CN102834588A - 用于涡轮机的轮叶或叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于涡轮机的轮叶或叶片部件。所述部件包括：在所述部件的两个相对的内壁(11、12)之间的内部空间(10)；从所述两个相对的内壁(11、12)突出的多个肋(21、22)，所述多个肋在所述两个相对的内壁(11、12)中的每一个上形成多个通道(20)，以朝向所述后缘(14)引导冷却流体。所述内部空间(10)被划分为朝向所述部件的前缘(13)的前部(30)和朝向所述部件的后缘(14)的后部(31)，其中，所述肋(21、22)布置在前部(30)中，并且从所述两个相对的内壁(11、12)突出的多个针型翅(26)以离散的方式布置在所述后部(31)中。

Description

用于涡轮机的轮叶或叶片
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于涡轮机的轮叶或叶片部件。从美国专利申请公开No.2007/0172354A1已知这样的轮叶或叶片部件。
背景技术
在现代涡轮机中，涡轮机的各种部件在非常高的温度下运行。这些部件包括呈翼型形状的轮叶或叶片部件。高运行温度可使叶片或轮叶部件熔化，因此冷却这些部件是重要的。这些部件的冷却通常通过使冷却流体经过铸造在轮叶或叶片部件中的型芯通道来实现，所述冷却流体可包括来自涡轮机的压缩机的空气。
从美国专利申请公开No.2007/0172354A1已知，对包括由两个相对的壁限定的内部空间的这种部件提供冷却内部空间。多个第一肋和第二肋从所述两个相对的壁突出，以形成将冷却流体朝向部件的后缘引导的多个通道。肋在轮叶或叶片部件中的矩阵布置方式有助于从不同方向供给提供高效冷却的冷却流体。然而，矩阵布置方式提供了不太有效的冷却，并且由于在后缘处的较小流动面积还导致了降低的流量，所述后缘应尽可能薄以便提供较好的空气动力学性能。此外，由于在部件的后缘处的薄的截面，涉及精细的特征的肋的矩阵布置是难以铸造的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于轮叶或叶片部件的冷却装置，该装置易于铸造并且提供后缘处的增强的冷却。
该目的通过根据权利要求1所述的轮叶或叶片部件来实现。
用于涡轮机的轮叶和叶片部件包括在部件的两个相对的内壁之间的内部空间，以形成朝向位于部件的后缘处的流体出口的用于冷却流体的通路。部件包括从所述两个相对的内壁突出的多个肋，所述多个肋在所述两个相对的内壁中的每一个上形成多个通道，以朝向后缘引导冷却流体，其中，位于相对侧上的肋相对于彼此倾斜，以形成矩阵布置。此外，内部空间被划分为朝向部件的前缘的前部和朝向部件的后缘的后部。肋布置在前部中，并且从所述两个相对的壁突出的多个针型翅以离散的方式布置在后部中。通过对部件内的不同部分选择肋和针型翅，能够通过肋的矩阵布置方式来维持极好的蠕变和低周疲劳性能，并结合了增强的冷却和针型翅在后部中的更好的可铸造性。此外，针型翅实现了后缘的较薄的截面，并且离散的布置方式产生了阻碍后部的冷却流体的湍流，因此提高了冷却效果。
针型翅以两排或多排的布置方式确保了沿着部件的后缘完全覆盖后部。此外，两排或多排针型翅增大了表面面积，这迫使冷却流体改变方向，并且还增大了冲击面，这有助于后缘处的高效冷却。
部件还包括在前部与后部之间的中部。中部包括肋和针型翅。中部因此获益于肋，所述肋提高了蠕变和低周疲劳(LCF)性能以及针型翅的特性，从而允许从部件进行高效的热传递。
通过在中部设置肋与针型翅之间的连接，实现了对部件的改进的应力解决方案。此外，这种装置的铸造是简单的，并且由于流动面积的增大而提供了高效的热传递，流动面积的增大允许更大量冷却流体通过。
