CN101852098B - 具有隔热体的涡轮叶片组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有隔热体的涡轮叶片组件。一种用于燃气轮机的涡轮叶片组件包括具有凸肋(62)的翼梁(60)、具有多个突起(72)的安装在翼梁周围的隔离件(70)，以及安装在隔离件周围的外壳(80)。隔离件上的突起部分(72)包围翼梁上的凸肋(62)。隔离件的突起部分起使外壳的内部表面远离翼梁而隔开的作用，以提供冷却空气隔热层。

Description

具有隔热体的涡轮叶片组件

技术领域

本发明涉及用于燃气涡轮发动机中的涡轮叶片(或轮叶)。

背景技术

在典型的燃气轮机中，燃料和空气在燃烧器中混合，且然后被点燃。然后热的燃烧气体被引导到安装在涡轮的旋转部分的外周边上的多个涡轮叶片上。在典型的涡轮中，将存在多排涡轮叶片和相关联的喷嘴。当来自燃烧器的热的燃烧气体从第一组涡轮叶片到第二组、第三组和第四组涡轮叶片前进通过涡轮时，气体开始变冷。但是，第一组和第二组涡轮叶片会经受极高的温度，因为它们是在热的燃烧气体从燃烧器传送出来之后首先接收热的燃烧气体的叶片。温度极高的气体可缩短涡轮叶片的构件寿命。

发明内容

在一方面，本发明可实施为用于涡轮的叶片组件，其包括：具有多个凸肋的翼梁，该多个凸肋沿着翼梁的外侧延伸；安装在翼梁的外侧周围且具有包围翼梁的凸肋的多个突起部分的隔离件；以及安装在隔离件周围的外壳。

在另一方面，本发明可实施为组装用于涡轮的叶片组件的方法，该方法包括：将具有多个突起部分的隔离件安装在具有沿着翼梁的外侧延伸的多个凸肋的翼梁上，使得隔离件的突起部分包围凸肋；以及将外壳安装在隔离件周围。

附图说明

图1是示出了典型的燃气轮机的第一组喷嘴和涡轮叶片的截面图；

图2是涡轮叶片组件的透视图；

图3是示出了涡轮叶片组件的翼梁的透视图；

图4是示出了涡轮叶片组件的隔离件的透视图；

图5是示出了涡轮叶片组件的外壳的透视图；

图6是涡轮叶片组件的侧面的截面视图；

图7是涡轮叶片组件的翼梁的俯视截面视图；

图8是涡轮叶片组件的一个备选实施例的翼梁的俯视图；

图9是示出了涡轮叶片组件的翼梁、隔离件和外壳的俯视分解图；以及

图10是示出了涡轮叶片组件的隔离件和外壳的俯视图。

部件列表：

28气流

30定子叶片安装件

34喷嘴叶片

36定子叶片的前缘

38涡轮壳体

40涡轮叶片

42前缘

43帽部分

44侧缘

45底板

46后缘

47基底部分

48基底中的开口

50旋转部件

60翼梁

62凸肋

62a第一凸肋

62b第二凸肋

64冷却孔

66冷却空气通道

68冷却空气通道

70隔离件

70a隔离件的第一半部

70b隔离件的第二半部

72突起部分

74冷却孔

76上边缘

78隔离件的下边缘

80外壳

80a壳的第一半部

80b壳的第二半部

82壳的顶部边缘

84壳的下边缘

86孔

具体实施方式

图1示出了典型的燃气轮机的第一组喷嘴和第一组涡轮叶片。热的燃烧气体将沿箭头28的方向进入组件。热的燃烧气体首先将冲击一组喷嘴叶片34。当燃烧气体朝第一组涡轮叶片或轮叶40传送时，喷嘴叶片将沿特定方向引导热的燃烧气体。图1还示出了在涡轮叶片40右边的喷嘴叶片34。此喷嘴叶片是第二组喷嘴叶片的一部分，第二组喷嘴叶片朝向第二组涡轮叶片引导燃烧气体。在典型的涡轮中，将存在定位在图1所示的涡轮叶片40的右边的额外的喷嘴组和叶片组。

