CN101960096B - 用于固定式燃气轮机的涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于固定式燃气轮机的涡轮叶片(10)，它具有空心的叶片板(24)，在其中在内部设有至少一个使压力侧壁(26)和抽吸侧壁(28)相互支撑的筋肋(36)，在其中为了延长涡轮叶片(10)的使用寿命，在外部的倒圆(34)的高度上在侧壁(26)、(28)与平台表面(20)之间设有穿过所述筋肋(36)的靠近壁体的开口(40)。利用开口(40)避免在过渡部位中的材料堆积，或者使堆积与没有开口(40)相比减少，由此可以避免刚度跃变和伴随而来的更大的温度梯度。

Description

用于固定式燃气轮机的涡轮叶片
技术领域
本发明涉及一种用于固定式燃气轮机的涡轮叶片，具有至少一个平台部位，它包括具有平台表面的平台，在其上设有在横截面中成型的叶片板，它具有压力侧壁和抽吸侧壁，其中处于热燃气下的压力侧壁和抽吸侧壁的表面分别通过外部的倒圆过渡到平台表面中，该涡轮叶片还具有至少一个设置在叶片板中的、一直延伸到平台部位中的空腔，在该空腔中设有至少一个将压力侧壁与抽吸侧壁连接的筋肋，它沿着叶片板的纵向延伸地划分所述空腔。
背景技术
由现有技术早就已知上述的涡轮机叶片。它们通常具有由空腔穿通的叶片板，这些空腔相互间通过筋肋分开。这些筋肋从抽吸侧壁延伸到压力侧壁并且沿着叶片板的纵向，即从平台直到叶片尖部。在此铸造的涡轮叶片在叶片板与平台表面之间具有过渡部位，它通过圆角形的倒圆使叶片侧壁，即抽吸侧壁和压力侧壁，在这个部位加厚。因此在过渡部位存在材料堆积，它同时也带来叶片板的刚度跃变。因此叶片板在平台侧比在其中间部位或者叶片尖部一侧刚性更强。由于这种刚度跃变可能在运行中导致较大的温度梯度，它们引起高的热应力并由此限制涡轮叶片的使用寿命。
为了避免由于从涡轮叶片脱离的碎片造成的涡轮机中的二次损坏，在涡轮机中安装这种涡轮叶片并且在运行时使用，在达到事先确定的最大使用寿命以后更换涡轮叶片。
由现有技术还已知，至少部分地由此延长使用寿命，即在刚度跃变的部位中涂覆比在没有这种材料堆积的部位中更厚的隔热层。由此降低温度梯度。
此外由EP 1 420 142 A1已知一种涡轮叶片，其被热燃气迎流的前棱边被冲击冷却。为此所需的冲击冷却孔设置在筋肋中，筋肋在抽吸侧壁与压力侧壁之间支撑叶片板。在此冲击冷却孔在叶片板的高度上基本均匀地分布并且总是中间地设置在抽吸侧与压力侧之间，用于保证均匀地冷却前棱边。
发明内容
因此本发明的目的是，提供用于固定式涡轮机的涡轮叶片，它具有延长的使用寿命。
这个目的通过一种用于固定式燃气轮机的涡轮叶片得以实现，其具有固定部位和连接在其上的平台部位，该平台部位包括具有平台表面的平台，在所述平台表面上设有在横截面中成型的叶片板，该叶片板具有压力侧壁和抽吸侧壁，其中处于热燃气下的压力侧壁和抽吸侧壁的表面分别通过外部的倒圆过渡到平台表面中，
所述涡轮叶片还具有至少一个设置在叶片板中的、一直延伸到所述平台部位中的空腔，在该空腔中设有至少一个将压力侧壁和抽吸侧壁连接的筋肋，所述筋肋沿着叶片板的纵向延伸地划分所述空腔，其中在筋肋中在所述外部的倒圆的高度上设有穿过所述筋肋的开口，其特征在于，所述开口靠近壁体并偏离中心地设置。
本发明规定，在上述形式的涡轮叶片中其中至少一个设置在叶片板中的筋肋在外部的倒圆的高度上具有穿过所述筋肋中的靠近壁体的开口。
该开口在外部的倒圆的高度上在涡轮叶片内部设置在处于那里的筋肋中。