一排针型翅可与中部中从两个相对的内壁中的一个突出的肋连接。该布置方式增大了冷却流体路径中的湍流，并且还允许更多的冷却流体通过，因此提供高效的冷却。
肋和针型翅铸造到部件中确保了部件的高强度，并且同时内部空间的容积可以用于冷却流体的流动。
肋和针型翅由部件的基材铸造而成是便宜且经济有效的选择。
根据本发明的另一实施方式，针型翅中的至少一些与两个相对的内壁连接。通过这种布置方式，由于表面面积的增大，更多的湍流可以形成在冷却流体的路径中，因此提高后缘处的冷却效果。另外，该布置方式提高了部件的机械强度。
有利地，针型翅中的至少一些延伸到两个相对的内壁之间的中间处。这种布置方式易于铸造，并且还在冷却流体的流动中形成湍流以用于高效的热传递。
具有前缘与后缘之间的距离的大约10％至大约20％的延伸范围的后部提供了矩形布置方式的冷却有效性、流动面积和部件制造的可实践性之间的良好折衷。
根据另一实施方式，针型翅以交错的方式从两个相对的内壁突出。由于后缘的薄的截面，这种布置易于铸造。
针型翅之间的距离应至少等于针型翅的直径。彼此间间隔太近的针型翅使内壁弱化，这会在铸造期间导致破裂。这种布置易于铸造并且还允许冷却流体正确地流经后部。
附图说明
现在，参考本发明的附图说明本发明的上述和其他特征。所示实施方式用于说明，而不是限制本发明。附图包括下面这些图，其中，在整个说明书和附图中，相同的数字表示相同的部分。
图1示出燃气轮机的纵向剖视图；
图2示出燃气轮机的示例性转子轮叶的轴向剖视图；
图3示出转子轮叶的沿着图2中的线III-III的剖视图；
图4示出图3中描绘的转子轮叶的后缘的放大的视图；以及
图5示出图2的转子轮叶的另一实施方式。
具体实施方式
下面描述的本发明的实施方式涉及涡轮机中的轮叶或叶片部件。涡轮机可包括燃气轮机、涡轮风扇等。
涡轮机中的轮叶或叶片的冷却是重要的，因为轮叶或叶片在非常高的温度下运行。高的运行温度可导致轮叶或叶片熔化，进而导致涡轮机损坏。
图1示意性地示出了燃气轮机1，燃气轮机1具有固定壳体2和转子3，转子3能够在壳体2内围绕旋转轴线X旋转。燃气轮机1包括安装在转子3上的多个转子轮叶4和安装在壳体2上的多个固定的引导叶片5。
因此，每个转子轮叶4和引导叶片5形成燃气轮机1的部件。虽然下面的描述涉及转子轮叶4的形式的部件，但应注意的是，本发明也适用于引导叶片5，并且在下面要描述的特性特征也可包括在固定的引导叶片5中。将参照转子轮叶4在图2和3中更详细地描述该部件。
图2示出了转子轮叶4的轴向剖视图，并且图3示出了转子轮叶4沿着图2中的线III-III的剖视图。转子轮叶4包括由两个相对的内壁11、12限定的内部空间10。更具体而言，内部空间10由第一壁11和第二壁12限定。第一壁11和第二壁12面向彼此。第一壁11设置在转子轮叶4的压力侧，而第二壁12设置在转子轮叶4的抽吸侧。此外，转子轮叶4具有前缘13、后缘14、顶部15和底部16。底部16形成转子轮叶4的根部。转子轮叶4安装在转子3的主体上，使得根部附接于转子3的主体，而顶部15位于转子3的径向最靠外的位置处。转子轮叶4沿着中心轴线Y基本平行于前缘13和后缘14地从底部16延伸至顶部15，中心轴线Y延伸穿过转子3。中心轴线Y基本垂直于旋转轴线X。
根据本技术的方面，内部空间10被划分为前部30和后部31。前部30朝向转子轮叶4的前缘13设置，并且后部31朝向转子轮叶4的后缘14设置。后部31可具有转子轮叶4的前缘13和后缘14之间的距离的大约10％至大约20％的延伸范围。