涡轮叶片40附连到旋转部件50上，旋转部件50本身附连到涡轮的旋转轴上。经过涡轮叶片40的热的燃烧气体对附连的旋转部件50和轴赋予旋转动作。如上所述，接收热的燃烧气体的第一组涡轮叶片会经受极高的温度，该极高的温度可造成磨损和过早的故障。

图2呈现了涡轮叶片组件的更加详细的视图。涡轮叶片40附连到基底部分47上。基底部分47构造成以便附连到涡轮的旋转叶轮上。图1所示的涡轮叶片组件将会附连到图1所示的旋转部件50上。

涡轮叶片40包括前缘42、侧缘44和后缘46。涡轮叶片40或者安装在附连到基底47上的底板45上，或者突出通过该底板45。

在一些实施例中，为了帮助冷却涡轮叶片，为涡轮叶片提供冷却空气，冷却空气通过基底47进入涡轮叶片40的内部部分。冷却空气冲刷涡轮叶片40的内部通道，且然后通过位于后缘46上的多个孔86离开。

图2所示的涡轮叶片组件的实际的叶片部分40包括多个部分。图3-5中示出了那些多个部分。涡轮叶片包括带肋的翼梁、安装在翼梁周围的隔离件以及外壳。

如图3所示，涡轮叶片的翼梁60向上延伸通过基底盖45。帽部分43形成于翼梁60的顶部上，或者附连到翼梁60的顶部上。多个凸肋62在翼梁60的外侧面周围延伸。另外，在一些实施例中，在翼梁60的外侧面上提供冷却孔64。下面会对冷却孔进行更加详细的论述。

涡轮叶片组件还包括隔离件70，如图4所示。隔离件70是具有大体类似于图3所示的带肋的翼梁60的外部的形状的薄金属板。隔离件包括从该隔离件70的侧面延伸出来的多个突起部分72。另外，还可通过隔离件形成多个冷却孔74。

隔离件70上的突起部分72具有允许该突起部分包围翼梁60上的肋62的外部的形状和大小。隔离件上的突起部分72的宽度和高度大于翼梁60上的凸肋62的宽度和高度。下面将更加详细地论述此特征。

涡轮叶片组件进一步包括如图5所示的外壳80。该外壳包括顶部边缘82和底部边缘84。在一些实施例中，多个孔口86可形成于外壳上的各种位置处。在一些实施例中，孔口可仅沿着外壳80的后缘形成。在备选实施例中，多个孔口也可沿着该壳形成于其它位置处。

为了组装涡轮叶片组件，首先会将隔离件70附连到外壳80上。然后会将隔离件和外壳的组合安装在翼梁60上，从而使得隔离件70的突起部分72包围翼梁60的凸肋62。隔离件的上边缘76和外壳80位于翼梁60上的帽43下方。

图6示出了显示在其已经组装好之后的涡轮叶片组件的侧面的截面视图。如图中所示，薄的隔离件72安装在翼梁60的外侧面周围。隔离件70的突起部分72在翼梁60的凸肋62周围延伸。隔离件的顶部边缘抵靠帽43的下侧。另外，外壳80在翼梁60和隔离件70两者的外表面周围延伸。外壳80的上边缘82也抵靠帽43的下侧。另外，外壳80的下边缘84向下延伸通过底板45中的开口。

隔离件70确保外壳80的内表面远离翼梁60的外表面而隔开。因此，冷却空气可通过翼梁的外表面和壳80的内表面之间的该空间流通。隔离件70的突起部分72的宽度，换句话说，它们自翼梁的侧部突出来的距离，确保在凸肋62的外表面和外壳80的内表面之间也保持了气隙。

隔离件70用来保持壳和翼梁之间的空气隙。但是，当涡轮叶片以极高的旋转速度旋转时，典型地，隔离件经历的向心力可导致隔离件变形和/或移位。另外，燃烧气体冲击外壳的力也可造成隔离件70变形。插入隔离件70的突起72中的翼梁上的肋62有助于防止隔离件70和所附连的壳由于这些力中的任何一种而发生移位或变形。

