CN103080478A - 用于燃气轮机的涡轮叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃气轮机的涡轮叶片（10），直接在铸造涡轮叶片（10）时简单且精确地调节从后缘（20）中流出的冷却介质（40）的量，而关于调节制冷介质消耗不需要对所铸造的涡轮叶片（10）进行再加工。为了实现上述内容而提出，将凸出部（42，44）安置于抽吸侧壁（22）或者压力侧壁（24）的内面（34，36）上，在所述凸出部之间存在节流元件，借助于所述节流元件调节流出的冷却介质（40）的量。所述布置实现简单地制造型芯模具，借助所述型芯模具能够总是以期望的精度反复地制造需要用于铸造涡轮叶片（10）的铸造型芯。

Description

用于燃气轮机的涡轮叶片

技术领域

本发明涉及一种具有能够被热气绕流的叶身的涡轮叶片，所述叶身包括抽吸侧壁和压力侧壁，所述抽吸侧壁和所述压力侧壁沿热气的流动方向从共同的前缘延伸至后缘，其中在后缘上设有至少一个开口用于排出之前冷却叶身的冷却介质，所述至少一个开口借助于通道与设置在叶身中的空腔流体连接，其中通道也被所述抽吸侧壁的朝向内部的面和压力侧壁的朝向内部的面限界，并且设有节流元件用于调节从开口中流出的冷却介质量。

背景技术

开始所述类型的涡轮叶片和用于制造这种涡轮叶片的铸造型芯例如从WO2003/042503A1中已知。已知的涡轮叶片具有被冷却的后缘，在所述后缘处用于排出冷却空气的多个开口通过设置在其之间的接片——所述接片在英文中已知为“tear drops”——相互分离。共同的空腔连接在设置在后缘上的开口的上游，在所述空腔中设置有三排柱状的底座——在英文中还已知为“Pin-Fins”——，所述底座在那里设置为提高在流经所述底座的冷却空气的热传导并且提高压力损失。

在此，用于制造这种涡轮叶片所需要的铸造型芯在WO2003/042503A1的图7中以立体图示出。由铸造型芯所占据的空间在制造已铸造的涡轮叶片之后在涡轮叶片中保留作为空腔，其中设置在铸造型芯中的开口用铸造材料填充。关于此点，铸造型芯为涡轮叶片的内部的相反模型。

从WO2003/042503A1中已知的销状肋具有圆柱形的形状并且将涡轮叶片的叶身的压力侧壁和抽吸侧壁的相互对置的内面连接。

在此已知的是，在涡轮叶片的后缘处流出的冷却空气量在后缘附近通过适当地选择最大的压力损失和/或最小的、要被冷却空气通流的横截面来调节。然而该方法导致下述铸造型芯，在所述铸造型芯中设置在铸造型芯后缘处的开口这样大，使得在其之间仅还存在相对薄的分离接片。然而在操纵铸造型芯期间能够在铸造型芯的所述部位处折断，使得所述铸造型芯接下来是不可使用的。

此外，从WO2003/042503A1中已知用于冷却空气的、设置在冷却通道的转弯区域中的C形的引导元件，所述引导元件应当引起在下游的区域中低损失地偏转和引导冷却空气。

还从EP1091092A2中已知被空气冷却的涡轮叶片。为了实现尤其有效地冷却叶身的空心壁的抽吸侧或压力侧，将销栅状地设置在双壁的空腔中。销原则上具有菱形形状，其中所述菱形形状的角被倒圆并且其棱边凹形地向内拱起。因此，在销之间形成由用于冷却空气的通道构成的网，所述通道分别具有变窄的输入开口和变窄的输出开口，在所述开口之间设置有扩散器部段和喷嘴部段。借助于所述部段对冷却空气进行减速和加速，以便实现有效的冷却。

此外，从US5,752,801中已知内部冷却的涡轮叶片，其后缘侧的冷却通道通过铸造的c形的肋而构成为是之字形的。因此，能够实现更好的冷却效果。此外，因此能够加固对于制造所需的铸造型芯。

发明内容

因此，本发明的目的是，提供一种用于燃气轮机的开始所述类型的涡轮叶片，所述涡轮叶片能够借助于尽可能少量的冷却介质有效地且充分地被冷却。

针对涡轮叶片的目的是借助根据权利要求1的特征的涡轮叶片来实现，其中有利的解决方案在权利要求2至6中列出。

用于涡轮机的涡轮叶片包括由可由热气绕流的叶身，所述叶身包括抽吸侧壁和压力侧壁，所述抽吸侧壁和所述压力侧壁沿热气的流动方向从共同的前缘延伸至后缘，其中在后缘处或在后缘中设置至少一个开口以用于排出之前冷却叶身的冷却介质，所述至少一个开口借助于通道与设置在叶身中的空腔流体连接，其中通道也被抽吸侧壁的朝向内部的面和压力侧壁的朝向内部的面限界，并且设有节流元件用于调节从开口中流出的冷却空气量，其中根据本发明节流元件——相对于通道的通流方向——设置在相关的开口的上游并且包括两个凸出部，两个所述凸出部分别设置在两个朝向内部的面中的一个上。

