涡轮发动机的输出和效率。这也允许第一叶片从燃烧室得到支撑。通过以这种方式从燃烧室支撑导叶，可节约涡轮力学的重要部分以降低成本。与设计成允许通过中央壳体移除过渡管的筒型系统结合，这种方法也允许最热叶片的快速检测和更换，给出进一步的计划停机时间的优势。
导叶管道元件优选由高温材料制成，特别是陶瓷材料或难熔的金属合金。
高温材料的使用允许提高燃烧排气温度，从而增加燃气发生器的热力效率。
对于由这些高温材料制成的普通导叶，某些构造很难、甚至不可能形成进入导叶的冷却通道。然而，导叶管道元件的提供却允许处在其压力侧壁和吸力侧壁处的分割面包括冷却通道，尽管导叶管道元件的几何形状仍然保持简单。冷却通道的更复杂几何形状可考虑通过机加工或铸造与机加工的组合。复杂几何形状允许更有效地使用冷却剂(如冷却空气)，其提供较低的叶片温度和/或降低冷却剂的用量。
可替代地，为了降低温度，进一步处于管元件下游的导叶可用片材或板材冲压或锻造出来，该片材或板材可以预制成单一件，例如锥形管，或预制成两个半部，然后将这两个半部结合在一起。
这两个半部可通过熔焊接合在一起。
具体地，这两个半部可在处于吸力侧壁和压力侧壁之间的轮毂段壁和护罩段壁上结合在一起。
导叶管道元件的这种制造方法减少了生产准备时间，并允许具有高机加工强度的锻造材料的使用。
另外，导叶管道元件可设有涂层。
有利地，导叶管道元件的表面可单独被掩膜用于涂层，这允许预定涂层组分在暴露于冷却空气的表面和暴露于热气体的表面上有不同功用。如果冷却通道在吸力侧壁表面或压力侧壁表面上的开口通入带有冷却孔的流通道，则有利地是在整修期间，可重新涂覆流通道，然后可沿着已有路径从“背后”冷却表面再腐蚀冷却通道，以除去任何阻碍，并确保碎片不会阻塞冷却通道。
此外，对流动均匀性有利的是，穿透冷却孔的通路得到改进，并允许清理和消除冷却通道中的毛刺，这是现有技术难以实现的。
优选地，组装好的导叶包括适用于空气冷却的中空内部，其中，具体地，内部设有湍流器。
此外，优选的是钥匙元件适于通过形状配合(form fit)能固定在压力侧壁和相应的吸力侧壁上，这消除了在每个叶片上螺纹固定装置的需要。
有利地，钥匙元件设有湍流器和/或冲击管，由于钥匙元件无需接触热气体，因此与导叶管道元件相比，钥匙元件可由更加柔软的材料制成，鉴于这样的事实，该钥匙元件更容易制造。
优选的是，当两个导叶管道元件相互邻接时，一个导叶管道元件的压力侧壁和相邻导叶管道元件的吸力侧壁在前缘和/或后缘处限定了分割线，该分割线分别包括了至少一个前缘开口和/或至少一个后缘开口。如果相邻导叶元件之间接缝的形式设计成使得前缘开口和/或后缘开口形成一系列将冷却空气排入主流的离散孔，则是有利的。
此外，优选的是，钥匙元件适于使压力侧壁远离相邻吸力侧壁，从而使得该至少一个前缘开口和/或该至少一个后缘开口形成为空气动力槽，其在流动通道与内部之间能穿透，并将排出冷却剂作为膜附到导叶元件的暴露给气体的壁。
该创造性装置的叶片可以附接到燃烧室出口。
附图说明
以下参照附图，基于导叶管道元件的优选实施方式说明本发明。附图中：
图1示出了两个邻接导叶管道元件的透视图，
图2示出了导叶管道元件的透视图，
图3示出了由两个邻接导叶管道元件形成的导叶的横截面，
图4示出了由两个邻接导叶管道元件形成的可替代导叶的横截面，
图5示出了由两个邻接导叶管道元件形成的另一可替代导叶的横截面，
图6示出了与筒形燃烧室过渡管形成整体的三个邻接导叶管道元件的装置，
图7示出了与环形燃烧室过渡管形成整体的三个邻接导叶管道元件的装置，以及
图8示出了包括一系列出口的导叶的后缘的视图。
具体实施方式