在外壳80和翼梁60之间保持的气隙会在外壳80和翼梁60之间产生非常大的温差。换句话说，在操作期间，涡轮叶片组件的翼梁将不会经受像外壳80所经历的温度那样高的温度。这使得可能用比在翼梁材料本身直接暴露于热的燃烧气体的情况下将必需的材料更便宜的材料来形成翼梁。翼梁经历的较低的温度有助于延长涡轮叶片组件的寿命，且延长定期维护间隔。

允许隔离件和壳相对于翼梁略微移动的事实起到了降低可能会由于单独的零件的加热和膨胀而产生的任何应力的作用。

另外，如以上描述的那样形成涡轮叶片可降低叶片组件的重量。换句话说，当以上描述的叶片具有与实心叶片相同的外部尺寸时，以上描述的叶片将会由于气隙而更轻。这种重量降低可能以许多不同的方式有所裨益。首先，重量降低会减小保持及支承涡轮叶片的旋转零件上的离心载荷。另外，重量降低会减小涡轮组件的整体旋转质量。

此外，当涡轮叶片如以上描述的那样构造，且涡轮叶片的外表面开始经历重大磨损时，仅更换外部壳是可行的。不需要更换涡轮叶片的下面的零件，而仅更换壳。这起到降低维护涡轮的成本的作用。

在一些实施例中，冷却空气有意地从翼梁的内部流通通过隔离件，且然后通过外壳而离开。冷却空气的这种流动帮助将涡轮叶片组件保持在足够低的温度。除了将翼梁保持在低温之外，这种方式的流通的冷却空气还将有助于冷却隔离件和壳。

图7示出了涡轮叶片组件的一个实施例的翼梁的截面俯视图。如图中所示，多个主冷却空气通道66向上延伸翼梁的高度。另外的冷却空气通道68从主冷却空气通道66延伸出来，到达翼梁60的外侧面。冷却空气通道68的出口在翼梁的侧部上形成冷却空气孔64，如图3所示。

流通通过翼梁且离开该翼梁的空气将用来冷却翼梁本身。另外，允许离开翼梁的冷却空气穿过形成于隔离件70中的孔口74。然后，穿过隔离件中的孔口74的冷却空气将在外壳80的内表面上流过，以有助于冷却外壳80。然后，冷却空气可通过外壳中的孔口86离开外壳80。如上所述，可在壳80上的多个不同位置处提供外壳80中的孔口86。

在一些实施例中，可将冷却空气从涡轮叶片组件的基底向上引导到形成于外壳和翼梁之间的空间中。这可以是冷却空气供应的唯一形式，或者可将冷却空气从基底向上引导到翼梁和壳之间的空间中，而且还通过翼梁本身中的冷却空气通道来提供冷却空气(如以上所阐述)。

在图3所示的实施例中，凸肋62一直在翼梁60的侧面周围延伸。在图8所示的一个备选实施例中，凸肋可仅沿翼梁的侧面延伸。如图8所示，第一凸肋62a沿翼梁60的第一侧延伸，而第二凸肋62b则沿翼梁60的第二侧延伸。在图8所示的一个实施例中，隔离件和外壳80可能会在前缘和/或后缘处直接抵靠翼梁。

隔离件和外壳可以以许多不同的方式附连到翼梁上。在一些实施例中，可在两个或更多个不同的区段中提供隔离件和外壳，它们在翼梁的外部的周围附连在一起。

如图9所示，隔离件可包括在翼梁60的外部的周围聚集在一起的第一半部70a和第二半部70b。另外，外壳可由两个不同的区段80a和80b形成，区段80a和80b在隔离件70的外部的周围聚集在一起。外部壳和/或隔离件的端部可以以任何适当的方式附连在一起。

图10示出了另一个实施例，其中形成隔离件和外壳的两个部分的端部沿着叶片组件的侧缘集合在一起。

在另一个实施例中，隔离件和外壳可由不止两个区段形成，且区段的端部可在沿着叶片组件的外部的任何部位处连结在一起。在又一个实施例中，隔离件可由多个条带形成，该多个条带中的各个安装在翼梁上的肋中的一个上。

虽然已经结合目前被认为是最实用和优选的实施例的内容描述了本发明，但将理解的是，本发明不限于公开的实施例，而是相反，本发明意图覆盖包括在所附的权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (21)