换而言之，节流元件包括设置在朝向内部的面上的凸出部，所述凸出部横向于通道的通流方向延伸并且在所述凸起部之间设有通道的最小的通流横截。为了确定最小的通流横截面，能够在冷却通道中测定相应在冷却介质流的中线和两个侧面中的一个之间的最小的垂直间距。

在此，本发明基于下述知识：借助所提出的结构能够尤其简单地且准确地调节冷却介质消耗，在所述结构中在叶片内部中将节流元件设置在后缘开口的上游。在此，节流元件应当由两个相互关联的凸出部形成，所述凸出部中的每个分别设置有抽吸侧壁和压力侧壁的朝向内部的面上。凸出部不将抽吸侧壁与压力侧壁连接。节流元件的所述实施形式尤其对于以铸造方法制造的涡轮叶片是有利的。众所周知地，大多以铸造方法制造涡轮叶片，其中应用所谓的去除的铸造型芯来制造内部冷却系统。所述铸造型芯的制造大多借助于型芯模具来进行。型芯模具包括两个移动元件，所述移动元件能够相互朝向彼此或者远离彼此运动。所述移动元件以共同移动的方式包围空腔，所述空腔具有如与要铸造的涡轮叶片的空腔相同的轮廓。为了制造铸造型芯，在移动元件的空腔中接合有铸造型芯材料。在铸造型芯材料干燥之后，铸造型芯可供用于制造涡轮叶片。

根据本发明，在此，为了制造要制成的涡轮叶片组的第一原型将移动元件构造为，使得在要制造的涡轮叶片原型中，凸出部之间的用于节流的最小间距在任何情况下都小于理论上所要求的最小间距。然后，对借此制造的第一涡轮叶片原型进行冷却介质通流测量。期望的是，由于初次凸出部之间的过小的间距使节流作用过大，这首先造成过小的通流量。然后，根据通流测量的结果改变移动元件。所述移动元件的凸出部稍微地改变，由此在共同移动的状态下扩大所述凸出部的最小间距。接下来，借此制造另一铸造型芯。借助所述铸造型芯制造另一涡轮叶片原型，然后重新确定所述另一涡轮叶片原型的通流量并且与期望的量进行比较。如果所确定的通流量相应于期望的通流量，那么结束移动元件的制造过程。因此，移动元件构造为，使得总是借助所述移动元件制造铸造型芯，借助所述铸造型芯能够批量地制造根据规定的涡轮叶片。对于最终确定的通流量不相应于期望的通流量的情况，重新地执行用于制造另一涡轮叶片原型的全部步骤，所述另一涡轮叶片原型的最小间距相对于之前的原型稍微扩大。

所提出的解决方案的特殊的优点在于，两个移动件中的每个分别能够单独地加工——例如通过磨削设置在其上的凸出部——，而没有根本上改变涡轮叶片的结构和其冷却系统。在此可能的是，在重复步骤期间仅加工移动元件中的一个或者两个移动元件。

尤其在修改现有的叶片时，为需要更多冷却空气以充分冷却的情况提供所述方法。在该情况下，在叶片设计中仅需要最小的变化。因此，由于另外需要的铸造变化引起的附加培训不是必需的。

整体上，本发明在制造涡轮叶片时引起废品率的降低，这显著地改进涡轮叶片的生产成本和生产时间。

根据一个有利的改进形式，两个凸出部——沿冷却通道的流动方向观察——相互错开地设置。通过错开地设置能够进一步减小在压力侧壁的内面和抽吸侧壁的内面之间的垂直距离，这引起叶身的尤其细长的后缘区域。这降低了在对叶身绕流的热气中的气动损失。

有利地，设置在压力侧壁的朝向内部的面上的凸出部位于设置在抽吸侧壁的朝向内部的面上的凸出部的下游。该结构引起在通道中的冷却介质流，所述冷却介质流加强地流动经过抽吸侧壁的朝向内部的面。由此，尤其在所述的急转后缘（Cut-Back-Hinterkanten）处能够实现抽吸侧的后缘的未受保护的端部的延长的薄膜冷却作用，这在那里降低磨损现象并且延长涡轮叶片的寿命。

