CN103775135A - 燃气涡轮和用于这样的燃气涡轮的涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃气涡轮和用于这样的燃气涡轮的涡轮叶片。更具体而言，一种燃气涡轮包括由壳体同心地围绕的转子，其中环形热气体槽在转子和壳体之间轴向延伸，转子配有以环形方式布置在转子上的多个叶片，叶片中的每一个将根部安装在转子的边缘上的相应的轴向狭槽中，将翼型件径向延伸到热气体槽中，并且将轴向定向的根部表面邻接到环形边缘腔体，其中冷却装置设置在叶片中的每一个的根部处以接收通过固定的喷射装置喷入边缘腔体中的冷却空气。优化的冷却通过以下方式实现：将根部表面设置成基本上平的表面并且冷却装置包括用于捕获和再导向喷射的冷却空气的至少一部分的斗，该斗设计为相对于根部表面的凹部。

Description

燃气涡轮和用于这样的燃气涡轮的涡轮叶片
技术领域
本发明涉及燃气涡轮技术。本发明涉及根据权利要求1的前序部分的燃气涡轮。
本发明还涉及用于这样的燃气涡轮的涡轮叶片。
背景技术
在现有技术的最常用的叶片进料概念中，叶片被经由转子孔供以冷却空气(参见例如文献WO 2010108879 A1)。压力的增加通过泵送功/离心力来实现。这是用于内部冷却的旋转燃气涡轮叶片的最常见的叶片进料系统。该解决方案可造成使用寿命问题。如果没有足够的可用空间，则所需压力升高可能不充分。
存在若干其它叶片进料概念：
文献GB 2225063的目的是一种涡轮，其包括定子和转子以及用于从定子向固连在转子上的转子叶片供应冷却空气的装置，其中在转子上，空气供应装置包括插件，该插件装配在每个叶片基部和转子盘之间并且形成朝转子的低压侧关闭的偏转室，而在高压侧上，每个插件朝在转子盘边缘上的轮毂径向向内伸出，以便形成偏转室的环形进气孔，并且在定子上，空气供应装置包括朝进气孔大体径向向外导向的环形空气出口喷嘴。
文献US 5984636A描述了一种用于燃气涡轮发动机中的带叶片转子的冷却布置，其中叶片中的每一个包括冷却空气通道，并且带有弯曲翅片的覆盖件邻近但连接到转子安装并且与转子盘略微间隔开以形成用于冷却流体的通路。冷却布置包括形成于冷却通道中的渐缩的锥形入口，冷却通道接着在通路的外端附近发散以形成扩散器。覆盖件包括扩大的内部部分和超出自由环直径的薄的外壁部分。在覆盖件的外周边处形成锤头，其中锤头将响应于离心力更靠近转子盘移动，从而密封该通道。
通过旋转覆盖板进料于叶片（例如US 5984636）。覆盖板邻近转子安装。它们在相对低的半径上进料，并且利用像径向压缩机一样工作的静叶实现压力升高。复杂的设计使得有必要将单独的部件附连到转子。
文献US 4178129 A公开了一种用于燃气涡轮发动机的涡轮的冷却系统，所述系统包括带有从其延伸的叶片的涡轮转子：多个周向紧密隔开的预旋喷嘴，其限定在操作中流过冷却流体的大致连续的环状出口流动区域；以及多个周向间隔开的皮托管接收器，其在朝预旋喷嘴的方向上从涡轮的叶片伸出并且以与喷嘴紧密地隔开的关系终止于其自由开放入口端处，其中端部大致垂直于来自喷嘴的流体的相对途径(approach)向量，皮托管接收器尺寸设计和定位成收集来自喷嘴的预旋冷却流体的仅一部分并将其导向至涡轮的每个叶片的内部的仅一部分。
因此，从总相对压力恢复压力在皮托管和柄部腔体进料两者中实现。不利的是，皮托管伸入到供应腔中。
文献US 4348157 A教导了一种空气冷却的涡轮，其具有通过预旋喷嘴提供到形成于径向内密封和外密封之间的环空中并且然后进入冷却空气入口中到涡轮叶片的冷却空气，具有用于防止从内密封到外密封的泄漏流与冷却空气流干扰的泄漏空气偏转装置。偏转装置可包括：泄漏流入口，其邻近内密封；槽，其径向延伸且与涡轮转子配合以便为泄漏流到至涡轮叶片的冷却空气入口的径向外侧位置提供通道；以及开口部分，冷却空气可通过该部分流至冷却空气入口。偏转器的槽出口可布置成使得泄漏流中的一些可被导向以冷却涡轮叶片的不太重要的部分，剩余泄漏流在冷却空气入口的径向外侧被导向至布置成接收正常冷却空气流的涡轮叶片的更重要部分。
