CN103670529B - 用于冷却至少一个叶片排的叶片的方法和冷却系统 - Google Patents

用于冷却至少一个叶片排的叶片的方法和冷却系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于冷却至少一个叶片排的叶片(1)的方法和冷却系统。具体而言，涉及用于冷却旋转流动机械中的至少一个叶片排的叶片(1)的方法和冷却系统。旋转流动机械包括轴向流动通道(2)，该轴向流动通道(2)由转子单元(3)在内侧上径向地限制且由至少一个静止构件(4)在外侧处径向地限制，所述叶片(1)布置在旋转单元(3)处并且提供径向地面对所述静止构件(4)的有围带叶片末梢。本发明的特征在于，加压冷却空气(8)从径向外侧朝向至少一个叶片排中的所述叶片(1)中的每个的末梢给送穿过，并且所述加压冷却空气(8)穿过有围带叶片的末梢处的至少一个开口(9)进入叶片(1)。

Description

用于冷却至少一个叶片排的叶片的方法和冷却系统
技术领域
本发明涉及用于冷却旋转流动机械中的至少一个叶片排的叶片的方法以及冷却系统，旋转流动机械例如是燃气或蒸汽涡轮机械或压缩机单元，包括轴向流动通道，该轴向流动通道由转子单元在内侧上径向地限制且由至少一个静止构件在外侧处径向地限制，所述叶片布置在旋转单元处并且提供径向地面对所述静止构件的有围带叶片末梢(shrouded blade tip)。
背景技术
冷却旋转流动机械的热量暴露构件是用于提高发动机效率和性能的常用技术。为了在比使用未冷却涡轮叶片的容许温度高的温度下操作此种涡轮，燃气或蒸汽涡轮发动机中的涡轮叶片的冷却尤其是很重要的。
用于旋转流动机械中的旋转叶片的一种众所周知的冷却技术基于经由提供内冷却通道的旋转单元对叶片进行给送，该内冷却通道与叶片内的冷却通道间接或直接地流体连接。
US 4,178,129公开了一种燃气涡轮发动机冷却系统，其中，每个叶片根部具有单独的空速管接收器，该空速管接收器收集从预旋喷嘴的环形阵列供应的冷却流的一部分，其具有周向连续的出口流动区域并且将所述冷却流引送至仅叶片的内部的一部分中，优选邻近前缘。
用于燃气涡轮发动机中的叶片旋转件的另一冷却布置在US 5,984,636中公开。叶片中的每个包括冷却空气通路和具有弯曲翼片的盖件，盖件邻接地安装但连接于转子且与转子盘稍微隔开，以形成用于冷却流体的通路。由盖件和转子盘界定的腔具有相对较小的半径，并且压力上升通过像径向压缩机那样工作的导叶而实现。复杂的设计使分离的部分附连于必要的转子。
又许多解决方案众所周知，其经由转子孔对叶片给送冷却空气，然而，这些解决方案可导致寿命问题，因为没有足够空间用于将冷却空气给送到旋转叶片中，压力将上升且最终可为不充分的。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种用于冷却旋转流动机械中的至少一个叶片排的叶片的方法以及冷却系统，其对将冷却空气给送到旋转流动机械的旋转叶片中进行简化。
该目标通过在权利要求1中给出的方法来实现。创造性的冷却系统在权利要求4中公开。最后，权利要求12的内容是创造性的旋转流动机械。本发明可通过在附属权利要求以及在特别涉及优选实施例的下列说明中公开的特征而有利地修改。
本发明用于为内冷却旋转机械叶片提供冷却空气，并且基于如下构思，即，经由旋转流动机械的至少一个叶片排内的每个叶片的末梢对内叶片冷却系统进行给送。因此，用于冷却旋转流动机械中的至少一个叶片排的叶片的方法，旋转流动机械包括轴向流动通道，所述轴向流动通道由转子单元在内侧上径向地限制并且由至少一个静止构件在外侧处径向地限制，所述叶片布置在所述旋转单元处并且提供径向地面对所述静止构件的有围带叶片末梢，其特征在于，所述加压冷却空气从径向外侧朝向至少一个叶片排中的所述叶片中的每个的末梢给送穿过，并且所述加压冷却空气穿过所述有围带叶片的末梢处的至少一个开口进入叶片。