此外，转子轮叶4具有到内部空间10中的入口17和从内部空间10中出来的出口18。入口17设置在底部16处，并且出口18设置在后缘14处。因此，内部空间10形成用于冷却流体的从入口17到出口18的通道。内部空间10沿关于旋转轴线X基本径向的方向并且平行于中心轴线Y从底部16延伸至顶部15。内部空间10包括分配室19和从两个相对的内壁即第一壁11和第二壁12突出的多个肋。所述多个肋21、22以矩阵25的形式在两个相对的内壁11、12上形成多个通道20。分配室19位于内部并且接近于前缘13，并且从入口17平行于中心轴线Y延伸。所述多个通道20构造成将冷却流体朝向后缘14引导。还可以注意到，所述多个通道20从转子轮叶4的底部16延伸至顶部15。
更具体而言，转子轮叶4的所述多个通道20由多个肋21、22形成。冷却流体可包括来自燃气轮机1的压缩机的压缩空气(见图1)。此外，冷却流体可包括在轮叶4或引导叶片5的内部流动的冷却液体如油或冷却剂。
根据本技术的方面，所述多个肋21、22包括从第一壁11突出的一组第一肋21和从第二壁12突出的一组第二肋22。所述一组第一肋11基本平行于彼此地延伸，以形成用于冷却流体在前部中的流动的第一通道23。类似地，所述一组第二肋22基本平行于彼此地延伸，以形成用于前部30中的冷却流体朝向后部31的流动的第二通道24。
可注意的是，用于涡轮机的轮叶4或叶片5可经受引起轮叶4或叶片5破裂和结构损伤的蠕变和低周疲劳。在本发明中肋21、22的矩阵25布置方式确保了改进的蠕变和低周疲劳性能，进而提高了轮叶4或叶片5的使用寿命。
同样地，根据本技术的方面，转子轮叶4包括多个针型翅26。针型翅26从第一壁11和第二壁12突出。这些针型翅26存在于内部空间10的后部31中，朝向转子轮叶4的后缘14。针型翅26提供了极好的冷却并且还易于铸造，尤其在转子轮叶4的截面薄的区域处，例如后缘14处。
在一个实施方式中，针型翅26沿着轮叶4的后缘14布置成两排或多排。同样地，针型翅26存在于轮叶4的顶部15至底部16之间。针型翅26以离散的方式布置在后部31中。在此所使用的术语“离散”意味着彼此分开。针型翅26布置成使得两个针型翅26之间的距离至少等于针型翅26的直径。在示例性的实施方式中，两个针型翅26之间的距离大约是针型翅26的直径的一又二分之一倍。
继续参照图2，所述多个肋21、22相对于彼此倾斜，使得它们形成如图2所示的矩阵25的布置，其中所述肋是相应地从第一壁11和第二壁12突出的一组第一肋21和一组第二肋22。更具体而言，当从围绕旋转轴线X的旋转运动的方向上看时，所述多个肋21、22形成矩阵25的布置。
此外，根据本技术的方面，针型翅26和肋21、22被铸造到转子轮叶4中。更具体而言，针型翅26和肋21、22由转子轮叶4的基材铸造而成。
如图3所示，肋21、22的矩阵25布置方式存在于轮叶4的前部30中，并且针型翅26布置在轮叶4的后部31中。针型翅26示出为连接两个相对的内壁11、12，即第一壁11和第二壁12。在一种实施方式中，针型翅26可延伸到第一壁11和第二壁12之间的中间处。在另一实施方式中，针型翅26能以交错的方式从第一壁11和第二壁12突出。可注意的是，也可基于铸造的要求和方便设置针型翅26的各种其他布置。
图4是转子轮叶4的后缘14的放大视图。如所示的，针型翅26显示为连接第一壁11和第二壁12。此外，由肋21、22形成的多个通道20的矩阵25布置方式终止在后部31的起始处。在当前设想的构型中，间隙27描绘为将所述多个肋21、22与针型翅26分开。间隙27实现了冷却流体的流动的统一分配。
图5是根据本发明的另一实施方式的轮叶4的剖视图。如在图5中所示，内部空间10包括在前部30和后部31之间的中部32。中部32包括源自前部30的肋21、22，所述肋从两个相对的内壁11、12突出。中部32也包括布置成两排或多排的针型翅26。肋21、22与中部32中的一排针型翅26连接。更具体而言，肋21、22与中部32中的朝向后部31的一排针型翅26连接。替选地，在一种实施方式中，一组第一肋21可与一排针型翅26连接。在另一实施方式中，一组第二肋22可与一排针型翅26连接。

