CN103527261B - 用于燃气涡轮的受冷却叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于燃气涡轮的受冷却叶片，其包括沿径向延伸的翼型件(11)，翼型件具有前缘(15)、后缘(16)、吸力侧(17)和压力侧(18)，其中在后缘的吸力侧上提供唇缘悬突，受冷却叶片进一步包括通过流弯曲部而连接的多个径向内部流动通道，以形成用于冷却剂流的多行程蛇形管，其中提供后缘喷射区域(21)来冷却后缘，后缘喷射区域包括多行程蛇形管的后缘通路，后缘通路基本平行于所述后缘而延伸，并且在其整个长度上与压力侧泄放孔(28)连接。主要通过借助于销的交错区而确定从后缘通路(19b)到压力侧泄放孔的冷却流来实现最佳冷却，交错区设置在压力侧泄放孔和所述后缘通路之间，所述销的横向尺寸沿冷却剂流方向增加。

Description

用于燃气涡轮的受冷却叶片
技术领域
本发明涉及带护罩燃气涡轮叶片的后缘区域处的冷却系统，带护罩燃气涡轮叶片暴露于分别超过1200K和6巴的热气温度和压力。本发明参照用于燃气涡轮的受冷却叶片，其包括沿径向延伸的翼型件，该翼型件具有前缘、后缘、吸力侧和压力侧，其中在该后缘的吸力侧上提供唇缘悬突，该受冷却叶片进一步包括通过流弯曲部而连接的多个径向内部流动通道，以形成用于冷却剂流的多行程蛇形管，其中提供后缘喷射区域来冷却该后缘，该后缘喷射区域包括该多行程蛇形管的后缘通路，该后缘通路基本平行于该后缘而延伸，并且在其整个长度上与压力侧泄放孔连接。
背景技术
图1显示具有后缘冷却器件的燃气涡轮叶片的设计，后缘冷却器件包括通过流弯曲部而连接的径向流动通道，以形成多行程(multi-pass)蛇形管。
图1的叶片10包括沿径向方向延伸的翼型件11，翼型件11具有前缘15和后缘16、吸力侧17和压力侧18。在翼型件11的下端处提供平台12以限定热气路径的内壁。在平台12下面，叶片10具有轴13，轴13转变成具有众所周知的杉树轮廓的根部14。在翼型件11的内部提供多个径向平行流动通道，流动通道以蜿蜒的方式导引冷却流20。后缘喷射区域21设计成建立压力侧泄放孔28，以冷却后缘16。
在某些运行状况下，这个布置可在叶片后缘16处导致非常高的冷却剂和金属温度。因此，应特别地注意对后缘区域的冷却。为了效率的目的，后缘16应当保持尽可能地薄，并且后缘冷却应仅限于所需要的。后缘16的冷却也应是均匀的，以避免机械完整性损失。当使用再冷式冷却空气(冷却空气要求降低)时，后缘区域的冷却设计变得更关键。
文献EP1707741A2公开一种中空的受冷却翼型件，其包括成阵列的沿径向间隔开的、沿纵向延伸的分割部，分割部在其之间限定多个冷却通道。多个后部销设置在冷却通道中的至少一个中。伸长的紊流器设置在冷却通道中的至少一个中，并且定向成相对于导叶的纵向轴线成角度，使得各个紊流器的后端比紊流器的前端更接近相邻的分割部。导叶包括成阵列的沿径向间隔开的、沿纵向延伸的平台和沿纵向延伸的分隔部，分隔部在其之间限定多个后缘槽口。各个后缘槽口具有与后缘腔体处于流体连通的入口和与导叶的后缘处于流体连通的沿轴向在下游的出口。分隔部具有小于平台的轴向长度的轴向长度。后部销、紊流器、分隔部、分割部和平台的组合是相当复杂的，使得优化冷却流非常困难。
文献US5,288,207A教导一种涡轮翼型件，其具有用于将冷却流体引导向后缘的无挡板式冷却通路。开发出各种结构细节，它们提供用于使冷却流体流从径向方向转向到轴向方向的沿轴向定向的间断式通道。在特定的实施例中，涡轮翼型件具有冷却通路，冷却通路包括多个沿径向隔开的壁、在壁的下游的多个沿径向隔开的分隔部，以及沿轴向定位在壁和分隔部之间的多个沿径向隔开的基座(pedestal)。壁和分隔部限定通道，通道具有轴向间断，从而容许在相邻通道之间有交叉流。交叉流最大程度地减小相邻壁之间的子通道内的阻塞的不利影响。基座对准子通道，使得离开子通道的冷却流体冲击到基座上。间断式通道和各个通道内的基座或销的组合一方面是简单的，但在另一方面，它不够灵活，以至于无法针对后缘区域的不同区域优化冷却要求。