在此靠近壁体意味着，其位置在压力侧壁与抽吸侧壁的内侧面之间偏离中心。由此可以减少材料在外部的倒圆高度上的堆积。这种简单的结构措施导致刚度跃变的均衡，并且降低在减小的材料堆积中的温度梯度。必要时附加地要注意由开口引起的对涡轮叶片冷却空气系统的影响以及对围绕开口的应力过高的影响。同样也要注意由于减小的、承载的筋肋横截面引起的所谓的蠕变使用寿命以及由于减少质量引起的可能变化的固有频率。相应地可以有意义地设有椭圆的、具有适合的取向的开口。也可以有意义地延长筋肋直到平台部位中，并且还可延长直到涡轮叶片的根部或固定部位。
按照另一有利的方案可以有意义地匹配设置在筋肋与侧壁之间的另一倒圆。由此减少机械负荷。当然也可以组合所建议的措施，用于补偿由于使用靠近壁体的开口产生的变化，由此总体上延长涡轮叶片的使用寿命。总之，通过本发明能够降低材料堆积上的负荷并由此提高使用寿命。
如果保证通过叶片根部到筋肋的接触性，可以简单地实现按照本发明的措施(即在筋肋中在外部的倒圆的高度上设有穿过所述筋肋的靠近壁体的开口)并且也可以事后再配备到有需求的涡轮叶片中。另一方面，如果一体地浇铸叶片板和平台，并且为了加工空腔在浇铸装置中所使用的铸芯通过在芯中存在的孔实现用于之后在筋肋中存在的靠近壁体的开口，则在加工新部件时可以通过简单的方式实现所述开口。这一点尤其是有利的，因为孔也可以用于稳定铸芯，并且可以省去其它的所谓的横穿孔(Cross-Over-Holes)，这种横穿孔既不靠近壁体、也不在外部的倒圆的高度上位于设在抽吸侧壁与压力侧壁之间的筋肋中。
如果开口设置在抽吸侧壁与压力侧壁之间偏离中心，或者开口相切或相交于由抽吸侧壁和/或压力侧壁的内侧面所形成的侧壁平面，都可以使穿过筋肋的开口靠近壁体。
适宜地使所述开口是圆形或椭圆的。这些开口能够特别简单地制成，尤其当涡轮叶片基本一体铸造的时候。由此使铸芯在相应的位置具有仅一个相应的孔。
按照一种备选解决方案，也可以延长所述的涡轮叶片的使用寿命，即所述平台侧的筋肋端部在压力侧壁的内侧面上比在抽吸侧壁的内侧面上延伸得更长或更短。
下面代替穿过所述筋肋的靠近壁体的开口也可以理解为缺口。即开口不是全圆周地被筋肋材料包围。通过这样配备的涡轮叶片也可以局部减少在过渡部位中的材料堆积。按照第二方案的涡轮叶片，在有利的改进方案中可以具有平台表面，它是假想的穿过空腔延伸的平台平面的一部分，其中筋肋的平台侧的端部在压力侧位于平台平面的一侧，并且在抽吸侧位于平台平面的另一侧。
附图说明
下面借助于附图中的实施例详细描述本发明的其它特征、特性和优点。所述特征不仅可以单独而且可以相互组合，都是有意义的。附图中：
图1示出按照本发明的涡轮叶片的立体图，具有简示的叶片板，
图2以立体图示出按照图1的按照本发明的涡轮叶片的局部细节Z，
图3示出细节Z的另一备选解决方案。
具体实施方式
图1以立体图示出用于固定式燃气轮机的涡轮叶片10。按照图1的涡轮叶片10由工作叶片构成。但是本发明也可以应用于固定式涡轮机的导向叶片。铸造的、一体的涡轮叶片10沿着纵向12包括叶片根部14，在其上连接平台部位16。该平台部位16主要包括具有平台表面20的平台18。该平台表面20基本是平面的并因此是假想的平台平面22的一部分。在平台表面20上设有在横截面中成型的叶片板24。该叶片板24由压力侧壁26和抽吸侧壁28构成，它们从公共的前棱边30延伸到公共的后棱边32，并且不仅在前棱边30上而且在后棱边32上都相互过渡。所述抽吸侧壁28、压力侧壁26的表面以及平台表面20可由燃气轮机的热燃气绕流。不仅压力侧壁26而且抽吸侧壁28都通过圆角形的环绕的倒圆34过渡到平台18中。倒圆34或过渡部位作为肩角也是公知的。
由侧壁26、28包围的空腔通过多个筋肋36分成小空腔。每个筋肋36至少在叶片板24内部沿着其纵向12延伸。在图1中仅仅示出叶片板24的一部分。仅仅通过虚线表示直到叶片尖部的完整叶片板。
