CN102465717A - 涡轮机叶片以及涡轮机叶片冷却方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮机，其包括壳体和布置在该壳体内的至少一个涡轮叶片。该至少一个涡轮叶片包括操作性地连接至翼型部分的平台部分。冷却腔形成在该平台部分中。该冷却腔包括第一壁、相对于该第一壁布置的第二壁、连接该第一壁与该第二壁的第三壁以及连接该第一壁与该第二壁并且相对于该第三壁定位的第四壁。冲击冷却板延伸至该冷却腔中并且限定了内腔部分和外腔部分。该冲击冷却板包括至少一个冲击冷却通路，该至少一个冲击冷却通路被构造和设置成将冲击冷却流引导至该冷却腔的第一壁、第二壁、第三壁和第四壁中的至少一个上。

Description

涡轮机叶片以及涡轮机叶片冷却方法
技术领域
本发明涉及涡轮机领域，并且更具体地，本发明涉及包括冲击冷却腔的涡轮机叶片。
背景技术
总体而言，燃气涡轮机燃烧能够释放热能的燃料/空气混合物从而形成高温气流。高温气流通过热气路径被引导至涡轮。在涡轮中，高温气流通过多个叶片并且作用在多个涡轮轮叶上。涡轮轮叶将来自高温气流的热能转化为使涡轮轴转动的机械能。涡轮可以用于多种应用中，例如向泵或发电机提供动力。
在操作中，由于与高温气流的相互作用以及其它因素，多个涡轮叶片的温度增加。为了延长使用寿命，要对多个涡轮叶片进行冷却。将冷却空气自涡轮机的燃烧室部分转移并导向涡轮。接着，冷却空气通过多个涡轮叶片的翼型部分以及平台部分，从而降低局部温度。
发明内容
本发明提供一种涡轮机，包括：壳体；至少一个涡轮叶片，所述至少一个涡轮叶片布置在所述壳体内并且包括翼型部分和操作性地连接至所述翼型部分的平台部分，所述平台部分包括第一表面、相对的第二表面以及连接所述第一表面与所述第二表面的侧表面；冷却腔，所述冷却腔形成在所述平台部分中并且包括第一壁、相对于所述第一壁布置的第二壁、连接所述第一壁与所述第二壁的第三壁以及连接所述第一壁与所述第二壁且相对于所述第三壁定位的第四壁；以及冲击冷却板，所述冲击冷却板延伸至所述冷却腔中并且限定了内腔部分和外腔部分，所述冲击冷却板包括至少一个冲击冷却通路，所述至少一个冲击冷却通路被构造和设置成将冲击冷却流引导至所述冷却腔的所述第一壁、所述第二壁、所述第三壁和所述第四壁中的至少一个上。
所述冲击冷却板包括第一冲击冷却表面和第二冲击冷却表面。所述第一冲击冷却表面大致平行于所述第一壁延伸，并且所述第二冲击冷却表面大致平行于所述第四壁延伸。在所述第一冲击冷却表面中形成有至少一个冲击冷却通路。所述至少一个冲击冷却通路包括形成在所述第一冲击冷却表面中的第一冲击冷却冷却通路和形成在所述第二冲击冷却表面中的第二冲击冷却冷却通路。所述至少一个涡轮叶片包括开口，所述开口形成在所述平台部分的所述第一表面和所述第二表面中的一个中，并且所述开口通向所述冷却腔。所述开口被所述翼型部分的轴向范围所覆盖。所述涡轮机进一步包括跨过所述开口延伸的冷却腔罩，所述冷却腔罩可拆卸地安装至所述平台部分并且保持在所述翼型部分的轴向范围内。所述涡轮机进一步包括冷却剂供给通道，所述冷却剂供给通道穿过所述平台部分延伸至所述冷却腔中。所述涡轮机进一步包括薄膜冷却通路，所述薄膜冷却通路自所述冷却腔延伸穿过所述平台部分并且包括暴露于所述第一表面处的开口。所述涡轮机进一步包括另一个薄膜冷却通路，所述另一个薄膜冷却通路自所述冷却腔延伸穿过所述平台部分并且包括暴露于所述侧表面处的开口。
本发明还提供一种涡轮叶片，包括：翼型部分；平台部分，所述平台部分操作性地联结至所述翼型部分并且包括第一表面、相对的第二表面以及连接所述第一表面与所述第二表面的侧表面；
冷却腔，所述冷却腔形成在所述平台部分中并且包括第一壁、相对于所述第一壁布置的第二壁、连接所述第一壁与所述第二壁的第三壁、以及连接所述第一壁与所述第二壁且相对于所述第三壁定位的第四壁；以及冲击冷却板，所述冲击冷却板延伸至所述冷却腔中并且限定了内腔部分和外腔部分，所述冲击冷却板包括至少一个冲击冷却通路，所述至少一个冲击冷却通路被构造和设置成将冲击冷却流引导至所述冷却腔的所述第一壁、所述第二壁、所述第三壁和所述第四壁中的至少一个上。
