CN105408586B

CN105408586B - 具有翼型轮廓形状散热器的涡轮叶片

Info

Publication number: CN105408586B
Application number: CN201480042799.9A
Authority: CN
Inventors: F·阿玛德
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-07-29
Filing date: 2014-07-04
Publication date: 2017-06-16
Anticipated expiration: 2034-07-04
Also published as: JP2016540151A; EP2999854A1; CN105408586A; WO2015014566A1; US20160177739A1; EP2832956A1; JP6105166B2

Abstract

本发明涉及一种涡轮叶片(120，130)，其具有压力侧(148)，吸力侧(150)，和冷却空气通道(152)，所述冷却空气通道设置在压力侧和吸力侧之间并且由吸力侧的内表面和压力侧的内表面划界。圆柱形散热器(158)基表面被布置在冷却空气通道中，所述散热器从压力侧延伸至吸力侧，所述散热器具有基表面，所述基表面具有翼型轮廓的形状并且具有轮廓顶侧(164)和轮廓底侧(166)。紊流器(162)在压力侧和/或吸力侧的内表面上被布置在邻近散热器的区域中，所述紊流器实现改善的冷却空气效果并因此涡轮的较高工作温度和较高效率。为了这个目的，紊流器以这样的方式布置，即与在邻近轮廓底侧的区域相比，在邻近轮廓顶侧的区域中产生较少的空气紊流。

Description

具有翼型轮廓形状散热器的涡轮叶片

技术领域

本发明涉及涡轮叶片，其具有压力侧、吸力侧和布置在该压力侧和吸力侧之间的冷却空气管道，其由吸力侧的内表面和压力侧的内表面划界，其中，在冷却空气管道中布置有圆柱形散热器，该散热器的基部表面具有翼型轮廓的形状，具有轮廓上侧和轮廓下侧，所述冷却空气管道从压力侧到吸力侧延伸，其中，所述基部表面是在所述压力侧或吸力侧的内表面，其中紊流器布置在所述压力侧和/或吸力侧的内表面上，在散热器的区域中。

背景技术

涡轮是涡轮机，其将流动流体(液体或气体)的内能(焓)转换成旋转能，最后转化为机械驱动能。当流体流围绕涡轮叶片尽可能无紊流且层流地流动时，流体流的内能的分被从其提取，并由涡轮的转子叶片占用。这些然后转动涡轮轴，有用功率被提供到与其联接的机器，诸如例如发电机。转子叶片和轴是涡轮的移动转子或线轴的部分，该涡轮被布置在壳体内。

在一般情况下，多个叶片被安装在轴线上。安装在平面中的转子叶片分别形成叶片环或转子环。叶片具有略微弯曲的轮廓，类似于飞机翼型。定子环通常位于每个转子环的上游。这些定子叶片从壳体伸出到流动介质中，并且导致其成漩涡。定子环中产生的旋涡(动能)被用于在随后的转子环以转动轴，在该轴上安装有转子环叶片。定子环和转子环一起被称为级。通常，多个这样的级串联连接。

涡轮的涡轮叶片经受特定负载。高负载需要非常耐磨的材料。因此涡轮叶片由钛合金，镍基超合金或钨-钼合金制成。叶片被涂层保护，以用于相对于温度和腐蚀，例如点蚀较大的抗力。该防热涂层被称为热障涂层或简称TBC。用于提供具有更高耐热性的叶片的其他措施包括精心设计的冷却管道系统。这种技术可以用在定子叶片和转子叶片中。

在许多情况下，涡轮叶片轮廓的在压力侧和吸力侧之间延伸的冷却管道被铸入涡轮叶片。在这方面，所述冷却导管道是由压力侧的内表面和吸力侧的内表面以及由其他引入的边界壁划界的。为了提高通流空气的冷却效果，被称为“针鳍(pin fins)”的散热器根据需要被布置；这些可以具有各种形状，并且还特别是其横截面以翼型轮廓的方式被成形。这种散热器是本领域技术人员例如从EP 0 230 91，EP 0034 961和美国5536143已知的。

这些散热器在铸造过程期间被引入涡轮叶片中。此外，冷却管道的内表面上，特别是在这些针鳍区域的涡轮叶片的外壁的内表面上，经常附接有紊流器，其提供额外的空气紊流并且改善了冷却效果。