优选地，在后缘上设置多个开口，其中冷却通道将多个开口共同地与空腔连接。

当凸出部构成为肋时，借助于叶身的侧壁的朝向内部的面的所述有棱边的轮廓在工作时在冷却介质中产生湍流。所述湍流一方面能够有助于节流作用并且另一方面由于湍流的冷却介质流而能够用于提高热传递。

涡轮叶片的借助本发明提出的内部不仅能够应用于具有（对于侧壁而言）共同的后缘的涡轮叶片而且还能够用于具有所谓的急转后缘的涡轮叶片。

附图说明

根据附图详细地阐明本发明的另一优选的实施形式。

附图示出：

图1示出涡轮叶片的立体图，

图2示出横贯现有技术中已知的涡轮叶片的后缘的区域的纵剖图，

图3示出横贯根据本发明第一设计方案的涡轮叶片的后缘区域的横截面图，以及

图4示出横贯根据本发明第二设计方案的涡轮叶片的后缘区域的横截面图。

具体实施方式

相同的特征在全部附图中设有相同的附图标记。

在图1中示出本发明所涉及的燃气轮机叶片10的立体图。燃气轮机叶片10根据图1构成为转子叶片。本发明也能够应用在燃气轮机的未示出的导向叶片中。涡轮叶片10包括在横截面中枞树形的叶根12以及设置在其上的平台14。流线型弯曲的叶身16连接到平台14上，所述叶身具有前缘18以及后缘20。在前缘18上设有设置为所谓的“喷头”的冷却开口，在内部流动的冷却介质，优选冷却空气，能够从所述冷却开口中流出。叶身16包括——关于图1——在后侧的抽吸侧壁22以及在前侧的压力侧壁24。沿着后缘20设有多个开口28，所述开口通过设置在其之间的接片30相互分开。在此，后缘20构成为所谓的急转后缘，使得开口28与在后缘20的中部相比更倾向于安置在压力侧。

图2示出沿着下述的平面的由现有技术已知的涡轮叶片的内部的纵剖图，所述平面沿从叶身16的前缘18延伸至后缘20的中线伸展并且沿从叶根12朝向叶片尖部延伸的叶片纵向方向伸展。

在图2中，示出在更右侧设置的后缘开口28，在所述后缘开口之间设置有接片30。接片30基本上平行于热气流延伸，所述热气流在叶身16工作时从前缘18至后缘20进行绕流。在图2的左侧中示出多个以栅的形式设置的柱或底座32。在此，底座32和接片30从抽吸侧壁22的内面34延伸至压力侧壁24的图2中未示出的内面。因此，底座32设置在涡轮叶片10的空腔38中，所述空腔在侧向被抽吸侧壁22和压力侧壁24限界。

在燃气轮机中应用涡轮叶片10的情况下，在工作期间，例如冷却空气40或冷却蒸汽的冷却介质对空腔38进行通流。通常，涡轮叶片10的未在图2中示出的部分构成在内部中，使得底座32的区域基本上均匀地被冷却空气40迎流。以栅的形式设置的底座32被均匀地迎流通过用40标记的箭头示出。冷却空气40撞到各个底座32上并且在此被所述底座偏转，其中所述冷却空气的主流动方向基本上保持不变。在此，在冷却空气40中产生湍流。由热气引入到叶片壁22、24中的热量从所述叶片壁中继续导入底座32中。在那里，撞到底座32上的冷却空气40吸收热量并且运走所述热量。在冷却空气40通流底座区域之后，所述冷却空气进入到通路41中，所述通路将空腔38与开口28连接。在通流通路41之后，冷却空气40穿过开口28从涡轮叶片10中流出并且与对叶身16绕流的热气混合。

为了现在调节离开开口28的冷却介质的量，在抽吸侧壁22或压力侧壁24的内面34、36上设有凸出部42、44（图3、图4）。两个凸出部42、44中的一个（42）设置在内面34上或者设置在所述内面34的一部分上，两个凸出部42、44中的另一个（44）安置在内面36上或者在所述内面36的一部分上。内面34、36对空腔38以及冷却通道46进行限界，所述冷却通道将空腔38与开口28连接。在此可能的是，空腔38和通道46彼此相通。现在，根据本发明，在两个凸出部42、44的区域中，在内面34和内面36之间设有最小间距。为此，——在图3中关于横贯涡轮叶片10的后缘20的其中示出的横截面——示出冷却通道46的中线47，所述中线总是具有距内面34和内面36的相同的垂直距离。在此，形成节流元件的最小间距A设置在两个凸出部42、44之间，由此所述凸出部相互关联。