参照图1至图5，导叶管道元件1包括：吸力侧壁2、压力侧壁3、轮毂段壁4和护罩段壁5。压力侧壁3布置成与吸力侧壁2面对面，轮毂段壁4布置成与护罩段壁5面对面，使得所述壁2、3、4、5形成用作流动通道9的管道。
根据图1，两个单独的导叶管道元件1并排布置，使得一个导叶管道元件1的吸力侧壁2和另一个导叶管道元件1的压力侧壁3至少在某些点上相互邻接，从而配合形成导叶6。导叶6具有前缘7和后缘8，每一个都通过一个导叶管道元件1的吸力侧壁2和另一个导叶管道元件1的压力侧壁3匹配形成。
在导叶6内，即在一个导叶管道元件1的吸力侧壁2和另一个导叶管道元件1的压力侧壁3之间，形成导叶6的中空内部10。冷却空气可流动通过内部10，用来在操作期间冷却导叶6。
从图2可见，为了导引并控制内部10中的冷却空气流，在内部10中形成冷却通道11。冷却通道11由肋12限定，肋12设置在内部10中的吸力侧壁2上，并平行于前缘7和后缘8延伸。因此，肋12引导冷却空气与其平行，使得例如进入内部10的冷却空气在轮毂段壁4处被引导朝向护罩段壁5的方向。肋12布置在位于前缘7和导叶6中部的区域中。
在内部10中，在导叶6的后部区域和后缘8处，设置了基座湍流器13以混合冷却气流并产生湍流。因此，增加了从导叶6的材料至冷却空气的传热。包括肋12的区域和包括基座湍流器13的区域由分隔壁14分开。与吸力侧壁2相似，肋12、分隔壁14和基座湍流器13同样也设置在压力侧壁3上。
当制造导叶管道元件1时，基座湍流器13由(多个)空心铣刀或(多个)研磨“管”形成。肋12可由槽铣削/研磨工具制造。可替代地，可应用来自负主电极的化学或放电加工。冷却通道11能够降低到与吸力侧壁2和压力侧壁3的空气动力表面分别离得更近，并被制造得更精确，以降低热阻抗，同时允许更深的肋12，以使吸力侧壁2和压力侧壁3有更高的机械强度。
可替代地，自适应湍流器可设置在内部10中。由于制造导叶管道元件1时可进入内部10，所以所述自适应湍流器可易于附接。
图3至图5示出了导叶6的横截面视图。导叶6由一个导叶管道元件1的吸力侧壁2和另一个导叶管道元件1的压力侧壁3形成。在内部10中布置钥匙元件15。钥匙元件15包括面对压力侧壁3的侧和面对吸力侧壁2的侧。钥匙元件15的两侧都设有两个突起，吸力侧壁2和压力侧壁3分别设有与突起配合的腹板28，从而在钥匙元件15的每侧都形成两个楔形榫16。楔形榫16平行于前缘7和后缘8延伸，从而将内部10分为从轮毂段壁4延伸至护罩段壁5的四个冷却通道11。
此外，一个导叶管道元件1和另一个导叶管道元件1经由钥匙元件15借助于楔形榫16互锁。当安装两个导叶管道元件1时，所述两个导叶管道元件1必须并排布置，且钥匙元件15必须引入内部10，使得突起在相应的腹板间接合，从而形成楔形榫16。因此，导叶管道元件1的互锁是可拆卸的，从而提供了移走单个导叶管道元件1的快速方式以便例如局部维修。
此外，可向轮毂段壁4和护罩段壁5提供一个或两个安装环，以获得从吸力侧壁2和压力侧壁3的空气动力表面传过钥匙元件15的力。
钥匙元件15设有处于钥匙元件15的楔形榫16之间基座湍流器13，钥匙元件15的前缘部分设有肋湍流器17。因此，所述湍流器特征13和17制造在钥匙元件15上，而可替代地，吸力侧壁2和压力侧壁3缺少任何湍流器特征。当导叶管道元件1由硬度大于钥匙元件15的材料制造以简化并加快生产时，这是特别有利的。此外，导叶管道元件1的几何形状有利地是简单的。
传热仍会通过从壁2和3到钥匙元件的辐射而发生，然后由环绕湍流器13和17的流释放。
为了形成多个导叶组件，一些导叶管道元件1和它们的钥匙元件15可通过熔合或扩散方法或机械锁合接合在一起。
