CN102348867B - 叶片根部带有除尘孔的涡轮叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮机的冷却涡轮叶片，包括由叶根(5)支持，安装在平台(6)上的叶片(2)，所述叶片带有一个或多个供冷却空气循环的空腔，所述腔室(11)沿后缘(4)延伸，而后缘通过供气管道(10)来向其提供冷却空气，供气管道则将位于叶根(5)下部进气口(12)与后缘空腔(11)相联通，在所述叶根内形成弯道(13)，其特征在于，所述管道(10)包括，沿相对于进气口(12)呈大体径向的轴线上，一个位于平台(6)下方且呈钟形的凹部(14)，所述凹部在其顶部经由除尘孔(19)延伸，该除尘孔通过所述平台并由从平台(6)大体径向延伸的壁限定在叶根(5)内，以便从侧面对孔进行封闭。

Description

叶片根部带有除尘孔的涡轮叶片

技术领域

本发明领域为涡轮机领域，特别是这些涡轮机的冷却涡轮叶片(vane)领域。

背景技术

现代涡轮机通常都是采用组件装配集成形式来生产的。首先，它们包括一个或多个串行布置的压气机组件，这些组件将吸入的空气压缩到进气口。然后，使空气进入燃烧室与燃料混合而燃烧。燃烧气体流过驱动压气机的一个或多个涡轮组件。最后，燃气或者被排放到喷气管嘴而产生推进动力，或者排放到自由涡轮产生动力，经由传动轴传输。

这些现代涡轮机因为离开燃烧室的燃气温度很高而需要冷却，这就是说，需要安装新鲜空气通风管路，目的是当涡轮机工作时对涡轮叶片的金属进行冷却。通风空气从压气机级的外侧被引出后输送到涡轮。空气一般都经由叶根进入，经由叶片最厚处的腔室流过这些叶片，然后，经由叶片的壁或顶部处的孔道被排出。腔室是在叶片内部纵向构成，在叶片的根部和顶部之间延伸，从而带走该空气并对金属进行冷却。一般来讲，沿叶弦依次并排布置几个空腔，以便对流量进行平衡，均匀冷却金属。

各种类型的灰尘(特别是细砂)可能会在发动机运行时需要空气而被吸入进气管道。尽管大部分灰尘流过发动机时不会造成任何损伤，但部分灰尘会进入涡轮叶片冷却管路；如果灰尘堆积在这些管路中，那么，就会导致空腔排气孔口堵塞的风险，从而危及叶片。为了防止这种情况的发生，除了冷却孔和通风口外，涡轮叶片都装有经过校准的除尘孔，这些除尘孔位于空腔顶部，其作用就是排除灰尘。

每个腔室都设有除尘孔。孔的尺寸是根据灰尘尺寸的有关标准确定，因此，并不取决于叶片的总体尺寸。如果叶片尺寸小，设置除尘孔则非常困难，而且又是确定管路尺寸的重要因素，因为这可能决定了冷却管路的热力特性。

在高压涡轮叶片的情况下，需要解决的问题是特别严重的，因为叶片尺寸非常小，而且，其中冷却后缘的空腔厚度也非常薄。在短叶弦的叶片上安装后缘空腔除尘孔可能会引起该空腔尺寸异常增大，但同时会损害其他空腔。后缘空腔在这种情况下会占整个叶弦长度的25％，而在较大叶片上，后缘空腔则通常只占15到20％。这就是说，具有这种除尘孔的小型叶片将需要由后缘空腔提供更多的空气来冷却，不能使用其它空腔来对其冷却。因此，重要的是，可以降低后缘空腔的横截面，以便减少其冷却流量，从而保持良好的总体热力特性。为实现这个目的而需要解决的问题是，寻找一种可排除后缘空腔灰尘的方式，但同时又无需在叶片顶部设置除尘孔。

发明内容

本发明的目的是提出一种涡轮叶片来解决这些问题，该叶片没有现有技术的某些缺点，而且特别是，未设置位于叶顶的后缘空腔除尘孔。本发明的另一个目的是对排尘空气的利用进行优化，使其有助于叶片的冷却。