凸出部42、44既不取代底座32也不取代接片30。

根据图3，凸出部42、44沿着叶片纵向方向（垂直于叶身平面）在冷却通道46的整个高度上延伸。如在根据图3示出的横截面中，凸出部42、44的轮廓构成为，使得所述轮廓实现冷却通道朝向后缘开口28沿着冷却介质的流动方向无阶梯地并且无棱边地伸展。在此，冷却通道46收缩。替选地能够提出，如在图4中示出，凸出部构成为肋的形式。

根据图4，凸出部42、44具有高度为H₁或H₂的肋状的轮廓。

在制造根据本发明的涡轮叶片的第一原型时，高度H₁和H₂相对大，使得能够确定冷却空气消耗，所述冷却空气消耗低于期望的或者预设的消耗。通过修改型芯模具，即相应的移动元件，能够逐渐地制造其他原型，所述其他原型由于肋高度H₁、H₂降低而总是与之前制造的原型相比需要稍微更多的冷却介质。在此，每次重复包括制造具有限定的肋高度H₁和H₂的涡轮叶片并且确定相应的涡轮叶片原型的冷却介质消耗。一旦确定相应于期望的或者预设的量的冷却介质消耗，就结束移动元件的制造，使得借助然后可用的型芯模具能够以提高的量制造铸造型芯进而制造具有期望的冷却剂消耗的涡轮叶片，这显著地降低废品率。

实际上，借助所提出的设计方案说明一种涡轮叶片10，所述涡轮叶片在模具制造阶段期间实现简单的且低成本的试验阶段，以便在重复结束之后为一组涡轮叶片10提供精确的已制成的型芯模具。

此外甚至可能的是，需要用于铸造根据本发明的涡轮叶片10的铸造型芯与从现有技术中已知的铸造型芯相比在操纵时更少折断。

显然可能的是，替代两个凸出部42、44，节流元件仅包括唯一的凸出部44（或42），使得确定通流量的最小间距位于唯一的凸出部44（或42）和抽吸侧壁22的（或压力侧壁36的）与其相对置的、因此向内指向的面34（或36）之间。因此在该情况下，相对置的面34或36也同样构成在最小间距的区域中。

整体上，借助本发明提出一种涡轮叶片10，直接在铸造涡轮叶片10时相对简单且精确地调节从后缘20中流出的冷却介质40的量，而关于调节冷却介质消耗不需要对所铸造的涡轮叶片10进行再加工。为了实现上述内容而提出，将凸出部42、44安置在抽吸侧壁22或压力侧壁24的内面34、36上，在所述凸出部之间存在节流元件，借助于所述节流元件调节流出的冷却介质的量。所述布置实现简单地制造型芯模具，借助所述型芯模具能够总是以期望的精度反复地制造需要用于铸造涡轮叶片10的铸造型芯。

Claims (7)

1.用于燃气轮机的涡轮叶片（10），所述涡轮叶片具有能够被热气绕流的叶身（16），所述叶身包括抽吸侧壁（22）和压力侧壁（24），所述抽吸侧壁和所述压力侧壁在热气的流动方向上从共同的前缘（18）延伸至后缘（20），

其中在所述后缘（20）处设有至少一个开口（28）用于排出之前冷却所述叶身（16）的冷却介质（40），所述至少一个开口借助于通道（46）与设置在所述叶身（16）中的空腔（38）流体连接，

其中所述通道（46）也由所述抽吸侧壁（22）的朝向内部的面（34）和所述压力侧壁（24）的朝向内部的面（36）限界，并且设有节流元件用于调节从所述开口（28）中流出的冷却介质量，

其特征在于，

所述节流元件——相对于所述通道（46）的通流方向——在相关的开口（28）的上游包括两个凸出部（42，44），两个所述凸出部分别设置在两个所述朝向内部的面（34，36）中的一个上。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片（10），其中两个所述凸出部（42，44）——沿所述冷却通道（46）的通流方向观察——相互错开地设置。

3.根据权利要求2所述的涡轮叶片（10），其中设置在所述压力侧壁（24）的朝向内部的面（36）上的凸出部（42，44）位于设置在所述抽吸侧壁（22）的朝向内部的面（34）上的凸出部（42，44）的下游。

4.根据权利要求1、2或3所述的涡轮叶片（10），其中在所述后缘（20）上设有多个开口（28），并且所述冷却通道（46）将多个开口（28）共同地与所述空腔（38）连接。

5.根据上述权利要求之一所述的涡轮叶片（10），其中所述凸出部（42，44）构成为肋。

6.根据权利要求1至4之一所述的涡轮叶片（10），其中所述冷却通道（46）是会聚的并且两个所述凸出部（42，44）以连续的并且无棱边的轮廓安置在所述朝向内部的面（34，36）上。

7.根据上述权利要求之一所述的涡轮叶片（10），其中所述开口（28）设置在压力壁侧。

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