可替代地，在内部10的后缘部分中，吸力侧壁2设有基座湍流器13，且压力侧壁3设有肋湍流器17。进一步可替代地，在内部10的后缘部分中，吸力侧壁2和压力侧壁3设有肋梳1 8作为湍流器(图5)。
可替代地，在内部10的后缘部分，冲击管19并入了钥匙元件15，冲击管19包括冲击管排放开口20(图4，图5)。
此外，在前缘7和后缘8处，吸力侧壁2和压力侧壁3匹配并形成分割线。
楔形榫16尺寸设计成使得钥匙元件15隔开吸力侧壁2和压力侧壁3。因此，在前缘分割线处，导叶6形成有前缘槽21，如图3至图5所示。此外，在后缘分割线处，导叶6形成有后缘槽22，如图5所示。
前缘槽21和后缘槽22将冷却通道11与流通道9连接，使得冷却空气可从导叶6内部10中的冷却通道11流到外部进入流通道9。
因为例如在制造期间处理个体的导叶管道元件1时，可从外部接近分割线，所以对前缘槽21和/或后缘槽22的精确加工是简单的。特别是，前缘槽21和/或后缘槽22能够制成具有平滑内缘，从而减少槽21和22的流动阻力，并增加冷却空气通流，减少通过相邻叶片的流动可变性。此外，导叶6的后缘8更为尖锐，从而减少热力和空气动力损失，并限制下游扰动。
前缘槽21位于前缘7的弯曲部，朝向导叶6的吸力侧。当冷却空气从内部10通过前缘槽21流至流通道9时，冷却空气在导叶6吸力侧上输送以起到冷却作用。因此，借助于前缘槽21可执行导叶的膜层冷却。可替代地，通道可向压力侧壁排放。
作为槽的替代，分割线可在压力侧壁3和/或吸力侧壁2上设有多个凹陷30。图8(后缘的视图)示出了在压力侧壁3上具有凹陷30的实施方式。凹陷30在前缘和/或后缘上形成了一系列开口，用于冷却空气排放。
此外，冷却空气从导叶6的内部10进入后缘8后面的流体。从而有利地增强了导叶的尾流区域。因此，下游叶片经受的空气动力特性得到了改进，特别是相对于振动流态。
由图6可见，三个导叶管道元件1与筒形燃烧室23过渡管24形成整体。
因为每个导叶管道元件1的位置相对燃烧室23固定，所以在组装和结合之前，可以将不同的冷却模式机加工到导叶管道元件1的相同的基本部分中，以考虑由燃烧器造成的温度分布上的已知变化。这允许整个冷却空气流量的减少。在这种情况下，中间的导叶管道元件1具有可替代的加工冷却方案以处理例如热点。
图7示出了三个导叶管道元件1的装置，其带有包括外部冷却壳26的环形燃烧室25。导叶6包括冷却通道端口27，用于使冷却空气进入导叶6的冷却通道11。外部冷却壳26构造为将导叶6排放的冷却空气输送回燃烧器以重新使用(见图7的箭头，其指示了冷却空气的流动)。可替代地，流可从外部通道进入，并通过入口通道返回燃烧器。
本发明颠倒了制造热燃气涡轮机固定叶片的现有几何形状，带来了主机性能、生产和服务的优势以及到目前为止的设计自由度，以优化冷却利用率，这直接影响了发动机的功率输出和效率。
此外，由于通过改进的制造通路而获得更好的几何公差，所得到的零件寿命的更大可预测性也会改进受迫停运率。

Claims (17)

1.一种燃气涡轮机的入口导叶装置，其包括多个导叶管道元件，这些导叶管道元件包括吸力侧壁(2)和压力侧壁(3)，这两种壁(2，3)面对彼此，并且这两种壁设计成能邻接所述导叶管道元件(1)中的另一个导叶管道元件，从而使得一个导叶管道元件(1)的压力侧壁(3)与相邻导叶管道元件(1)的吸力侧壁(2)相配合，由此形成导叶(6)，