用于实现经由每个叶片的末梢对内叶片冷却系统进行给送的重要方面是保证没有热气体可经由有围带叶片的末梢处的开口进入内叶片冷却系统。为了符合该要求，需要保证对围绕有围带叶片末梢处的至少一个开口的直接区域供应优选的低温和静压力下的冷却空气，该静压力高于轴向流动通道内的热气体的总体相对压力，尤其是在叶片前缘处。
在优选实施例中，加压冷却空气径向地给送穿过包围所述至少一个叶片排的静止构件且从而进入由静止构件和在至少一个叶片排中的叶片的有围带末梢围住的腔。每个叶片的围带相对于穿过旋转流动机械的轴向流动通道的流动方向在其上游边缘和下游边缘处提供至少一个翼片，该至少一个翼片径向地上升超过在至少两个翼片之间延伸的围带表面。叶片的此种有围带末梢以两个相邻叶片的围带在周向方向上邻接彼此的方式设计且布置，以便至少一个叶片排中的全部叶片的围带结合以形成径向向外朝向的环形翼片间腔，该环形翼片间腔由静止构件径向地界定。还可能在围带处提供多于两个翼片用于形成多于一个翼片间腔，下列说明涉及具有一个翼片间腔的有围带叶片，而不限制本发明的范围。由一个叶片排内的全部有围带叶片围住的翼片间腔具有环体形状，其由静止构件中的至少一个开口给送冷却空气，以便静压力在翼片间腔内占主导，该静压力至少稍高于旋转流动机械的轴向流动通道中的压力。
由于叶片围绕旋转流动机械的旋转轴线旋转，故环体内的冷却空气被沿旋转方向带动。为了增强进入每个叶片的围带处的开口的冷却空气的进入流，进入开口具有特殊开口外形，环体中的冷却空气流被穿过该开口外形相对于围带局部地减速。这可通过将每个围带的开口定形成类似具有漏斗形截面的漏斗而实现，该漏斗形截面具有倾向至旋转周向方向的给定漏斗轴线。此外，开口外形提供在轴向、径向和周向方向上的延伸，使得当进入孔口时所述孔口的流动截面在冷却空气的流动方向上变得更大。
用于冷却旋转流动机械中的至少一个叶片排的叶片的创造性的冷却系统因而在静止构件处提供至少一个开口，该静止构件径向地面朝至少一个叶片排的叶片的有围带末梢。而且，该至少一个开口是静止构件内的冷却通道的离开孔口。在优选实施例中，冷却空气将由压缩机单元提供，压缩机单元是燃气或蒸汽涡轮布置的典型部分。而且，叶片中的每个在其有围带叶片末梢处提供至少一个孔口，由此，该孔口是叶片内的冷却通道的进入端口。
附图说明
随后将结合附图基于示范实施例更详细地说明本发明。附图
图1a示出旋转流动机械内侧的叶片的侧视图，
图1b示出一个叶片排内的两个有围带叶片末梢的示意俯视图，并且
图1c示出沿着切割线BB的截面图，切割线BB穿过叶片排的周向方向上的两个相邻的有围带叶片的头部。
参考标号列表
1        叶片
2        轴向流动通道
3        转子单元
4        静止构件
5        铲根(shovel root)
6        翼型件
7        围带
7'       上游边缘
7''      下游边缘
8        冷却空气
9        开口、孔口
10、11    翼片
12           围带表面
13           翼片间腔
14           开口
15           前缘
16           开口、孔口
17           冷却通道
18           漏斗轴线。
具体实施方式
图1示出安装在旋转流动机械的叶片排中的叶片1的侧视图。旋转流动机械包括流动通道2，其由转子单元3在内侧上径向地限制，并且由至少一个静止构件在外侧上径向地限制。典型地，静止构件4为热屏蔽构件，其安装在包围所述旋转流动机械的壳体的内壁处。叶片排的每个叶片1包括：铲足(shovel foot)5，其可分开地连接于转子单元3；翼型件6，其穿过轴向流动通道2径向地延伸且暴露于经过轴向流动通道的热气流；且最后包括围带7，其在叶片末梢的端部处。
