CN104114818B - 用于热机尤其燃气轮机的构件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于热机尤其燃气轮机的构件，构件具有受到高热负荷的拐角或者棱边(22)。通过以下方式优化构件的冷却，即为了冷却拐角或者棱边(22)直接在拐角或者棱边(22)附近布置至少一个从表面以沉入到构件中的方式引入的冷却通道(25)。

Description

用于热机尤其燃气轮机的构件
技术领域
本发明涉及热机的领域。本发明涉及一种用于热机的构件，所述构件具有受到高热负荷的拐角或者棱边。
背景技术
在热机尤其燃气轮机中，存在不同的构件，其一方面由于结构的原因而具有拐角和棱边并且另一方面在这些部位处在运行中遭受高的热负荷。针对这样的构件的示例是燃气轮机的由多个部件装配而成的转子叶片(Laufschaufel)，如其例如在出版文件EP 2 189626 A1中所公开的那样。该出版文件的图1和2在本申请中作为图1被复述。
在图1中显示的部件即平台元件(Plattform-Element)10和叶片元件(Shaufelblatt-Element)20装配成转子叶片并且互相连接。该平台元件10在上侧11中有通过开口12，叶片元件20可以终止在叶片顶部18中的叶片17插入通过该通过开口12。在平台元件10的下侧上的带有模制的钩部15,16的支腿13,14以及在叶片元件20处的叶片根部21(该叶片根部通过柄部19与叶片17相连接)用于固定装配而成的轮叶(Schaufel)。
在组装的状态中得到在叶片17和平台元件10的上侧11之间的过渡部，其在图2中在截面中放大示出。通过在部件17和部件11之间形成的间隙23(该间隙由围绕叶片17流动的热气加载)，产生带有拐角区域24的棱边22，该拐角区域受到高的热负载。
至今为止通过以下方式冷却该(在图2中垂直于图平面伸延的)棱边22，即平行于棱边22设置铸造的冷却通道。然而这样的冷却通道不是非常有效果的，因为
a) 对于铸造的通道来说与表面的距离相对较大，这导致在拐角区域24中较高的温度；并且
b) 对于铸造的通道来说内径相对较大，这导致较高的冷却空气需求。
由于该原因因为缺少冷却以不是可忽略的程度在棱边22处出现氧化和开裂。
为解决该问题已经建议(参见出版文件JP 2010144656或US 7,597,536 B1)，通过以下方式减少利用热气加载棱边，即设置成例如利用冷却空气进行吹扫。在此不利的是，需要显著数量的吹扫空气，来保持混合的热气的温度较低。尤其在间隙较大的情况下需要的吹扫空气数量显著地增加。如果间隙宽度在运行期间以不相应于期望的吹扫空气量的方式改变，则该冷却类型失去其效果。在最差的情况中当流动条件在运行期间改变时吹扫空气能够直接流入到主流中。由于这些原因，该间隙最大可能地没有冷却，因为两个方案建议以由穿入到间隙中的热气和被引导通过孔口的吹扫空气的均衡的混合为前提。
发明内容
本发明的目标是，提供开头提及类型的构件，其避免已知的构件的缺点并且在热负荷高的拐角或者棱边的区域中利用少的冷却剂消耗始终充分地被冷却。
该目标通过下述的构件解决。设置成用于热机尤其燃气轮机并且具有热负荷高的拐角或者棱边的根据本发明的构件的特征在于，为了冷却拐角或者棱边直接邻近拐角或者棱边布置有至少一个以从表面沉入到构件中的方式而引入的冷却通道。
根据本发明的构件的一种设计方案的特征在于，拐角或者棱边沿着预设的线延伸，并且该至少一个冷却通道基本上平行于拐角或者棱边在预定的路程上伸延。
另一设计方案由此出众，即直接在拐角或者棱附近布置多个平行伸延的，沉入地引入的冷却通道。
另一设计方案的特征在于，冷却通道分别包括引入到沟槽中的冷却管。
尤其地，冷却管相应地嵌入到填充沟槽的填充材料中并且由此热耦合到构件的环绕的材料处。
另一设计方案由此出众，即朝向待冷却的表面封闭带有引入的冷却管的沟槽。
尤其地为了封闭沟槽设置焊上的覆盖层。
本发明的另一设计方案的特征在于，冷却通道具有从其中轴线到待冷却的表面的处于1mm的范围中的间距。
根据另一设计方案冷却通道具有处于大约1mm的范围中的内径。
本发明另一设计方案的特征在于，冷却通道在待冷却的表面这一侧上具有出口而在相对侧上具有进口。