文献WO 03036048 A1描述了一种用于在燃气涡轮发动机中使用的涡轮叶片，该发动机具有热气体通道、冷却空气压室和单级高功高压涡轮，涡轮设置在热气体通道中且具有转子和绕轴线的涡轮旋转方向，涡轮叶片包括：根部，其适于安装到转子；翼型件部分，其从根部延伸；冷却空气入口管道，其适于在安装到转子时与冷却空气压室连通，空气入口管道具有适于延伸进入冷却空气压室的进气斗(scoop)，进气斗具有进气斗孔，该进气斗孔被定向和适于在叶片被安装到转子时由于涡轮旋转而从冷却空气压室捕获冷却空气；以及冷却空气槽，其限定在叶片的翼型件部分中，冷却空气槽与冷却空气入口管道和发动机的热气体通道连通，冷却空气槽适于允许由冷却空气入口管道从压室捕获的冷却空气穿过槽到空气出口装置，以便冷却叶片。
冷却空气从静止参照系到旋转参照系中的涡轮叶片根部的传递仍然存在问题，并且应被改进以便提高涡轮的效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃气涡轮，其叶片在来自相邻边缘腔体的冷却空气的供应方面被优化。
本发明的另一个目的是提供一种用于这样的燃气涡轮的涡轮叶片。
这些和其它目的通过根据权利要求1所述的燃气涡轮和根据权利要求10所述的涡轮叶片来实现。
根据本发明的燃气涡轮包括：转子，其被壳体同心地围绕，其中环形热气体槽在所述转子和所述壳体之间轴向延伸，所述转子配有多个叶片，这些叶片以环形方式布置在所述转子上，所述叶片中的每一个将根部安装在所述转子的边缘上的相应的轴向狭槽中，将翼型件径向延伸到所述热气体槽中，并且轴向定向的根部表面邻接到环形边缘腔体，其中冷却装置设置在所述叶片中的每一个的根部处以接收通过固定的喷射装置喷入所述边缘腔体中的冷却空气，其特征在于，所述根部表面为基本上平的表面，并且所述冷却装置包括用于捕获和再导向所述喷射的冷却空气的至少一部分的斗，该斗设计为相对于所述根部表面的凹部。
根据本发明的一个实施例，所述斗连接到内部扩散槽，该槽延伸穿过根部以将所述捕获的冷却空气输送进叶片的内部以用于冷却目的。
根据本发明的另一个实施例，每个斗设有外部扩散槽，该槽定位在所述斗的前方并且通向所述边缘腔体以将冷却空气从所述边缘腔体引导至所述斗中。
具体而言，所述外部扩散槽设计为根部表面中的凹部。
更具体而言，所述外部扩散槽在接近相应的斗时深度和宽度增加。
甚至更具体而言，斗具有在其进口处的第一横截面，并且外部扩散槽具有在其出口处的适合于第一横截面的第二横截面。
根据本发明的另一个实施例，所述叶片中的每一个的根部具有相对于所述叶片的旋转的前侧和后侧，其中每个叶片的斗布置在所述根部的前侧处并且通向所述前侧，并且其中，对应于所述斗的外部扩散槽在旋转方向上布置在相邻叶片的根部上且通向所述叶片的后侧，使得由第一叶片的外部扩散槽引导的冷却空气被引导进相对于旋转方向直接定位在所述第一叶片的后方的第二叶片的斗中。
根据本发明的又一个实施例，所述根部表面相对于机器的旋转轴线倾斜。
具体而言，倾角为大约45°。
根据本发明的用于燃气涡轮的涡轮叶片包括径向延伸的翼型件和根部，其具有用于邻接到所述燃气涡轮的环形边缘腔体的轴向定向的根部表面，其中冷却装置设置在所述叶片的根部处以接收喷入所述边缘腔体的冷却空气，其中所述根部表面为基本上平的表面，并且所述冷却装置包括用于捕获和再导向所述喷射的冷却空气的至少一部分的斗，该斗设计为相对于所述根部表面的凹部。
根据本涡轮叶片发明的一个实施例，所述斗连接到内部扩散槽，该槽延伸穿过根部以将所述捕获的冷却空气输送进叶片的内部以用于冷却目的。
根据本发明的又一个实施例，外部扩散槽设置在所述根部处，其定位在所述斗后方，与所述斗分开并且通向所述边缘腔体。
具体而言，所述外部扩散槽设计为根部表面中的凹部。
更具体而言，所述外部扩散槽随着与斗的距离增加而增加深度和宽度。
甚至更具体而言，斗具有在其进口处的第一横截面，并且外部扩散槽具有在其出口处的适合于第一横截面的第二横截面。
根据本发明的另一个实施例，所述叶片的根部具有相对于所述叶片的旋转的前侧和后侧，其中所述叶片的斗布置在所述根部的前侧处并且通向所述前侧，并且其中，外部扩散槽通向所述叶片的后侧，使得由第一叶片的外部扩散槽引导的冷却空气被引导进相对于旋转方向直接定位在所述第一叶片的后方的第二叶片的斗中。