为了冷却叶片1，创造性地建议穿过有围带叶片末梢处的开口9将冷却空气8从静止构件径向向外地给送到叶片1中。通过穿过至少一个静止构件4从径向外侧对叶片1供应径向冷却空气，如上所述，可避免转子单元内的复杂的设计冷却通道。静止构件4的冷却空气供应可非常容易地设计和布置，以便用于实现叶片1的冷却的构造成本和财务成本可显著降低。
为了确保没有热气体将进入叶片1内的冷却通道的开口9，围带7提供相对于穿过轴向流动通道2的轴向流动方向的上游边缘7'和下游边缘7"，该轴向流动方向由图1a中的箭头F示出，箭头F从左指向右。沿着上游边缘7'布置第一翼片10，并且沿着下游边缘7"布置第二翼片11，翼片11、12两者径向地上升超过在翼片10、11两者之间延伸的围带表面12。由于围带设计和叶片1相对于静止构件4的布置，围带7与静止构件4一起围住翼片间腔13，冷却空气8穿过静止构件的开口14给送到该翼片间腔13中，开口14是静止构件内的未示出的冷却通道系统的离开端口。加压冷却空气8给送到翼片间腔13中，使得在所述腔13内占主导的静压力高于该至少一个叶片排中的叶片1的前缘15处的轴向流动通道2中的流的总体相对压力。由此，可避免热气体可进入翼片间腔13。
静止构件4内的至少一个开口14布置成向有围带叶片末梢径向地突出，并且此种开口14的数量取决于叶片中的所期望的冷却效果。如果冷却空气供应不可由仅一个开口满足，则更多开口可围绕静止构件内侧的叶片排沿周向方向布置。
图1b示出在两个相邻的有围带叶片末梢上的示意俯视图，两个相邻的有围带叶片末梢具有每个叶片的翼型件的所指示的剖面。每个围带7提供翼片10沿着布置的上游边缘7'和翼片11沿着布置的下游边缘7"，翼片10、11各自延伸超过在翼片10、11两者之间轴向地延伸的围带表面12。在图1b中，假定翼片10、11上升超过画图平面。
还示出两个相邻叶片的围带7在对应于旋转流动机械的旋转运动的周向方向R上邻接彼此，以便至少一个叶片排中的全部叶片的围带7结合以形成径向向外朝向的环形翼片间腔13，其在图1b中从俯视图中看到。
每个叶片在其围带7处提供围带表面12处的至少一个开口9，至少一个开口9是叶片1内的冷却通道17的进入端口。还参见图1c，其示出沿着如在图1b中示出的切割线BB的截面图。每个开口9具有对至少一个相邻围带的重叠部，并且提供开口外形，该开口外形有沿轴向和沿周向方向的延伸，使得处于围带7上的径向保护下，如图1b所示，孔口9对应于瓶颈形状，该瓶颈形状具有在旋转周向方向R上指示的最小轴向宽度16。孔口的此种形状维持进入叶片1的冷却通道17的冷却介质的进入流。特别地，因为在开口9的开口形状的径向和周向方向上的漏斗形截面(其具有倾向至旋转周向方向R的漏斗轴线18)，在图1c中示出的每个孔口9的截面设计支持进入冷却通道17中的冷却空气的进入流。
如图1a所示，每个翼片10、11的顶部布置成离静止部分4的内表面非常近，这如在热屏蔽构件之前优选地说明的那样，以便从翼片间腔13进入流动路径2中的冷却空气的泄漏可显著减少。在优选实施例中，翼片10、11和热屏蔽构件布置且设计成实现迷宫式密封。

Claims (12)

1.一种用于冷却旋转流动机械中的至少一个叶片排的叶片(1)的方法，所述旋转流动机械包括轴向流动通道(2)，所述轴向流动通道(2)由转子单元(3)在内侧上径向地限制并且由至少一个静止构件(4)在外侧处径向地限制，所述叶片(1)布置在所述旋转单元(3)处并且提供径向地面对所述静止构件(4)的有围带叶片末梢，其特征在于，加压冷却空气(8)从径向外侧朝向所述至少一个叶片排中的所述叶片(1)中的每个的末梢给送穿过，并且所述加压冷却空气(8)穿过所述有围带叶片的末梢处的至少一个孔口(9)进入所述叶片(1)