图2以立体图示出按照图1的涡轮叶片10的细节Z，其中为了清晰隐去在前棱边30和后棱边32方向上的不重要的部件。图2详细地示出已经在图1中描述的特征：平台表面20、压力侧壁26、抽吸侧壁28、平台18、筋肋36和倒圆34。
按照本发明在筋肋36中(沿着叶片板24的纵向12看去)在外部的倒圆34的高度上设有穿过所述筋肋36的靠近壁体的开口40。靠近壁体的开口40在所示的方案中圆形地构成。也能够实现椭圆的开口40。该开口40以压力侧壁26的内侧面42为基准这样设置，使由其形成的侧壁平面44与开口40相交。由此在外部的倒圆34部位产生材料减少，它通过配有标记符号46的阴影表示。由于在涡轮叶片10内部减少外部的倒圆34部位中的材料，可以避免刚度跃变，因为在外部的倒圆34部位的质量增加会由于开口40而存在的缺口至少部分地得到补偿。由于在筋肋36中存在的开口40，保留使抽吸侧壁28与压力侧壁26连接的连接臂50(以筋肋端部48为基准)。
按照本发明的效果也可以通过涡轮叶片10达到，其中不存在连接臂50。这实现备选的涡轮叶片10，其细节Z在图3中示出。在图3中示出的细节Z基本对应于在图2中所示的细节并因此不再详细描述。一致的特征在图3中配有一致的标记符号。与图2的差别是，给筋肋36设有没有完全被材料包围的开口40。取而代之，使筋肋36在平台侧终结在以涡轮叶片10的纵向延展为基准的不一致的高度上。因此代替开口40设有缺口。筋肋36的直接设置在抽吸侧壁28的内侧面43上的那个部位，在叶片轴线12的纵向上看去，与筋肋36的直接设置在压力侧壁26的内侧面42上的那个部位相比，终结在不同的位置上。换言之：平台侧的筋肋端部在压力侧壁26的内侧面42上比设置在抽吸侧壁28的内侧面43上的筋肋端部更短地延伸。因此至少对于压力侧的外部的倒圆34的区段可以避免不必要的材料堆积，它导致不必要的刚度跃变。
所述平台表面20是假想的通过空腔延伸的平台平面22的一部分。所述筋肋36的平台侧的端部最好在压力侧设置在平台平面22一侧，即在平台平面22以上(叶片尖部一侧)，并且在抽吸侧设置在平台平面22的另一侧，即在平台平面22以下(叶片根部一侧)。也能够实现筋肋端部的相反布置，其中在平台侧筋肋34的压力侧的端部终结在平台平面22以下，筋肋36的抽吸侧的端部终结在平台平面22以上。在此平台侧的筋肋端部从压力侧26到抽吸侧38的走向的方式和方法可以任意地构成。该走向例如可以是直线的，或者如图3所示的方案，是凸起/凹陷的。要注意由于使用按照本发明的开口40或缺口所产生的对冷却空气系统以及对开口40中的应力状况的影响，最好也可以匹配另一倒圆41，它存在于筋肋36到压力侧壁26和/或抽吸侧壁28的内壁42、43的过渡中。这种匹配在沿着叶片板24的纵向延展12的不同位置上对于所述另一倒圆41导致不同的半径R1、R2。所述另一倒圆41的半径R1在外部的倒圆34的高度上可以大于所述另一倒圆41在叶片板24的中间高度上的半径R2。
如果所述筋肋36设置在叶片板24的前棱边30与后棱边32之间的中间部位，则在压力侧壁上设有开口40或缺口。但是如果筋肋36相对靠近前棱边30或相对靠近后棱边32，则可以在抽吸侧壁上设置开口40或按照本发明的缺口，因为在相应的部位产生较高的热燃气温度和材料温度。
由压力侧壁26的内侧面42或抽吸侧壁28的内侧面43中的开口40所引起的在外部的倒圆34高度上的空缺可以沿着内侧面42、43继续延伸，也可以越过筋肋36的部位继续延伸，由此使空缺在内侧也设置在过渡部位的这样的区段中，即在那里没有筋肋36支撑侧壁26、28。该空缺使侧壁26、28的各从属的形成的侧壁平面圆角形地加深，由此也可以在外部的倒圆34的没设置筋肋36的区段中减少质量。这个空缺也可以在按照图3的涡轮叶片中使用。因此在这里也可以实现按照本发明的应力减小，它能够进一步延迟在过渡部位的这个区段中产生裂纹并且可能延迟裂纹生长。