根据本发明的另一个实施例，所述根部表面相对于翼型件的径向方向倾斜。
具体而言，倾角为大约45°。
附图说明
现在将借助于不同的实施例并参照附图更详细地说明本发明。
图1示出用于利用斗的叶片冷却进料的一般流动情况；
图2示出进料喷嘴与斗入口的可能的对齐；
图3示出带有第一外部扩散槽的根据本发明的涡轮叶片的第一实施例；以及
图4示出带有第二外部扩散槽的根据本发明的涡轮叶片的第二实施例。
部件列表
10   燃气涡轮
11   转子
12   热气体槽
13   壳体
14,14a-d   叶片
15,15a-d   翼型件
16,16b-d   平台
17,17a-d   根部
18   斗
19   边缘腔体
20   喷嘴
21   冷却空气源
22   静叶
23   根部表面
24,24a-d   斗
25   内部扩散槽
26a-d   外部扩散槽
27   前侧
28   后侧
29   旋转方向
30   旋转轴线。
具体实施方式
本发明用于提供用于内部冷却的旋转涡轮叶片的冷却空气。叶片的内部冷却系统需要在优选低的温度下和高于在叶片前缘处的热气体的总相对压力的静压下的冷却空气。为了实现冷却要求，叶片根部配有冷却空气进气口，即所谓的斗。用于斗的冷却空气经由腔体提供。腔体经由固定的喷嘴进料，输送高于在叶片前缘处的热气体的总相对压力的总相对压力。
图1在剖视图中示出用于利用斗的叶片冷却进料的一般流动情况。燃气涡轮10包括转子11，其绕机器轴线(未示出)旋转并且被壳体13同心地围绕。环形热气体槽12在所述转子11和所述壳体13之间轴向延伸。转子11配有多个叶片14，叶片14以环形方式布置在所述转子11上。每个叶片14将根部17安装在所述转子11的边缘上的相应的轴向狭槽中，并且将翼型件15径向延伸进入所述热气体槽12中。此外，固定的静叶22设置在所述热气体槽12中。叶片14将轴向定向的根部表面23邻接到环形边缘腔体19，环形边缘腔体19将旋转叶片14与具有冷却空气喷嘴20的固定部件分离，冷却空气喷嘴20借助于冷却空气源21被供以冷却空气。如在图1中可见，形成于叶片根部17的斗18延伸进入边缘腔体19中。
斗18的用途是从在腔体19中提供的相对总压力恢复静压。用于叶片冷却的所需静压可利用轴向喷嘴角度调整。改变轴向喷嘴角度改变腔体19中的相对速度和因此的腔体19中的总相对压力。斗喉区的法线大致垂直于燃气涡轮轴线。
腔体19被来自下方的吹扫流/横流扰动并且可对热气体通道12密封或可不密封。腔体19还被延伸进入边缘腔体19的斗扰动。
进气口通常嵌入叶片根部中且不延伸进入腔体中。计算流体动力学(CFD)计算显示，腔体中的流动条件对斗恢复具有主要影响。
根据本发明，嵌入或集成的斗设计允许对腔体19中的流的最少扰动和因此最高的恢复率。斗被集成到叶片中，没有部件突出到边缘腔体内(没有流的扰动)。斗的进气口具有用于所描述的所有变型的外部部分，该部分使流在进入斗之前已经扩散。该外部部分增加了压力恢复，因为在斗内部的扩散是有限的。
扩散被分成内部和外部扩散并且在两个相邻叶片中发生(图3和图4)。扩散始于通向边缘腔体的槽中的第一叶片中。该槽成形为允许最佳扩散。在第二叶片中，流在内部被引导至叶片冷却配置(scheme)。内部槽进一步使流扩散。
图3示出带有第一外部扩散槽的根据本发明的涡轮叶片的第一实施例。一对相邻的叶片14a和14b包括翼型件15a和15b、下平台(仅示出叶片14b的平台16b)、以及根部17a和17b。根部17a和17b具有杉树轮廓，以便由转子盘的边缘中的相应狭槽接纳。在杉树轮廓平面上方设有根部表面23a和23b，其针对邻接的边缘腔体为根部17a、17b定界。
集成到每个根部17a和17b中的分别是斗24a和24b以及外部扩散槽26a和26b。相对于旋转方向29(参见图3中的箭头)，每个根部具有前侧27和后侧28。每个叶片14a、14b的斗24a、24b布置在所述根部的前侧27处并且通向所述前侧27。外部扩散槽26a、26b布置在所述斗24a、24b后方并且通向所述边缘腔体19以将冷却空气从所述边缘腔体19引导至相关联的斗内。外部扩散槽26a、26b通向根部的后侧28。