其特征在于：导叶管道元件(1)包括接收钥匙元件(15)的部分，该钥匙元件(15)适于布置在压力侧壁(3)和相邻吸力侧壁(2)之间，当两个导叶管道元件(1)彼此邻接时，钥匙元件(15)适于将两个邻接的导叶管道元件(1)固定在一起。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：导叶管道元件(1)包括面对彼此的轮毂段壁(4)和护罩段壁(5)，当多个导叶管道元件(1)布置成一个接一个时，轮毂段壁(4)和护罩段壁(5)分别形成导叶排的轮毂环和护罩环。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：轮毂段壁(4)和护罩段壁(5)二者都具有预定的延伸部分，该延伸部分从导叶(6)的前缘(7)向上游延伸，并处于导叶(6)的后缘(8)的下游。
4.如权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于：导叶管道元件(1)由高温材料制成。
5.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于：导叶管道元件(1)通过冲压或锻造片材或板材制成，该片材或板材预制成单一件，或预制成两个半部，然后再将这两个半部结合在一起。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于：这两个半部通过熔焊结合到一起。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：这两个半部是在处于吸力侧壁(2)和压力侧壁(3)之间的所述轮毂段壁(4)和所述护罩段壁(5)上结合在一起。
8.如权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于：导叶管道元件(1)设有涂层。
9.如权利要求3所述的装置，其特征在于：组装好的导叶(6)包括适用于空气冷却的中空内部(10)。
10.如权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于：钥匙元件(15)适于通过形状配合能固定到压力侧壁(3)和相应的吸力侧壁(2)上。
11.如权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于：钥匙元件(15)设有湍流器(13，17)和/或冲击管(19，20)。
12.如权利要求9所述的装置，其特征在于：当两个导叶管道元件(1)彼此邻接时，一个导叶管道元件(1)的压力侧壁(3)和相邻导叶管道元件(1)的吸力侧壁(2)在所述前缘(7)和/或所述后缘(8)处限定了分割线，这分割线包括至少一个前缘开口(21)和/或至少一个后缘开口(22)。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于：钥匙元件(15)适于使压力侧壁(3)远离相邻的吸力侧壁(2)，从而使得所述的至少一个前缘开口(21)和/或所述的至少一个后缘开口(22)形成为空气动力槽，该空气动力槽在流动通道(9)与中空内部(10)之间是能穿透的。
14.如权利要求12所述的装置，其特征在于：相邻导叶元件(1)之间的接缝形式设计成使得前缘开口(21)和/或后缘开口(22)形成为一系列的离散孔。
15.如权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于：导叶附接到燃烧室出口。
16.如权利要求4所述的装置，其特征在于：高温材料是陶瓷材料或金属合金。
17.如权利要求9所述的装置，其特征在于：中空内部(10)设有湍流器(12，13，17，18)。
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