为此，本发明的一个目的是，提供一种涡轮机的冷却涡轮叶片，其包括由叶根支撑而安装在平台上的叶片，所述叶片带有一个或多个空腔，用于冷却空气循环，所述空腔沿后缘延伸，由供气管道向其提供冷却空气，而供气管道将通过位于叶根下部的进气口连接到后缘空腔，在所述叶根内形成弯道，其特征在于，沿相对于进气口大体径向的轴线上，该管道包括位于平台下方并呈钟形的凹部，所述凹部经由流过所述平台的除尘孔在其顶部打开，并由从平台处大体径向延伸的壁而限定在叶根内，目的是从侧面对该凹部进行封闭。

由于凹部呈现钟形且面向进气口布置，所以起颗粒陷阱的作用，捕集随冷却空气而来且可能会进入叶片后缘冷却管路的灰尘颗粒。然后，这些颗粒经由孔道被排出，孔道的尺寸根据这些颗粒预计尺寸来定。

在一个具体实施例中，涡轮叶片进一步包括至少一个通风孔道，用来对平台进行通风，该孔道通过供气管道向其提供冷却空气，而除尘孔与平台的所述通风孔道相重合。

而且，这种布局也减少了制造叶片所需的加工次数。

优选地，从平台径向延伸的所述凹部的至少其中一个壁位于管道其中一个壁的延伸端。

更优选地，所述凹部由供气管道的壁和脊状突起形成，后者位于冷却空气在所述管道内流动方向的另一边。这个形状特别适合叶片的铸造加工。

在本发明的另一种形式中，除尘孔的延伸部分是平台外表面上加工而成的凹槽，从上面看去，该凹槽呈大体三角形形状。这种布置意味着，流过除尘孔的空气有助于平台和叶片之间连接部位的冷却。

优选地，凹槽从位于除尘孔上面的顶点延伸，在朝向平台和叶片之间的连接部位处扩宽。

在这个不同形式的一个具体实施例中，与除尘孔相对的三角形的边的长度是除尘孔直径的1.5到3倍。

有利的是，从除尘孔延伸的两个边的长度是所述孔直径的6到15倍。

优选地，凹槽中轴线的走向与位于叶片后缘的平台边缘大体平行。更优选地，凹槽偏离平台所述边缘方向至多5°。

在一个具体实施例中，凹槽的中部大体上为一斜面形式，该斜面在厚度H值的50到80％之间的深度h上沿除尘孔方向嵌入到平台的厚度H内。

优选地，所述斜面相对于平台平面倾斜3°到10°。

本发明还涉及到包括至少一个上述叶片的涡轮机的涡轮组件，或涉及到包括这种涡轮组件的涡轮机。

下面参照所附示意图，阅读以仅作说明性和非限定性示例给出的本发明的一个实施例的详细解释性描述，可以更好地理解本发明，本发明的进一步目的、细节、特性和优点会更清楚地显现出来。

附图说明

图1为高压涡轮叶片的透视图；

图2为高压涡轮叶片的透视图，示出了根据现有技术布置的后缘空腔除尘孔；

图3为根据现有技术的高压涡轮叶片的透视图，示出了穿过后缘空腔切开的横截面；

图4为高压涡轮叶片的透视图，示出了根据本发明一个实施例的除尘孔，所示为穿过后缘空腔切开的横截面；

图5为高压涡轮叶片后缘空腔的剖面图，示出了根据本发明同一实施例的除尘孔；

图6为涡轮叶片平台的顶视图，示出了根据本发明的另一种形式的除尘孔；

图7为涡轮叶片平台的剖面图，示出了根据本发明所述另一种形式除尘孔的排气孔口的形状。

具体实施方式

参照图1，该图示出了高压涡轮叶片1，包括在前缘3和后缘4之间延伸的叶片2，其安装在由叶根5支承的平台6上；平台6由圆形的过渡半径17连接到叶片2上。叶片1在其后缘4处设有若干通气孔7，用来排放在后缘空腔内循环的冷却空气。图2示出了现有技术中孔道8的位置，该孔道可起后缘空腔除尘孔的作用；孔8在该空腔处位于叶片顶部。叶片1还包括叶片2吸力面一侧平台6上的孔道9，来自叶根5的空气流过这些孔道，这些孔道的作用就是对叶片1叶片2和平台6之间的连接部位17进行冷却。图2所示孔道9位于后缘4处，其空气来自后缘空腔新鲜空气供气管道。