然而，一个叶片的斗和外部扩散槽(例如，叶片14a的斗24a和外部扩散槽26a)不彼此配合，而是彼此分开。相反，每个斗沿旋转方向接收来自下一叶片的外部扩散槽的冷却空气，使得(在图3的示例中)由叶片14b的外部扩散槽26b引导的冷却空气被引导进相对于旋转方向29直接定位在所述第一叶片后方的叶片14a的斗24a中。叶片的这种成对配合适用于安装在相同的转子盘上的所有叶片。
外部扩散槽26a、26b设计为在相应的根部表面23a、23b中的凹部。该凹部在与旋转方向29相反的方向上深度和宽度增加。该凹部在其出口处具有适合在对应斗的进口处的横截面的横截面。当由外部扩散槽引导的冷却空气进入对应斗中时，其被偏转到径向方向，通过内部扩散槽(参见图2的25)通往叶片翼型件的内部。
图4在类似于图3的图中示出了具有叶片14c和14d的本发明的另一实施例，叶片14c和14d包括翼型件15c和15d及平台16c和16d、以及带有斗24c和24d及外部扩散槽26c和26d的根部17c和17d。图4的实施例与图3的实施例的区别在于外部扩散槽26c、26d具有更陡的锥度，并且在斗的进口处的横截面增加(最大化)。斗24c、24d在这种情况下为根据在1951年7月3日公布的NACA公开文件#645中规定的设计原则成形的所谓的NACA斗。
如在图2中所示，根部表面23相对于机器的旋转轴线30倾斜。具体而言，倾角为大约45°。进料喷嘴20在这种情况下可与斗入口对齐。

Claims (18)

1. 一种燃气涡轮(10)，其包括被壳体(13)同心地围绕的转子(11)，其中，环形热气体槽(12)在所述转子(11)和所述壳体(13)之间轴向延伸，所述转子(11)配有多个叶片(14, 14a-d)，所述多个叶片(14, 14a-d)以环形方式布置在所述转子(11)上，所述叶片(14, 14a-d)中的每一个将根部(17, 17a-d)安装在所述转子(11)的边缘上的相应的轴向狭槽中，将翼型件(15, 15a-d)径向延伸进入所述热气体槽(12)中，并且轴向定向的根部表面(23, 23a-d)邻接到环形边缘腔体(19)，其中，冷却装置(24, 24a-d, 25, 26a-d)设置在所述叶片(14, 14a-d)中的每一个的所述根部(17, 17a-d)处以接收通过固定的喷射装置(20)喷入所述边缘腔体(19)的冷却空气，其特征在于，所述根部表面(23, 23a-d)为基本上平的表面，并且所述冷却装置(24, 24a-d, 25, 26a-d)包括用于捕获和再导向所述喷射的冷却空气的至少一部分的斗(24, 24a-d)，所述斗(24, 24a-d)设计为相对于所述根部表面(23, 23a-d)的凹部。
2. 根据权利要求1所述的燃气涡轮，其特征在于，所述斗(24, 24a-d)连接到内部扩散槽(25)，所述内部扩散槽(25)延伸穿过所述根部(17, 17a-d)以将所述捕获的冷却空气输送进所述叶片(14, 14a-d)的内部以用于冷却目的。
3. 根据权利要求1或2所述的燃气涡轮，其特征在于，每个斗(24, 24a-d)设有外部扩散槽(26a-d)，所述外部扩散槽(26a-d)定位在所述斗(24, 24a-d)的前方且通向所述边缘腔体(19)以将冷却空气从所述边缘腔体(19)引导至所述斗(24, 24a-d)中。
4. 根据权利要求3所述的燃气涡轮，其特征在于，所述外部扩散槽(26a-d)设计为在所述根部表面(23, 23a-d)中的凹部。
5. 根据权利要求4所述的燃气涡轮，其特征在于，所述外部扩散槽(26a-d)在接近所述相应的斗(24, 24a-d)时深度和宽度增加。
6. 根据权利要求5所述的燃气涡轮，其特征在于，所述斗(24, 24a-d)具有在其进口处的第一横截面，并且所述外部扩散槽(26a-d)具有在其出口处的适合所述第一横截面的第二横截面。