目前，在涡轮叶片上的热负载限制了涡轮的效率，因为这些材料只允许有限的操作温度。然而，高的工作温度对卡诺效率具有积极作用。

发明内容

因此，本发明具有指示在引言中提到类型的涡轮叶片的目的，这允许涡轮的改进冷却空气效果，并且因此允许较高的工作温度和更高效率。

这个目的是根据本发明来实现的，因为紊流器被布置成使得在邻近轮廓上侧的区域内比邻接轮廓下侧的区域产生更少的空气紊流。

在这方面，本发明从以下考虑出发，迄今，当使用散热器，特别是那些具有翼型轮廓的散热器时，散热器所造成的热梯度是不考虑的。这种热梯度可以表示部件上热负载的增加，这降低了使用寿命。在这方面，已经认识到，具有翼型轮廓的散热器产生这样的热梯度，这是因为冷却空气更快地在上侧上流动，所述上侧即在其上由于轮廓的曲率，空气必须采取从轮廓前缘到轮廓后缘的更长的路径的那侧。结果是，换句话说，热传递在上侧相比于下侧得到改善。出于这个原因，为了避免热梯度，下侧上的热传递应该增加。这可以通过下侧区域中增加的紊流，即空气紊流而实现。为此目的，冷却管道的内表面上的紊流器应布置成使得在邻接轮廓上侧的区域中比邻近轮廓下侧的区域中产生较少的空气紊流。

有利的是，为此，更多数量的紊流器被布置在邻近散热器的轮廓下侧的区域中，相比于邻近轮廓上侧的区域中。作为紊流器，可使用任何类型的人为附着表面中断，该表面中断将层流改变成紊流，所述表面中断例如是横向导轨，小竖板或孔。如果更多的紊流器布置在轮廓上侧，所期望的更大空气紊流效果在这里实现。

更有利地，在这种情况下，没有紊流器被布置在邻近散热器的轮廓上侧的区域中。这最大限度地减少在轮廓上侧的区域中的空气紊流，以使得热传递降低。这也有助于平衡在轮廓上侧和下侧的热传递。

在一个有利的实施方式中，紊流器具有相对于在冷却空气管道中的主流动方向以超过45度的角度取向的边缘。各紊流器是在这种情况下体现为相对于空气流被横向引入的导轨。这样的形状是相对简单的以用于在铸造过程中引入，并且可靠地产生空气紊流。

在替代或附加的有利的实施方式中，空气紊流也可以增加，这是因为布置在邻近散热器的轮廓下侧的区域中的紊流器比布置在邻接轮廓上侧的区域中紊流器更凸出。换句话说：布置在轮廓下侧的紊流器进一步延伸到冷却空气管道的内部，并因此产生更明显的紊流。

有利地，紊流器被布置成使得从轮廓上侧的放热与轮廓下侧的放热对应。这最佳地实现消除热梯度的目的。紊流器的配置可以在这种情况下通过计算机建模或一系列的测试来确定。

有利的是，多个散热器特别是以栅格图案被布置在冷却空气管道栅格栅格中。例如可以形成这样散热器的规则栅格栅格，通过它冷却空气流动。栅格栅格栅格布置提供了通过冷却空气流的最小阻碍，同时多个散热器可放出热量到冷却空气。

此外，冷却空气管道有利于邻接涡轮机叶片的轮廓后缘。即，涡轮叶片的压力侧和吸力侧之间的间隔在涡轮叶片的翼型状轮廓的后缘处是最小的，因为这些以锐角会聚在那里。出于这个原因，与涡轮叶片的更中心区域相比，较少的冷却空气可以在这里流动，这里特别有利的是增加可用于使用具有紊流其的散热器进行热交换的表面面积，如所述进行配置。

涡轮的定子或转子有利地包括这样的涡轮叶片，作为定子叶片或转子叶片。

涡轮有利地包括这样的定子和/或转子。

有利的是，涡轮在这种情况下被配置为燃气涡轮。特别是在燃气涡轮中，热负载和机械负载特别高，使得所描述的涡轮叶片的实施方式关于冷却并且因此也关于效率提供了特别的优点。

发电厂有利地包括这样的涡轮。

本发明实现的优点包括特别在于使用在涡轮叶片的冷却管道中具有翼型轮廓的散热器避免热梯度，实现了冷却的改进，尤其在涡轮叶片的轮廓后缘处的冷却改进。涡轮叶片的使用寿命被增加，使得在涡轮叶片的外侧的较高的温度是可能的。这提高了涡轮的效率。