文献EP1340884A2公开一种用于燃气涡轮发动机喷嘴的翼型件，所述翼型件包括在后缘处连接的第一侧壁和第二侧壁，使得在它们之间限定腔体，各个所述侧壁沿径向在翼型件根部和尖部之间延伸，所述第一侧壁包括多个延伸向所述后缘的槽口，所述翼型件进一步包括多个销和至少一排的紊流器，所述销在所述第一侧壁和第二侧壁之间延伸，所述紊流器在所述销和所述槽口之间延伸。槽口、销和紊流器的组合的灵活性低，因为所有的槽口、销和紊流器都具有基本相同的几何构造和尺寸。
文献EP1715139A2教导了一种具有压力侧壁和吸力侧壁的翼型件，压力侧壁具有沿翼展方向延伸的下游边缘，而吸力侧壁具有下游后缘，所述下游边缘与所述后缘隔开，以暴露所述吸力侧壁的后表面，该翼型件包括；限定在所述压力侧壁和所述吸力侧壁之间的沿翼展方向的冷却空气腔体；设置在所述腔体的下游的后缘区域；沿翼展方向延伸的槽口，其将所述冷却空气腔体流体地互连到所述后缘区域上；其中，所述槽口包括在所述吸力侧壁和所述压力侧壁之间延伸且延伸通过所述槽口的多个基座，所述基座设置成沿翼展方向延伸的排，最上游的排具有横截面尺寸较大的基座，而那些较下游的排则具有横截面尺寸较小的基座。这个公开的横截面尺寸沿着冷却流方向的分布意于提供平缓的过渡和压降，从而使热传递系数更连续。但是，对脆弱后缘的冷却还不理想。
文献WO2010/086419A1公开一种用于燃气涡轮的受冷却导叶，其包括翼型件，翼型件沿流向在前缘和后缘之间延伸，并且分别被吸力侧和压力侧上的壁限定。所述壁包围内部，在该内部内，冷却空气沿流向流到后缘，并且在后缘的区域中排出。为了减小后缘上的空气动力学损失和在这种导叶中使用的冷却空气的量，压力侧上的壁在沿流向在距后缘的一距离处结束，以便在压力侧上形成唇缘，使得冷却空气在压力侧上从内部排出。此外，在距后缘的一距离处，内部分成多个平行的冷却管道，从而借助于平行于流向而定向的多个肋来产生较大的压降，紊流器布置在冷却管道的内部，以提高冷却作用，并且多个流阻隔件横向于在冷却空气的流径内的流向而分布在冷却空气从内部排出所处的点的上游的短距离处。尺寸相等的多个销分布在冷却管道和流阻隔件之间。
文献EP1548230A2公开一种用于燃气涡轮的受冷却叶片，包括：沿径向延伸的翼型件，翼型件具有前缘、后缘、吸力侧和压力侧；多个内部流动通道，其通过流弯曲部而连接以形成用于冷却剂流的蛇形管；在其整个长度上与泄放孔开口连接的后缘喷射区域，其中从后缘通路到泄放孔开口的冷却流主要由基座的交错区确定，交错区设置在所述泄放孔开口和所述后缘通路之间。基座的横向尺寸沿冷却剂流向增大。
发明内容
本发明的目标是提供一种用于燃气涡轮的受冷却叶片，其具有最佳的局部热传递，在悬突上面具有减小的热冷差异，并且满足关于局部流动、热传递和制造标准的要求。
这个和其它目标由如下所述的受冷却叶片实现。
根据本发明的用于燃气涡轮的受冷却叶片包括沿径向延伸的翼型件，翼型件具有前缘、后缘、吸力侧和压力侧，其中在后缘的吸力侧上提供唇缘悬突，受冷却叶片进一步包括通过流弯曲部而连接的多个径向内部流动通道，以形成用于冷却剂流的多行程蛇形管，其中提供后缘喷射区域来冷却所述后缘，所述后缘喷射区域包括所述多行程蛇形管的后缘通路，后缘通路基本平行于所述后缘而延伸，并且在其整个长度上与压力侧泄放孔连接。受冷却叶片的特征在于，从后缘通路到压力侧泄放孔的冷却流主要由销的交错区确定，交错区设置在所述压力侧泄放孔和所述后缘通路之间，所述销的横向尺寸沿冷却剂流方向增大，其中，在所述叶片的毂区域和尖部区域中提供具有数量增加的销的局部毂销区和尖部销区，以便满足局部流动、热传递和制造标准，并且销至少在局部毂销区和尖部销区内布置成直排，直排相对于轴向方向倾斜预定角度。
根据本发明的实施例，销具有圆形横截面，圆形横截面具有预定直径和预定高度，并且各个销的高度与直径的比h/d在0.5至2.0的范围内。
根据本发明的另一个实施例中，所述销区的销具有预定的轴向间隔和径向间隔，并且轴向间隔和径向间隔与销直径的比sx/d和sy/d在1.5和4.0之间改变。
根据本发明的另一个实施例，冷却剂流过弯曲部，以进入所述后缘通路，并且弯曲部的形状设计成最大程度地减小空气动力学损失。