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加压冷却空气(8)径向地给送穿过包围所述至少一个叶片排的所述静止构件(4)且从而进入由所述静止构件(4)和在所述至少一个叶片排中的所述叶片(1)的有围带末梢围住的腔(13)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述加压冷却空气(8)穿过至少一个静止构件(4)侧开口(14)给送到所述腔(13)中，使得在所述腔(13)内占主导的静压力高于在所述至少一个叶片排中的所述叶片(1)的前缘(15)处的所述轴向流动通道(2)中的流的总体相对压力。
4.一种用于冷却旋转流动机械中的至少一个叶片排的叶片(1)的冷却系统，所述旋转流动机械包括轴向流动通道(2)，所述轴向流动通道(2)由转子单元(3)在内侧上径向地限制并且由至少一个静止构件(4)在外侧处径向地限制，所述叶片(1)布置在所述旋转单元(3)处并且提供径向地面对所述静止构件(4)的有围带叶片末梢，其特征在于，至少一个开口(14)布置在径向地面朝所述至少一个叶片排的叶片(1)的有围带末梢的所述静止构件(4)处，所述至少一个开口(14)是所述静止构件(4)内的冷却通道的离开端口，所述叶片(1)中的每个在其有围带叶片末梢处提供至少一个孔口(9)，并且所述孔口(9)是所述叶片(1)内的冷却通道(17)的进入端口。
5.根据权利要求4所述的冷却系统，其特征在于，所述叶片(1)的有围带末梢设计且布置成使得每个叶片(1)的围带(7)提供相对于穿过所述旋转流动机械的所述轴向流动通道(2)的轴向流动方向(F)的上游边缘(7')和下游边缘(7")，并且至少一个翼片(10、11)沿着所述上游边缘(7')和下游边缘(7")布置成径向地上升超过在翼片(10、11)两者之间延伸的围带表面(12)。
6.根据权利要求5所述的冷却系统，其特征在于，所述叶片(1)的有围带末梢设计且布置成使得两个相邻叶片(1)的围带(7)在周向方向上邻接彼此，以便所述至少一个叶片排中的全部叶片(1)的围带(7)结合以形成至少一个径向向外朝向的腔(13)，所述腔(13)由所述静止构件(4)径向地界定。
7.根据权利要求5或6所述的冷却系统，其特征在于，所述孔口(9)的开口外形提供径向和周向方向上的漏斗形截面，所述漏斗形截面具有倾向至旋转周向方向的给定漏斗轴线(18)。
8.根据权利要求7所述的冷却系统，其特征在于，所述有围带叶片末梢的每个孔口(9)提供开口外形，所述开口外形具有在轴向、径向和周向方向上的延伸，使得所述孔口(9)的流动截面在进入所述孔口(9)的冷却空气的流动方向上变得更大。
9.根据权利要求7所述的冷却系统，其特征在于，所述每个孔口(9)的开口外形在两个或更多相邻叶片之间延伸。
10.根据权利要求4至6中任一项所述的冷却系统，其特征在于，所述至少一个开口的离开端口具有沿径向定向的给定轴线。
11.根据权利要求4至6中任一项所述的冷却系统，其特征在于，所述旋转流动机械为燃气或蒸汽涡轮机械或压缩机单元。
12.一种旋转流动机械，包括轴向流动通道(2)，所述轴向流动通道(2)由转子单元(3)在内侧上径向地限制并且由至少一个静止构件(4)在外侧处径向地限制，而且至少一个叶片排内的叶片(1)布置在所述旋转单元(3)处并且提供径向地面对所述静止构件(4)的有围带叶片末梢，其特征在于，至少一个开口(14)布置在径向地面朝所述至少一个叶片排的叶片(1)的有围带末梢的所述静止构件(4)处，所述至少一个开口(14)是所述静止构件内的冷却通道的离开端口，所述叶片(1)中的每个在其有围带叶片末梢处提供至少一个孔口(9)，并且所述孔口(9)是在所述叶片(1)内延伸的冷却通道(17)的进入端口。
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