附图说明

本发明的示范性实施例参照附图进行更详细地说明，其中：

图1示出了穿过燃气涡轮的局部纵向剖面,

图2示出转子叶片的轮廓,

图3示出了穿过转子叶片的纵向剖面，

图4示出在轮廓下侧的区域中具有紊流器的针鳍，以及

图5示出在轮廓上侧和下侧具有紊流器的不同数量的针鳍。

在所有附图中，相同的部分设有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了涡轮100，在这种情况下，燃气涡轮，的局部纵向剖面图。在内部，燃气涡轮100具有转子103，该转子被安装成使得它可以围绕旋转轴线102(轴向)旋转，并且也被称为涡轮转子。进气壳体104，压缩机105，具有多个同轴布置的燃烧器107的环形燃烧室110，特别是环状燃烧室106，涡轮108和排气壳体109沿着转子103彼此跟随。

环状燃烧室106与环状热气管道111连通。因此，例如，四个串联连接的涡轮级112形成涡轮108。每个涡轮级112由两个叶片环形成。如在工作介质113的流动方向上观察到的，在热气管道111中，一排定子叶片115的后面是由转子叶片120形成的排125。

在这种情况下，定子叶片130被固定到定子143，而一排125的转子叶片120通过涡轮盘133被装配至转子103。转子叶片120因此是转子或线轴103的组成部分。发电机(未示出)联接到转子103。

当燃气涡轮100工作时，压缩机105通过进气壳体104吸入空气135并将其压缩。在压缩机105的涡轮侧端提供的压缩空气被传递到燃烧器107，在燃烧器该压缩空气与燃料混合。然后混合物在燃烧室110中燃烧，从而形成工作介质113。从那里，工作介质113沿着热气管道111流动通过定子叶片130和转子叶片120。工作介质113在转子叶片120膨胀，赋予其动量，使得转子叶片120驱动转子103，而转子驱动联接到它的发电机。

当燃气涡轮100工作时，暴露于热工作介质113的部件经受热应力。第一涡轮级112的定子叶片130和转子叶片120，如在工作介质113的流动方向看，连同与环形燃烧室106排成一行的热屏蔽瓦，都受到最高的热应力。为了能够承受那里占优的温度，它们借助冷却剂被冷却。同样地，叶片120，130可具有防腐蚀涂层(MCrAlX；M＝铁、钴、镍、稀土)和热障涂层(例如ZrO₂、Y₂O₄-ZrO₂)。

每个定子叶片130均具有面向涡轮108的内壳138的定子叶片根部(此处未示出)，和在与定子叶片根部相反的端部处的定子叶片尖端。定子叶片尖端面向转子103并且被固定到定子143的密封环140。在这方面，每个密封环140均围绕转子103的轴。

图2以举例的方式示出定子叶片120的轮廓。该轮廓类似于飞机翼型的轮廓。它具有圆形的前缘144和后缘146。转子叶片的压力侧148和吸力侧150在前缘144和后缘146之间延伸。沿着转子叶片120延伸的主方向延伸，垂直于图2的平面的冷却空气管道152在压力侧148和吸力侧150之间引入，并且通过壁154彼此分离。

在这方面，在前缘144的区域中，设置有冷却空气出口开口156，通过该开口冷却空气可以离开，并从而形成在转子叶片120的外侧上的保护冷却膜。在毗邻后缘146的冷却空气管道152中，另外设置有散热器158，被称为“针鳍”。这些是圆柱形的，即形成为由两个平行的、平面的、相合的表面(底面和顶面)并且由横向或圆柱形表面划界的主体，其中横向表面由平行直线形成。在这种情况下，底面和顶面是在冷却空气管道152的边界壁中，即分别在压力侧148的内表面和吸力侧150的内表面中。散热器158凭借它们在冷却空气的横截面中的表面改善冷却空气和转子叶片120之间的热传递。在这方面，该散热器158具有翼型轮廓，即底面和顶面呈翼型轮廓的形式。这种翼型轮廓形状因此导致对应于翼型轮廓的轮廓上侧的散热器的横向部，和对应于翼型轮廓的轮廓下侧的另一横向部。

图3显示了转子叶片120的纵向剖面。这表明，邻近前缘144的三个平行冷却管道152经由开口160相连接，使得它们形成曲折形共用管道。冷却空气K在图3的下端进入，并在每个开口160处在相反的方向上重新定向，因此进一步沿管道流动，直到它最终在冷却空气出口开口156离开。