Claims (14)

1.一种用于涡轮机的轮叶(4)或叶片(5)部件，包括：
-在所述部件的两个相对的内壁(11、12)之间的内部空间(10)，所述内部空间(10)形成朝向位于所述部件的后缘(14)处的流体出口(18)的用于冷却流体的通路；
-从所述两个相对的内壁(11、12)突出的多个肋(21、22)，所述多个肋(21、22)在所述两个相对的内壁(11、12)中的每一个上形成多个通道(20)，以朝向所述后缘(14)引导冷却流体，其中，位于相对侧上的所述肋(21、22)相对于彼此倾斜，以形成矩阵(25)布置，
其特征在于，
所述内部空间(10)被划分为朝向所述部件的前缘(13)的前部(30)和朝向所述部件的后缘(14)的后部(31)，其中，所述肋(21、22)布置在所述前部(30)中，并且其中，所述部件还包括以离散的方式布置在所述后部(31)中的多个针型翅(26)，所述针型翅(26)从所述两个相对的内壁(11、12)突出。
2.根据权利要求1所述的部件，其中，所述多个针型翅(26)布置成两排或多排，使得所述两排或多排是沿所述后缘(14)的方向的。
3.根据权利要求1所述的部件，其中，所述部件还包括在所述前部(30)与所述后部(31)之间的中部(32)，其中，所述中部(32)包括肋(21、22)和针型翅(26)。
4.根据权利要求3所述的部件，其中，所述肋(21、22)连接于所述中部(32)中的所述针型翅(26)中的至少一些。
5.根据权利要求4所述的部件，在所述中部(32)中沿朝向所述后缘(14)的方向包括至少两排针型翅(26)，其中，所述肋(21、22)连接于朝向所述后部(31)的一排针型翅(26)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的部件，其中，所述肋(21、22)和所述针型翅(26)铸造在所述部件中。
7.根据权利要求6所述的部件，其中，所述肋(21、22)和所述针型翅(26)由所述部件的基材铸造而成。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的部件，其中，所述针型翅(26)中的至少一些连接所述两个相对的内壁(11、12)。
9.根据权利要求1至9中任一项所述的部件，其中，所述针型翅(26)中的至少一些延伸到所述两个相对的内壁(11、12)之间的中间处。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的部件，还包括在所述前部(30)处的分配室(19)，所述分配室(19)用于将冷却流体分配到所有的所述多个通道(20)中。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的部件，其中，所述后部(31)具有所述前缘(13)与所述后缘(14)之间的距离的大约10％至大约20％的延伸范围。
12.根据权利要求1至9中任一项所述的部件，其中，所述针型翅(26)以交错的方式从所述两个相对的内壁(11、12)突出。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的部件，其中，所述针型翅(26)之间的距离至少等于所述针型翅(26)的直径。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的部件，其中，所述针型翅(26)与所述多个所述肋(21、22)被间隙(27)分开。
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