特别地，弯曲部的横截面积沿着流径收缩。
更特别地，所述弯曲部的横截面积的收缩在5%至15%的范围内。
根据本发明的另一个实施例，后缘通路的横截面积沿径向方向会聚到1/20至1/30的范围。
根据本发明的又一个实施例，所述后缘通路在压力侧和吸力侧两者上衬有紊流器，以增加流紊流，以及改进热传递。
特别地，所述紊流器沿流向布置成具有预定间距，并且具有预定的紊流器高度，并且紊流器高度与间距的比e/P在0.05至0.15的范围内。
根据本发明的另一个实施例，所述唇缘悬突具有预定长度，所述压力侧泄放孔具有预定的槽口宽度，并且唇缘悬突的长度与压力侧槽口宽度的比L/s在7至15的范围内。
附图说明
现在通过不同的实施例，以及参照附图来更仔细地阐明本发明。
图1显示对翼型件进行内部冷却的示例性燃气涡轮叶片；
图2显示根据本发明的实施例的后缘冷却的细节；
图3在横截面中显示在根据图2的叶片的后缘处的紊流器和销区的尺寸；
图4在横截面中显示在根据图2的叶片的后缘处的唇缘悬突和销区的销的尺寸；
图5显示在根据图2的叶片的后缘处的销区的中间区段中的销的布置；
图6显示在根据图2的叶片的后缘处的毂销区中的销的布置；以及
图7显示在根据图2的叶片的后缘处的尖部销区中的销的布置。
部件列表
10叶片(燃气涡轮)
11翼型件
12平台
13轴
14根部
15前缘
16后缘
17吸力侧
18压力侧
19、19a流动通道(径向)
19b后缘通路
20冷却流
21后缘喷射区域
22弯曲部
23紊流器
24销
25唇缘悬突
26毂销区
27尖部销区
28压力侧泄放孔
W宽度
H高度
L长度
d1-d4直径
s槽口宽度
P间距
e紊流器高度
α1、α2角度。
具体实施方式
在图2中显示根据本发明的实施例的后缘处的冷却设计的一般布置。它包括下者的组合：弯曲部22、在吸力侧和压力侧两者上具有肋状紊流器23(其具有间距P)的带肋的后缘通路19b，以及具有销区24和铸件压力侧泄放孔28的后缘喷射区域21。
来自流动通道19a的冷却剂沿箭头方向流过弯曲部22，并且进入后缘通路19b。弯曲部形状设计成最大程度地减小空气动力学损失。弯曲部横截面积沿着流径收缩，面积收缩在5%至15%的范围内。后缘通路19b在压力侧和吸力侧两者上衬有紊流器23。紊流器23允许增加流紊流，以及改进后缘通路19b处的热传递。
如图3中显示的那样，紊流器23在高度e上成形成使得高度与间距的比e/P在0.05至0.15的范围内。随着冷却剂在后缘通路19b上向上流动，冷却剂的一部分沿叶片后缘16的方向持续地转向，并且流过设计成优化局部热传递的销区的若干排销24。
图4-7中显示的销区被认为是帮助减小悬突上面的热冷差异的分级压降布置。销区布置成相对于流向而交错(流向相对于水平方面在30°至60°的范围内倾斜，这取决于通道内的高度)。四排销24布置在销区的中心区域中，销直径d1至d4沿冷却剂流向增大。销高度为h，而高度与直径的比h/d在0.5至2.0的范围内。销区的销24具有轴向间隔sx和径向间隔sy,轴向间隔和径向间隔与销直径的比为sx/d和sy/d，该比在1.5和4.0之间改变。
如图6和7中显示的那样，在毂和尖部叶片区域中，需要具有数量增加的销的局部销区设计，即，加宽毂销区26和加宽尖部销区27，以便满足局部流动、热传递和制造标准。在销区之后，冷却剂流通过翼型件压力侧上的槽口状压力侧泄放孔28而离开叶片10，并且通过沿着压力侧泄放孔28的吸力侧唇缘悬突25流动来冷却叶片后缘16。
如图4中显示的那样，唇缘悬突25的长度L与压力侧槽口宽度s的比L/s在7至15的范围内。
如图5-7中显示的那样，销布置的特征也可为两个角度α1和α2，它们在0°和30°之间的范围中改变，其中α1(<0)和α2(>0)表示轴向方向和特别是在毂销区26和/或尖部销区27内的倾斜的一排销24之间的角度。具有角度α1和α2的两个排各自组合起来提供整体上人字状的销布置。
所描述的销区布置(图5、6、7)设计成改进旋转构件(例如这里是叶片)的热传递。由角度α1和α2描述的销排的对准特别地设计成在由于存在离心力的存在而通过销区的流速存在径向分量时，增进热传递。