1.一种用于涡轮的叶片组件，包括：

具有多个凸肋的翼梁，所述多个凸肋沿着所述翼梁的外侧延伸；

安装在所述翼梁的外侧周围且具有包围所述翼梁的凸肋的多个突起部分的隔离件；以及

安装在所述隔离件周围的外壳。

2.根据权利要求1所述的叶片组件，其特征在于，所述叶片组件进一步包括安装在所述翼梁的顶部上的帽。

3.根据权利要求2所述的叶片组件，其特征在于，所述外壳的上边缘抵靠所述帽的下侧。

4.根据权利要求2所述的叶片组件，其特征在于，还包括基底，所述基底带有具有孔口的基底盖，所述翼梁延伸穿过所述孔口，并且其中，所述隔离件基本沿着从所述基底盖延伸到所述帽的所述翼梁的整个高度延伸。

5.根据权利要求1所述的叶片组件，其特征在于，所述叶片组件进一步包括构造成以便联接到涡轮的旋转轴上的基底，其中，所述翼梁安装到所述基底上。

6.根据权利要求5所述的叶片组件，其特征在于，所述基底包括具有孔口的基底盖，所述翼梁延伸穿过所述孔口，并且其中，所述外壳的下边缘安装在所述基底盖的孔口中，且延伸穿过所述孔口。

7.根据权利要求1所述的叶片组件，其特征在于，所述隔离件的突起部分的宽度大于所述翼梁的凸肋的宽度。

8.根据权利要求1所述的叶片组件，其特征在于，所述隔离件确保所述外壳的内表面与所述翼梁的外表面隔开。

9.根据权利要求8所述的叶片组件，其特征在于，所述隔离件确保所述外壳的内表面与所述翼梁的凸肋的外部端隔开。

10.根据权利要求1所述的叶片组件，其特征在于，所述翼梁包括：

沿着所述翼梁的高度延伸的至少一个冷却空气通道；以及

从所述至少一个冷却空气通道延伸到形成于所述翼梁的外侧上的扩散冷却孔的至少一个扩散冷却通道。

11.根据权利要求10所述的叶片组件，其特征在于，通过所述隔离件形成多个隔离件孔口，使得离开所述翼梁的至少一个扩散冷却通道的冷却空气可穿过所述隔离件的隔离件孔口，以冲击所述外壳的内表面。

12.根据权利要求11所述的叶片组件，其特征在于，通过所述外壳形成多个外壳孔口，且其中，输送到所述外壳的内表面的冷却空气能够穿过所述外壳孔口而从所述叶片组件离开。

13.根据权利要求12所述的叶片组件，其特征在于，所述外壳孔口沿着所述外壳的后缘而形成。

14.根据权利要求1所述的叶片组件，其特征在于，所述翼梁的凸肋仅沿着所述翼梁的侧面延伸。

15.根据权利要求1所述的叶片组件，其特征在于，所述隔离件包括在该隔离件安装在所述翼梁上时附连在一起的多个区段。

16.根据权利要求15所述的叶片组件，其特征在于，所述外壳包括当该外壳安装在所述隔离件周围时附连在一起的多个部分。

17.根据权利要求1所述的叶片组件，其特征在于，所述外壳包括当该外壳安装在所述隔离件周围时附连在一起的多个部分。

18.根据权利要求17所述的叶片组件，其特征在于，所述外壳的所述多个部分的端部边缘在所述叶片组件的侧部处附连在一起。

19.一种组装用于涡轮的叶片组件的方法，包括：

将具有多个突起部分的隔离件安装在翼梁上，所述翼梁具有沿着该翼梁的外侧延伸的多个凸肋，使得所述隔离件的突起部分包围所述凸肋；以及

将外壳安装在所述隔离件周围。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，将隔离件安装在翼梁上的步骤包括从所述翼梁的相反侧使所述隔离件的两个区段聚在一起，以及将所述两个区段附连在一起。

21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，将外壳安装在隔离件周围的步骤包括从所述翼梁的相反侧使所述外壳的两个区段聚在一起，以及将所述两个区段附连在一起。

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