根据另一设计方案构件配备有热障层。这考虑尤其用于受到高热负荷的构件，例如在燃气轮机中的构件。
根据另一设计方案构件构造成燃气轮机的轮叶。
尤其地轮叶由分离的构件装配而成，其中待冷却的拐角或者棱边构造在分离的构件之间的过渡部处。
拐角或者棱边在此可在一侧处通过由热气充满的间隙限制。
附图说明
下面按照实施例结合图纸进一步解释本发明。其中：
图1显示了从出版文件EP 2 189 626 A1中已知的燃气轮机的装配而成的转子叶片，本发明可应用于该出版文件中；
图2以截面图显示了来自图1的轮叶的受到高热负荷的拐角或者棱边；
图3到5显示了根据本发明的用于冷却来自图2的拐角或者棱边的不同的实施例；
图6以纵向截面图(A)和横向截面图(B)显示了用于根据本发明的拐角冷却的示例性的冷却通道配置；
图7以从上方观察的俯视图显示了根据本发明的带有环绕的冷却通道的制造的轮叶的平台；以及
图8显示了在来自图1的平台元件的外部的拐角或者棱边处的根据本发明的拐角冷却通道。
具体实施方式
根据本发明使用接近表面沉入的冷却通道的技术以用于冷却燃气轮机构件(例如转子叶片、引导叶片或热屏蔽件)的受到高热负荷的拐角或者棱边。在根据图2的配置中存在这样的问题，即棱边22遭受来自两个相互紧靠的表面的热气的影响并且由此在角区域24中受到非常高的热负荷。
根据图3现在在棱边区域中直接在表面下设置有平行于棱边22伸延的带有小的内径的冷却通道25，以为了有效地并且在减少使用冷却剂(通常为冷却空气)的情况下来冷却拐角区域24。冷却通道25的进口30和出口29在图3中以虚线示出。
冷却通道25(以进口30)由填充有冷却空气的气室(Plenum)开始，然后平行于待冷却的棱边22伸延并且然后通过出口29将加热的空气送出到间隙23中。然而出口29也能够引导到表面处，以为了将加热的空气直接排出到热气流中并且在表面处产生以薄膜冷却意义的冷却空气薄膜。
如果根据图3的单个的冷却通道25不足够来冷却棱边22，则根据图4能够设置两个平行地伸延的冷却通道25a和25b，这两个冷却通道相应地联接到气室和热气通道处。如果这也不足够，则根据图5多于两个冷却通道25a，25c和25d可平行于棱边22伸延。
借助图6说明了该原则上的方法，借助于该方法细的冷却通道可从表面随后地以非常接近待冷却的表面的方式被引入到预成形的构件中，其中图6(A)显示了穿过示例性的组件的纵向截面，以及图6(B)显示了在B-B平面中的横截面：从上侧开始通过合适的方法(例如沉蚀(Senkerodieren))利用合适成形的工具将沟槽41引入构件26中引入到构件的壁部中，该沟槽41在一个端部处在具有弯曲部31a的情况下倾斜地向上伸出(出口29)并且在另一端部处在弯曲部31b后面具有朝向下侧的通道(进口30)。相应地设计尺寸且成形的冷却管31被引入到如此形成的沟槽中并且通过填充材料32(例如硬焊料或诸如此类)紧密地热耦合到构件26的环绕的材料处。然后通过以下方式封闭如此形成的组件，即通过焊接施加覆盖层33。该组件形成接近表面的冷却通道27，该冷却通道在运行中由冷却介质28例如冷却空气穿流。
以这种方式制造的冷却通道27例如在内径处于大约1mm的范围中的情况下具有从中轴线到表面的处于1mm的范围中的间距。冷却通道27的长度一般处在从10mm到100mm优选地20mm到40mm的范围中。在棱边长度超出上述范围时串联地布置多个冷却通道27，如在图7和8中示例性地显示的那样。相继连续的冷却通道27在其长度方面可相互不同，以为了例如考虑不同的热应力或设计限制。为了实现最佳的冷却效果冷却通道可以相同的或相反的方向由冷却介质穿流。这同样也适用于平行布置的冷却通道。
对于根据图7的平台-元件34(其在上侧35上具有通过开口36，该通过开口36由弯曲的曲线限制边界，其与轮叶轮廓相同)来说，根据本发明的至少一个冷却通道37必须复制该弯曲的曲线。许多一个接一个布置的冷却通道37(其也可弯曲地构造)跟随曲线轮廓。单个通道37的具体的长度尤其依赖平台元件34的热负荷。该长度通常在20mm和40mm之间。
然而对于根据图1的平台元件来说也可在外棱边处使用根据本发明的冷却空气通道，如在图8中对冷却通道38和39所表明的那样。
本发明的优点可总结如下：
a) 通过降低的冷却空气需求改进机器的效率；
b) 冷却尽可能接近待冷却的部位执行；