图3和图4分别示出了管道10区域内涡轮叶片1的横截面，该管道10向叶片后缘空腔11提供冷却空气。图3所示为现有技术，管道10从位于叶根5处的进气口12一直延伸到空腔11内，孔的截面大体恒定，或者非常缓慢地缩小，目的是考虑到冷却流的敲击声。传统上，其形状是带有弯道13，这样，该弯头就将位于叶根5对称平面处的进气口12与后缘空腔11相连通，后者本身因为叶片1的弯曲形状而偏离该平面。

在根据本发明的图4中，管道10从叶片1的吸力面开始加宽，从而在平台6的下方形成凹部(niche)14，由管道10向其供气，经由孔道9向气流打开，孔道9起除尘孔的作用。该凹部14大体上位于进气口12的轴线上，呈钟形腔室的形式，空腔的顶部由平台6的下壁构成，平台中心位于除尘孔19上，而其侧壁则在除尘孔19的每侧向下布置，以便从侧面对该孔封闭。除尘孔19的直径应能使可能来到此处的任何灰尘得以通过。

凹部14主要是由冷却管道10的壁改道而成，在现有技术中这些壁偏离叶片2的吸力面，从而在平台6的下方形成空间，同时，凹部同时也是由脊状突起16构成，位于空气循环方向的另一边，目的是从侧面封闭封闭该空间。这种布局实际上在叶片制造期间相当容易铸造。

图5是流过管道10的空气循环的剖面图，以及进入叶片1后缘4冷却管路内的灰尘15颗粒流动路径。

从图3和图4可以看出，因为凹部14是在平台6下方形成的，而且必须与进气孔12相对准，除尘孔19(图4)的位置与现有技术(图3)冷却孔道9相比，其距离更远离过渡半径17。现有技术中的冷却孔道是在该半径17与平台6的回合点处打开，而除尘孔19则与该点相隔一段距离。如果除尘孔19取代孔道9，那么，就会导致该混合区域冷却效果下降。

为了改变这种情况并只保留一个冷却过渡半径17的孔道，图6示出了叶片1底部的另一种形式，即除尘孔19深入到平台6内。该孔通过平台外侧最厚处的凹槽20来延伸(即，在距发动机旋转轴线最远的一侧)，从上面看去时，凹槽呈大体三角形状。对应的三角形从除尘孔19上的顶端延伸，并向平台6和叶片2之间的连接区17扩宽。在最佳实施例中，除尘孔19对面的一边的长度范围在除尘孔19直径的1.5到3倍之间，而另外两个边的长度范围则在该直径的6到15倍之间。

图7示出了凹槽20的A-A向横剖面图，如图6所示，与位于叶片后缘的平台边缘大体平行。如前所示，除尘孔19穿过平台6的整个厚度H，而在其中部，凹槽20呈倾斜平面形状，该平面嵌入到该厚度H部分内。其在厚度H的50到80％的厚度h处与除尘孔19相汇合，并相对于平台平面倾斜3°到10°的角度。在横向于A-A剖面的方向上，凹槽20的形状为U形或V形，该形状沿三角形的两个长边与平台6的平面相连接。

构成凹槽20的三角形的中间轴位于燃气流动管线方向上，为此，偏离位于叶片后缘的平台边缘方向，偏离角度为+/-5°。

下面介绍本发明叶片1后缘4的冷却原理。

冷却空气抵达叶片1的根部5，经由进气管道12进入空腔11供气管路，从而对后缘4进行冷却。灰尘15颗粒与该空气混合，而这些颗粒需要排除，以防堵塞冷却孔道，影响叶片某些部件的冷却。

空气在压力下进入叶片1的内部并带走灰尘颗粒15。因为叶片旋转以及由此而产生的离心力，这些灰尘颗粒会在冷却管道10内径向移动并向着凹部14方向移动，凹部为此而布置成面向进气口12。不同于现有技术，灰尘颗粒并没有沿管道10的弯道13移动，而是暂时停留在平台6的下方，被凹部14的侧向壁所截留。这些灰尘颗粒在该凹部顶部下方累积，这样，就形成面向孔道19，后者则起到了除尘孔的作用。然后，灰尘颗粒15在穿过除尘孔19的空气流动中被带走，并被喷入发动机燃气流中。因为排尘是在孔道19处进行，所以在叶片1空腔11的顶部无需为了完成该功能而再钻孔；这样，就避免了钻孔作业，正如前面所属，而这种钻孔作业在现有技术中是非常困难的。在图6和图7所示另一种形式中，通过除尘孔19的冷却空气在其离开时经凹槽20在平台6区改变方向，采用大体上与该平台平行的方向流动。此外，发动机燃气流将冷却空气紧紧压向平台表面，燃气流将其带向过渡半径17。为了进行这种排尘功能，流过除尘孔19并从叶片冷却管路改道的空气从而仍能对该叶片进行冷却，但这个时候，冷却的是叶片的根部。