所述冲击冷却板包括第一冲击冷却表面和第二冲击冷却表面。所述第一冲击冷却表面大致平行于所述第一壁延伸，并且所述第二冲击冷却表面大致平行于所述第四壁延伸。在所述第一冲击冷却表面中形成有至少一个冲击冷却通路。所述至少一个冲击开口包括形成在所述第一冲击冷却表面中的第一冲击冷却通路和形成在所述第二冲击冷却表面中的第二冲击冷却通路。所述至少一个涡轮叶片包括一个开口，所述开口形成在所述平台部分的所述第一表面和所述第二表面中的一个中，并且所述开口通向所述冷却腔。所述开口包括外边缘，所述外边缘并未延伸超过所述翼型部分的轴向范围。所述涡轮叶片进一步包括跨过所述开口延伸的冷却腔罩，所述冷却腔罩可拆卸地安装至所述平台部分并且保持在所述翼型部分的轴向范围内。所述涡轮叶片进一步包括薄膜冷却通路，所述薄膜冷却通路自所述冷却腔延伸穿过所述平台部分并且包括暴露于所述第一表面处的开口。
因此，根据较佳实施例的一个方面，本发明提供一种涡轮机包括壳体和布置在该壳体内的至少一个涡轮叶片。该至少一个涡轮叶片包括翼型部分和操作性地连接至该翼型部分的平台部分。平台部分包括第一表面、相对的第二表面以及连接第一表面与第二表面的侧表面。冷却腔形成在平台部分中。冷却腔包括第一壁、相对于第一壁布置的第二壁、连接第一壁与第二壁的第三壁、以及连接第一壁与第二壁并且相对于第三壁定位的第四壁。冲击冷却板延伸至冷却腔中并且限定了内腔部分和外腔部分。冲击冷却板包括至少一个冲击冷却通路，该至少一个冲击冷却通路被构造和设置成将冲击冷却流引导至冷却腔的第一壁、第二壁、第三壁和第四壁中的至少一个上。
根据较佳实施例的另一个方面，本发明还提供一种涡轮叶片包括翼型部分和操作性地联结至该翼型部分的平台部分。平台部分包括第一表面、相对的第二表面、以及连接第一表面与第二表面的侧表面。冷却腔形成在平台部分中。冷却腔包括第一壁、相对于第一壁布置的第二壁、连接第一壁与第二壁的第三壁、以及连接第一壁与第二壁并且相对于第三壁定位的第四壁。冲击冷却板延伸至冷却腔中并且限定了内腔部分和外腔部分。冲击冷却板包括至少一个冲击冷却通路，该至少一个冲击冷却通路被构造和设置成将冲击冷却流引导至冷却腔的第一壁、第二壁、第三壁和第四壁中的至少一个上。
通过结合附图的下列描述，这些以及其它的优点和特征将变得更加显而易见。
附图说明
在作为说明书的结论给出的权利要求中，具体地指出、并且清楚地主张了被认为是本发明的主题。通过下文中结合附图进行的详细描述，本发明的前述以及其它特征和优点是显而易见的，其中：
图1是根据较佳实施例的涡轮机的横截面示意图，该涡轮机包括涡轮叶片；
图2是图1的涡轮叶片的透视图；
图3是根据较佳实施例的图2的涡轮叶片的局部横截面示意图，其中示出了冲击冷却腔；
图4是图2的涡轮叶片平台部分的局部横截面示意图，其中示出了形成冲击冷却腔的方法。
详细的说明书参照附图以示例的方式对本发明的实施例及其优点和特征进行了解释。
具体实施例
参照图1至图3，根据较佳实施例的涡轮机通常以2表示。涡轮机2包括壳体4，壳体4至少部分地限定了涡轮部分11的热气路径10。涡轮部分11包括具有多个叶片14和轮叶16的第一级12、具有多个叶片18和轮叶20的第二级17以及具有多个叶片22和轮叶24的第三级21。当然，应当理解，涡轮部分11还可包括另外的级(未示出)。热燃烧气体沿热气路径10流过叶片14、叶片18以及叶片18，碰撞并使轮叶16、轮叶20以及轮叶24转动。冷却空气流被导入涡轮部分11中以便减轻在叶片14、叶片18以及叶片22的部分之间产生的热通量。根据较佳实施例，一部分冷却气体被转移到布置在叶片14的下游端(未单独标出)的冷却系统30中。
如图所示，叶片14包括自基部或平台部分42延伸的翼型部分40。平台部分42包括第一表面44、相对的第二表面46以及连接第一表面44与第二表面46的侧表面48。平台部分42还显示为包括一个凸缘50，其基本垂直于第二表面46且自第二表面向外延伸、并且邻近叶片14的下游端(未单独标出)。凸缘50被构造和设置成将叶片14固定在涡轮部分11中。