在这四个冷却空气管道152中，紊流器162被布置在转子叶片120的相对于冷却空气K的各主流动方向横向地平坦外侧上。紊流器162是小的、人为地附着的表面中断。它们产生紊流并且将层流边界层流改变成紊流边界层流。紊流器162包括例如横向导轨、小竖板或孔。在该示例性实施方式中，它们采取冷却肋的形式，如紊流器162，提高热传递，并且从而提高冷却效果。朝向后缘146取向的冷却空气管道152，相比之下，单独连接并且具有如上所述的散热器158。图3示出了散热器158形成规则栅格。

所述冷却结构使用转子叶片120的示例进行说明。这样的冷却结构也可以因此被设置在定子叶片130中。散热器158和紊流器162的配置，如下所述，还可以在那里被执行。

图4以放大的细节示出了朝向涡轮叶片120，130的后缘146取向的冷却管道152。示出了在具有冷却空气K的主流动方向的冷却管道152中的四个散热器158。散热器具有翼型轮廓，其曲率限定在曲率方向上的轮廓上侧164和在曲率反面的轮廓下侧166。曲率的方向在主流动方向的过程中变化。紊流器162呈冷却肋的形式，即相对于主流动方向(以大于45度的角度)横向取向的凸起部分。

在图4中，紊流器162只被布置在各轮廓下侧166的区域中。无紊流器162被布置在散热器158的各轮廓上侧164的区域中。

在图5的替代实施方式中，相比于图4，紊流器162也布置在各轮廓上侧164的区域中，但以减少的数量和程度，布置在冷却管道152中。

紊流器162的配置因此使得在轮廓上侧164的空气紊流小于轮廓下侧166，以使得到冷却空气K中的热传递在轮廓上侧166被改善。在这方面，紊流器162被配置为使得在轮廓下侧166和轮廓上侧164进入冷却空气K的热传递是相等的，即借助于轮廓上侧164增加的冷却空气速度增加的热传递被补偿。这避免了跨散热器158的热梯度。

Claims

1.一种涡轮叶片(120，130)，其具有压力侧(148)，吸力侧(150)和布置在所述压力侧和所述吸力侧之间的由所述压力侧(148)的内表面和所述吸力侧(150)的内表面划界的冷却空气管道(152)，

其中，在所述冷却空气管道中设置有散热器(158)，所述散热器具有横向表面和呈翼型轮廓形状的基表面(158)，具有轮廓上侧(164)和轮廓下侧(166)，所述散热器从所述压力侧(148)延伸到所述吸力侧(150)，

其中所述基表面(158)在所述压力侧(148)的内表面或所述吸力侧(150)的内表面中，其中紊流器(162)在邻近所述散热器(158)的区域中布置在所述压力侧(148)和/或所述吸力侧(150)的内表面上，并且

其中所述紊流器(162)被布置为使得在邻近所述轮廓上侧(164)区域中比在邻近所述轮廓下侧(166)的区域中产生较少的空气紊流。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片(120，130)，其中与邻近所述轮廓上侧(164)的区域相比，更大数量的紊流器(162)被布置在邻近所述散热器(158)的所述轮廓下侧(166)的区域中。

3.根据权利要求2所述的涡轮叶片(120，130)，其中没有紊流器(162)被布置在邻近所述散热器(158)的所述轮廓上侧(164)的区域中。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的涡轮叶片(120，130)，其中所述紊流器(162)具有相对于所述冷却空气管道(152)中的主流动方向以超过45度的角度取向的边缘。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的涡轮叶片(120，130)，其中布置在邻近所述散热器(158)的所述轮廓下侧(166)的区域的紊流器(162)，比布置在邻近所述轮廓上侧(164)的区域中的紊流器(162)更凸出地形成。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的涡轮叶片(120，130)，其中所述紊流器(162)被布置为使得从所述轮廓上侧(164)的放热与所述轮廓下侧(166)的放热相对应。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的涡轮叶片(120，130)，其中多个散热器(158)被布置在所述冷却空气管道(152)中。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的涡轮叶片(120，130)，其中所述冷却空气管道(152)邻接所述涡轮叶片(120，130)的轮廓后缘(146)。

9.一种用于涡轮(100)的定子(143)或转子(103)，具有根据前述权利要求中的一项所述的涡轮叶片(120，130)。

10.一种涡轮(100)，具有根据权利要求9所述的定子(143)和/或转子(103)。

11.根据权利要求10所述的涡轮(100)，其被配置为燃气涡轮(100)。

12.一种发电厂，具有根据权利要求10或11所述的涡轮(100)。