c) 有效地冷却受到高热负荷的拐角或者棱边，其形成在互相紧靠的环形面处并且由此尤其受到高的负荷；以及
d) 明显地延长如此冷却的构件的使用寿命。
参考标号列表
10,34 平台元件
11,35 上侧
12,36 通过开口
13,14 支腿
15,16 钩部
17 叶片
18 叶片顶部
19 柄部
20 叶片元件
21 叶片根部
22 拐角，棱边
23 间隙
24 拐角区域
25,25a-d 冷却通道
26 构件
27,37 冷却通道
28 冷却介质，例如空气
29 出口
30 进口
31 冷却管
31a,b 弯曲部
32 填充材料(例如焊料)
33 覆盖层(焊接的)
38,39 冷却通道
40a,b 拐角，棱边
41 沟槽

Claims (13)

1.一种用于热机的构件(10,20;26;34)，所述构件(10,20;26;34)具有受到高热负荷的拐角或者棱边(22;40a,b)，其特征在于，为了冷却拐角或者棱边(22;40a,b)直接在所述拐角或者棱边(22;40a,b)附近布置有至少一个从表面以沉入到所述构件(10,20;26;34)中的方式引入的冷却通道(25,25a-d;27;37;38,39)，所述冷却通道(25,25a-d;27;37;38,39)在待冷却的表面的这一侧上具有出口(29)，并且在相对侧上具有进口(30)；其中，所述构件构造成燃气轮机的轮叶(10,20)，所述轮叶由分离的构件(10,20)装配而成，并且待冷却的所述拐角或者棱边(22,40a,b)构造在分离的构件(10,20)之间的过渡部处，并且所述拐角或者棱边(22,40a,b)在一侧处通过由热气加载的间隙(23)限制。
2.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述拐角或者棱边(22;40a,b)沿着预设的线延伸，并且所述至少一个冷却通道(25,25a-d;27;37;38,39)基本上平行于所述拐角或者棱边(22;40a,b)在预定的路程上伸延。
3.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，直接在所述拐角或者棱边(22;40a,b)附近连续地布置多个冷却通道(25,27,37,38,39)。
4.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，直接在所述拐角或者棱边(22,40a,b)附近布置多个平行伸延的、沉入地引入的冷却通道(25a-d)。
5.根据权利要求4所述的构件，其特征在于，平行伸延的所述冷却通道(25,27)布置成相互偏置。
6.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述冷却通道(25,25a-d;27;37;38,39)分别包括引入到沟槽(41)中的冷却管(31)。
7.根据权利要求6所述的构件，其特征在于，所述冷却管(31)相应地嵌入到填充所述沟槽(41)的填充材料(32)中并且由此热耦合到所述构件(10,20;26;34)的环绕的材料处。
8.根据权利要求6所述的构件，其特征在于，朝向待冷却的表面封闭带有引入的冷却管(31)的所述沟槽(41)。
9.根据权利要求8所述的构件，其特征在于，为了封闭沟槽(41)设置焊上的覆盖层(33)。
10.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述冷却通道(25,25a-d;27;37;38,39)具有从其中轴线到待冷却的表面的处于1mm的范围中的间距。
11.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述冷却通道(25,25a-d;27;37;38,39)具有在大约1mm的范围中的内径。
12.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，施加热障层到所述构件的表面上。
13.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述热机是燃气轮机。
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