在后缘通路的顶部上添加灰尘孔是可行的。位于后缘通路的尖部处的尖部孔/灰尘孔的存在确保后缘通路的尖部区域中有足够的流，以及因此确保有足够的热传递。
根据本发明的叶片设计的特征可归纳如下：
·叶片后缘冷却；
·叶片后缘区域由下部弯曲部、紊流器、销区和压力侧泄放孔冷却剂喷射的组合冷却；
·弯曲部具有5%至15%的面积收缩范围；
·在旋转的情况下，后缘的流分布均匀；
·后缘管道或通路面积会聚到1/20至1/30的范围；
·紊流器具有在0.05至0.15的范围内的高度间距比；
·销具有在1.5至4.0的范围内的高度直径比；
·针对旋转叶片的流而交错的销区设计、在毂和尖部附近的局部销区设计；以及
·唇缘的压力侧泄放孔长度与压力侧槽口宽度的比在7至15的范围内。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮的受冷却叶片(10)，包括沿径向延伸的翼型件(11)，所述翼型件具有前缘(15)、后缘(16)、吸力侧(17)和压力侧(18)，其中在所述后缘(16)的吸力侧上提供唇缘悬突(25)，所述受冷却叶片进一步包括通过弯曲部(22)而连接的多个径向内部流动通道(19，19a，19b)，以形成用于冷却剂流的多行程蛇形管，其中提供后缘喷射区域(21)来冷却所述后缘(16)，所述后缘喷射区域(21)包括所述多行程蛇形管的后缘通路(19b)，所述后缘通路基本平行于所述后缘(16)而延伸，并且在其整个长度上与压力侧泄放孔(28)连接，所述受冷却叶片的特征在于，从所述后缘通路(19b)到所述压力侧泄放孔(28)的冷却流主要由销(24)的交错区确定，所述交错区设置在所述压力侧泄放孔(28)和所述后缘通路(19b)之间，所述销(24)的横向尺寸(d1，…，d4)沿冷却剂流方向增大，并且在所述叶片(10)的毂区域和尖部区域中提供具有数量增加的销(24)的局部毂销区和尖部销区(26，27)，以便满足局部流动、热传递和制造标准，并且所述销(24)至少在所述局部毂销区和尖部销区(26，27)内布置成直排，所述直排相对于轴向方向倾斜预定角度α1，α2；其中，分别具有预定角度α1和α2的两个直排组合起来提供整体上人字状的销布置。
2.根据权利要求1所述的受冷却叶片，其特征在于，所述销(24)具有圆形横截面，所述圆形横截面具有预定直径d和预定高度h，并且各个销(24)的预定高度与预定直径的比h/d在0.5至2.0的范围内。
3.根据权利要求2所述的受冷却叶片，其特征在于，所述销(24)具有预定的轴向间隔sx和径向间隔sy，并且所述轴向间隔和径向间隔与销的预定直径的比sx/d和sy/d在1.5和4.0之间改变。
4.根据权利要求1所述的受冷却叶片，其特征在于，冷却剂流过弯曲部(22)，以进入所述后缘通路(19b)，并且所述弯曲部(22)的形状设计成最大程度地减小空气动力学损失。
5.根据权利要求4所述的受冷却叶片，其特征在于，所述弯曲部(22)的横截面积沿着流径收缩。
6.根据权利要求5所述的受冷却叶片，其特征在于，所述弯曲部的横截面积的收缩在5%至15%的范围内。
7.根据权利要求1所述的受冷却叶片，其特征在于，所述后缘通路(19b)的横截面积沿径向方向会聚到1/20至1/30的范围。
8.根据权利要求1所述的受冷却叶片，其特征在于，所述后缘通路(19b)在所述压力侧和所述吸力侧两者上衬有紊流器(23)，以增加流紊流，以及改进热传递。
9.根据权利要求8所述的受冷却叶片，其特征在于，所述紊流器(23)沿流向布置成具有预定间距P，并且具有预定紊流器高度e，并且预定紊流器高度与预定间距的比e/P在0.05至0.15的范围内。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的受冷却叶片，其特征在于，所述唇缘悬突(25)具有预定长度L，所述压力侧泄放孔(28)具有预定槽口宽度s，并且所述唇缘悬突的预定长度与压力侧预定槽口宽度的比L/s在7至15的范围内。
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