根据较佳实施例，冷却系统30包括形成在平台部分42中的冷却腔60。如将在下文中进行更加全面的讨论地，冷却腔60包括内部区域61，内部区域61由第一壁70、相对于第一壁70布置的第二壁71、连接第一壁70与第二壁71的第三壁72、以及同样连接第一壁71与第二壁71并且相对于第三壁72布置的第四壁73。冷却腔60包括延伸穿过第二壁71的开口75。在所示的较佳实施例中，开口75被翼型部分40的轴向范围覆盖。即，开口75并不延伸至平台部分44中至超过翼型部分42的外边缘部分(未单独标出)。通过这种方式，使得凸缘50与侧表面48之间的轴向距离最小化。当然应当理解，开口75的具体位置可以有变化。
冷却剂供给通道78穿过平台部分42延伸至冷却腔60中。更具体地，冷却剂供给通道78自敞开暴露于压缩机排放空气的第一端79延伸至通向冷却腔60中的第二端80。此外，第一薄膜冷却通路84穿过平台部分42延伸至热气路径10中。第一薄膜冷却通路84自通向冷却腔60的第一端86穿过第一表面44而延伸至通向热气路径10的第二端87。自冷却腔60流过第一薄膜冷却通路84的冷却气体产生了对第一表面44进行冷却的薄膜。第二薄膜冷却通路91基本平行于第一薄膜冷却通路84延伸。第二薄膜冷却通路91自通向冷却腔60的第一端93同样穿过第一表面44而延伸至通向热气路径10的第二端94。通过与上文所述的类似的方式，自冷却腔60流过第二薄膜冷却通路91的冷却气体产生了对第一表面44进行冷却的薄膜。冷却系统30还包括第三冷却通路或废气冷却通路97。第三冷却通路97自通向冲击冷却腔60的第一端98穿过侧表面48而延伸至通向热气路径10的第二端99。通过这种布置，冷却系统30通过平台部分42的多表面对冷却流进行引导。
进一步根据较佳实施例，叶片14包括冲击冷却系统100所述，冲击冷却系统100将冲击冷却流引导至冷却腔60的第一壁70和第四壁73上。冲击冷却系统100包括冲击冷却板104，冲击冷却板104在冷却腔60内延伸、并且限定了内腔部分105(或冲击腔部分105)以及外腔部分106。冲击冷却板104包括连接至平台部分42的第一部分107。第一部分107延伸至第二部分109。第二部分109通向第三部分111或第一冲击冷却表面111。第一冲击冷却表面111与第一壁70隔开并且基本平行于第一壁70延伸。第一冲击冷却表面111延伸至第四部分113或第二冲击冷却表面113，第四部分或第二冲击冷却表面113与第四壁73隔开、并且基本平行于第四壁73延伸。第四部分113延伸至第五部分115，第五部分115基本平行于第三部分111延伸。第五部分115通向第六部分116，第六部分116回连至平台部分42。在所示的较佳实施例中，冲击冷却板104包括多个冲击冷却通路，多个冲击冷却通路中的两个表示成120和123，并且将来自冲击腔部分105的高压空气流引导至第一壁70和第四壁73上。高压流或冲击流在第一壁70和第四壁73上产生冲击，并且对第一壁70和第四壁73进行冷却。在第一壁70和第四壁73上产生冲击之后，冲击冷却流收集在外腔部分106内并且穿过第一薄膜冷却通路84和第二薄膜冷却通路91以及废气冷却通路97自平台部分42流出。最后，冲击冷却系统100，如图所示，包括将开口75封闭的冷却腔罩140。如上文对于开口75所讨论的，冷却腔罩140仍然处于平台部分44上的翼型部分42的轴向范围内，从而保持了凸缘50与侧表面48之间短的轴向长度。
根据较佳实施例的一个方面，冷却腔60通过围绕芯部150对叶片14铸型而形成，如图4所示。芯部150由例如陶瓷或陶瓷复合材料制成。一旦叶片14形成，芯部150即要经受酸浴以将陶瓷溶解并且去除。通过这种方式，冲击冷却腔形成为使得开口75的整体尺寸得以减小。通过保持开口75的尺寸以及冲击冷却腔罩140的尺寸，能够减小涡轮机2内的叶片与轮叶之间相对小的间距，而无需使各个部件彼此接触。更具体地，通过将开口75保持在平台部分44上的翼型部分42的轴向范围内，可消除例如轮叶16上的天使翼160与冲击冷却腔罩140之间的接触。通过缩短叶片与邻近轮叶之间的间距而不产生局部碰撞区域，可以减小涡轮机2的整体尺寸。
在这一点上，应当理解，尽管图示和描述涉及叶片14，但是叶片18和22也可以包括类似的冲击冷却系统。同样，在不脱离权利要求的范围的前提下，冲击冷却通路的具体数目、尺寸以及方向都能够变化。最后，尽管示为布置在叶片14的内表面中，但是应当理解，冲击冷却系统也能够布置在叶片14的外表面上。