7. 根据权利要求3至6中的任一项所述的燃气涡轮，其特征在于，所述叶片(14, 14a-d)中的每一个的所述根部(17, 17a-d)具有相对于所述叶片(14, 14a-d)的所述旋转方向(29)的前侧(27)和后侧(28)，每个叶片(14, 14a-d)的所述斗(24, 24a-d)布置在所述根部(17, 17a-d)的前侧(27)处且通向所述前侧(27)，并且对应于所述斗(24, 24a-d)的外部扩散槽(26a-d)在旋转方向上布置在所述相邻叶片的根部(17, 17a-d)上且通向所述叶片的所述后侧(28)，使得由第一叶片的外部扩散槽(26a-d)引导的冷却空气被引导进相对于所述旋转方向(29)直接定位在所述第一叶片的后方的第二叶片的所述斗(24, 24a-d)中。
8. 根据权利要求1至7中的任一项所述的燃气涡轮，其特征在于，所述根部表面(23, 23a-d)相对于所述机器的旋转轴线倾斜。
9. 根据权利要求8所述的燃气涡轮，其特征在于，所述倾角为大约45°。
10. 一种用于根据权利要求1所述的燃气涡轮的涡轮叶片(14, 14a-d)，其包括径向延伸的翼型件(15, 15a-d)和根部(17, 17a-d)，所述根部(17, 17a-d)具有用于邻接到所述燃气涡轮的环形边缘腔体(19)的轴向定向的根部表面(23, 23a-d)，其中，冷却装置(24, 24a-d, 25, 26a-d)设置在所述叶片(14, 14a-d)的所述根部(17, 17a-d)处，以接收喷入所述边缘腔体(19)中的冷却空气，其特征在于，所述根部表面(23, 23a-d)为基本上平的表面并且所述冷却装置(24, 24a-d, 25, 26a-d)包括用于捕获和再导向所述喷射的冷却空气的至少一部分的斗(24, 24a-d)，所述斗(24, 24a-d)设计为相对于所述根部表面(23, 23a-d)的凹部。
11. 根据权利要求10所述的涡轮叶片，其特征在于，所述斗(24, 24a-d)连接到内部扩散槽(25)，所述内部扩散槽(25)延伸穿过所述根部(17, 17a-d)以将所述捕获的冷却空气输送进所述叶片(14, 14a-d)的内部以用于冷却目的。
12. 根据权利要求10或11所述的涡轮叶片，其特征在于，外部扩散槽(26a-d)设置在所述根部(17, 19a-d)处，所述根部(17, 19a-d)定位在所述斗(24, 24a-d)的后方，与所述斗(24, 24a-d)分开并且通向所述边缘腔体(19)。
13. 根据权利要求12所述的涡轮叶片，其特征在于，所述外部扩散槽(26a-d)设计为在所述根部表面(23, 23a-d)中的凹部。
14. 根据权利要求13所述的涡轮叶片，其特征在于，所述外部扩散槽(26a-d)随着与所述斗(24, 24a-d)的距离增加而在深度和宽度上增加。
15. 根据权利要求14所述的涡轮叶片，其特征在于，所述斗(24, 24a-d)具有在其进口处的第一横截面，并且所述外部扩散槽(26a-d)具有在其出口处的适合所述第一横截面的第二横截面。
16. 根据权利要求12至15中的任一项所述的涡轮叶片，其特征在于，所述叶片(14, 14a-d)的所述根部(17, 17a-d)具有相对于所述叶片(14, 14a-d)旋转的前侧(27)和后侧(28)，所述叶片(14, 14a-d)的所述斗(24, 24a-d)布置在所述根部(17, 17a-d)的前侧(27)处且通向所述前侧(27)，并且所述外部扩散槽(26a-d)通向所述叶片的后侧(28)，使得由第一叶片的所述外部扩散槽(26a-d)引导的冷却空气被引导进相对于所述旋转方向(29)直接定位在所述第一叶片后方的第二叶片的斗(24, 24a-d)中。
17. 根据权利要求10至16中的任一项所述的涡轮叶片，其特征在于，所述根部表面(23, 23a-d)相对于所述翼型件(15, 15a-d)的径向方向倾斜。
18. 根据权利要求17所述的涡轮叶片，其特征在于，所述倾角为大约45°。
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