总之，本发明涉及一种用于固定式涡轮机的涡轮叶片10，它具有空心的叶片板24，在其中在内部存在至少一个使压力侧壁26和抽吸侧壁28相互支撑的筋肋36，在其中为了延长涡轮叶片10的使用寿命，在外部的倒圆34的高度上在侧壁26、28与平台表面20之间设有穿过所述筋肋36中的靠近壁体的开口40。利用开口40避免在过渡部位中的材料堆积或者使堆积与没有开口40相比减少，由此可以避免刚度跃变和伴随而来的更大的温度梯度。

Claims (7)

1.用于固定式燃气轮机的涡轮叶片(10)，具有固定部位和连接在其上的平台部位(16)，该平台部位包括具有平台表面(20)的平台(18)，在所述平台表面上设有在横截面中成型的叶片板(24)，该叶片板具有压力侧壁(26)和抽吸侧壁(28)，其中处于热燃气下的压力侧壁(26)和抽吸侧壁(28)的表面分别通过外部的倒圆(34)过渡到平台表面(20)中，
所述涡轮叶片还具有至少一个设置在叶片板(24)中的、一直延伸到所述平台部位(16)中的空腔，在该空腔中设有至少一个将压力侧壁(26)和抽吸侧壁(28)连接的筋肋(36)，所述筋肋沿着叶片板(24)的纵向(12)延伸地划分所述空腔，其中在筋肋(36)中在所述外部的倒圆(34)的高度上设有穿过所述筋肋(36)的开口(40)，其特征在于，所述开口(40)靠近壁体并偏离中心地设置，用于在外部的倒圆(34)的部位中减少材料。
2.如权利要求1所述的涡轮叶片(10)，其特征在于，所述开口(40)局部地相切或相交于由抽吸侧壁(28)和／或压力侧壁(26)的内侧面(42，43)形成的侧壁平面(44)。
3.如权利要求1或2所述的涡轮叶片(10)，其特征在于，所述开口(40)是圆形或椭圆的。
4.用于固定式燃气轮机的涡轮叶片(10)，具有固定部位和连接在其上的平台部位(16)，该平台部位包括具有平台表面(20)的平台(18)，在所述平台表面上设有在横截面中成型的叶片板(24)，该叶片板具有压力侧壁(26)和抽吸侧壁(28)，其中处于热燃气下的压力侧壁(26)和抽吸侧壁(28)的表面分别通过外部的倒圆(34)过渡到平台表面(20)中，
所述涡轮叶片还具有至少一个设置在叶片板(24)中的、一直延伸到所述平台部位(16)中的空腔，在该空腔中设有至少一个将压力侧壁(26)和抽吸侧壁(28)连接的筋肋(36)，所述筋肋沿着叶片板(24)的纵向(12)延伸地划分所述空腔，其特征在于，在所述外部的倒圆(34)的高度上，所述平台侧的筋肋端部(26)在压力侧壁(26)的内侧面(42)上比在抽吸侧壁(28)的内侧面(43)上延伸得更长或更短，其中所述平台表面(20)是假想的延伸穿过所述空腔的平台平面(22)的一部分，并且筋肋(36)的平台侧的端部在压力侧位于平台平面(22)一侧，而在抽吸侧位于平台平面(22)另一侧。
5.如权利要求1或2所述的涡轮叶片(10)，其特征在于，所述筋肋(36)通过另一倒圆(41)过渡到抽吸侧壁(28)的内侧面(43)中和／或压力侧壁(26)的内侧面(42)中，其中所述另一倒圆(41)在平台(18)的高度上具有与在叶片板(24)的中间高度上不同的半径(R1)。
6.如权利要求5所述的涡轮叶片(10)，其特征在于，所述另一倒圆(41)在不同大小的半径(R1，R2)上的过渡是流畅的。
7.如权利要求1或2所述的涡轮叶片(10)，其叶片板(24)和平台(18)浇铸成一体。
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