尽管已经只参照有限数目的实施例对本发明进行了详细描述，但是，应当很容易地理解，本发明并不限于这些已公开的实施例。相反，本发明能够被修改成结合与本发明的精神和范围相符的任何数目的变型、备选、替换或者等同布置。此外，尽管已经对本发明的多种实施例进行了描述，但是应当理解，本发明的方面可以仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明不能被看作限于前述说明书，而是只由所附权利要求的范围进行限制。

Claims (10)

1.一种涡轮机(2)，包括：
一个壳体(4)；
至少一个涡轮叶片(11)，所述至少一个涡轮叶片(11)布置在所述壳体(4)内并且包括一个翼型部分(40)和一个操作性地连接至所述翼型部分(40)的平台部分(42)，所述平台部分(42)包括第一表面(44)、相对的第二表面(46)以及连接所述第一表面(44)与所述第二表面(46)的侧表面(48)；
一个冷却腔(60)，所述冷却腔(60)形成在所述平台部分(42)中并且包括第一壁、相对于所述第一壁布置的第二壁、连接所述第一壁与所述第二壁的第三壁、以及连接所述第一壁与所述第二壁并且相对于所述第三壁定位的第四壁；以及
一个冲击冷却板(104)，所述冲击冷却板(104)延伸至所述冷却腔(60)中并且限定了一个内腔部分和一个外腔部分，所述冲击冷却板(104)包括至少一个冲击冷却通路(65)，所述至少一个冲击冷却通路(65)被构造和设置成将冲击冷却流(120)引导至所述冷却腔(60)的所述第一壁、所述第二壁、所述第三壁和所述第四壁中的至少一个上。
2.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述冲击冷却板(104)包括第一冲击冷却表面(111)和第二冲击冷却表面(113)。
3.根据权利要求2所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述第一冲击冷却表面(111)大致平行于所述第一壁延伸，而所述第二冲击冷却表面(113)大致平行于所述第四壁延伸。
4.根据权利要求3所述的涡轮机(2)，其特征在于，在所述第一冲击冷却表面(111)中形成有至少一个冲击冷却通路(120，123)。
5.根据权利要求3所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述至少一个冲击冷却通路(120，123)包括形成在所述第一冲击冷却表面(111)中的第一冲击冷却通路(120)和形成在所述第二冲击冷却表面(113)中的第二冲击冷却通路(123)。
6.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述至少一个涡轮叶片(11)包括开口(75)，所述开口(75)形成在所述平台部分(42)的所述第一表面和所述第二表面(46)中的一个中，并且所述开口(75)通向所述冷却腔(60)。
7.根据权利要求6所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述开口(75)被所述翼型部分(40)的轴向范围所覆盖。
8.根据权利要求6所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述涡轮机(2)进一步包括跨过所述开口(75)延伸的冷却腔罩(140)，所述冷却腔罩(140)可拆卸地安装至所述平台部分(42)并且保持在所述翼型部分(40)的轴向范围内。
9.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，所述涡轮机(2)进一步包括冷却剂供给通道，所述冷却剂供给通道穿过所述平台部分(42)延伸至所述冷却腔(60)中。
10.根据权利要求1所述的涡轮机(2)，其特征在于，薄膜冷却通路(84，94)自所述冷却腔(60)延伸穿过所述平台部分(42)，并且所述薄膜冷却通路(84)包括暴露于所述第一表面(44)处的开口(62)。
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