因为除尘孔19的直径大于现有技术的孔道9的直径，其尺寸应允许灰尘颗粒穿过，所以，穿过该孔道的空气流量要大于穿过孔道9的冷却流量。结果，首先，该空气流量较大，其次，凹槽20形状为三角形，离开除尘孔19的空气会在某些长度上扫过过渡半径17。因此，其热效能相当于现有技术平台中三个孔道9的效果，而且有可能不使用这些孔道也行。因而，以这种不同方式获得的改进是双倍的，而且，避免了钻三个孔的作业，总体上降低了流过后缘空腔的冷却空气的流量。这是因为排尘空气为了冷却叶片-平台连接部位17，实际上起到了除尘孔8以前所起的作用以及冷却孔道9所起的作用。

尽管本发明已经结合两个具体实施例进行了描述，但很显然，本发明无论如何并不仅限于这些实施例，而是包括了所述方式的所有技术等同形式和这些的结合形式，且都在本发明范围之内。

Claims (14)

1.一种涡轮机的冷却涡轮叶片，包括由叶根(5)支持、安装在平台(6)上的叶身(2)，所述叶身带有一个或多个供冷却空气循环的空腔，所述空腔中的一个称为后缘空腔(11)，该后缘空腔(11)沿后缘(4)延伸并通过供气管道(10)提供冷却空气，供气管道则将位于叶根(5)下部进气口(12)与后缘空腔(11)相联通，在所述叶根内形成弯道(13)，其特征在于，所述管道(10)包括，沿相对于进气口(12)呈大体径向的轴线上，一个位于平台(6)下方且呈钟形的凹部(14)，所述凹部在其顶部经由通过所述平台的除尘孔(19)开口，并且所述凹部由从平台(6)大体径向延伸的壁限定在叶根(5)内，以便从侧面对所述凹部进行封闭。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片，进一步包括用来对平台(6)进行通风的至少一个通风孔道(9)，所述通风孔道由供气管道(10)向其提供冷却空气，其特征在于，除尘孔(19)与平台(6)的所述通风孔道(9)重合。

3.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述凹部(14)的至少一个壁从所述平台(6)处径向延伸，形成为所述供气管道(10)的一个壁的延伸端。

4.根据权利要求3所述的涡轮叶片，其特征在于，所述凹部(14)由所述供气管道(10)的壁的延伸端和脊状突起(16)构成，该脊状突起位于所述供气管道内冷却空气循环流动方向的另一边。

5.根据权利要求1到4其中一项所述的涡轮叶片，其特征在于，除尘孔(19)经由平台(6)外表面上的凹槽(20)延伸，该凹槽从上面看去呈现大体三角形形状。

6.根据权利要求5所述的涡轮叶片，其特征在于，凹槽(20)从位于除尘孔(19)上的顶点延伸，并向平台(6)和叶身(2)之间连接部位(17)扩宽。

7.根据权利要求6所述的涡轮叶片，其特征在于，与除尘孔(19)相对的三角形的边的长度是除尘孔(19)直径的1.5到3倍。

8.根据权利要求6和7任一项所述的涡轮叶片，其特征在于，从除尘孔(19)延伸的两个边的长度是所述孔直径的6到15倍。

9.根据权利要求5所述的涡轮叶片，其特征在于，凹槽(20)中轴线走向与位于叶片(1)后缘(4)处的平台(6)的边缘大体平行。

10.根据权利要求9所述的涡轮叶片，其特征在于，凹槽(20)中轴线偏离平台(6)所述边缘方向至多5°。

11.根据权利要求5所述的涡轮叶片，其特征在于，在所述除尘孔的中部，凹槽(20)大体上呈倾斜平面形式，该倾斜平面沿除尘孔深度方向嵌入到平台(6)的厚度H内的深度h为50-80％的H。

12.根据权利要求11所述的涡轮叶片，其特征在于，所述斜面相对于平台平面倾斜3到10°。

13.一种涡轮机的涡轮组件，包括根据权利要求1到12其中一项所述的至少一个叶片(1)。

14.一种涡轮机，包括权利要求13所述的涡轮组件。