CN105431614B - 涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮叶片(120，130)，其具有第一冷却空气管道(152)和通过壁从第一冷却通道(152)分隔开并具有主方向的第二冷却空气管道(152)，其中第一和第二冷却空气管道(152)通过在壁(154)中的第一开口(160)彼此相连，其中壁(154)具有第二开口(164)，以允许改善的冷却空气作用和因此涡轮的更高工作温度和更高效率。为此目的，第二开口(164)由转向管道(170)邻接，在其中转向管道进入第二冷却空气管道(152)的区域内，转向管道的主方向基本上平行于第二冷却空气管道(152)的主方向定向。

Description

涡轮叶片
技术领域
本发明涉及具有第一冷却空气管道和第二冷却空气管道的涡轮叶片，第二冷却空气管道通过壁从第一冷却空气管道分隔开，其与第一冷却空气管道相邻并具有主方向，其中第一和第二冷却空气管道在各自的端部由在壁中的第一开口彼此相连，其中壁具有第二开口，该第二开口在中间区域将壁分为第一部分和第二部分。
背景技术
涡轮是一种致流机，其将流动流体(液体或气体)的内能(焓)转换成旋转能，并最终转化为机械驱动能。围绕涡轮叶片的层流，其尽可能没有湍流，具有从流体流中提取一些其内能的效果，所述内能传递给涡轮的活动叶片。这些然后设定涡轮轴的旋转，并且可用功率被输送到与其联接的机器，诸如例如发电机。活动叶片和轴是被设置在外壳内的涡轮的可动转子的部件。
通常多个叶片被安装在轴上。安装在平面内的活动叶片分别形成叶轮或转子。叶片以稍微弯曲的方式被成形，类似于飞机机翼。在各转子的上游，通常存在定子。这些固定叶片从壳体伸出进入流动介质并赋予自旋给它。在定子内产生的自旋(动能)被用在随后的转子中，以设置转子叶片被安装在其上的轴旋转。转子和定子被统称为一个级。通常多个这样的级被一个连接在另一个后面。
涡轮的涡轮叶片经受特定载荷。高负载需要高度耐负载的材料。因此涡轮叶片由钛合金、镍基超合金或钨-钼合金制成。叶片被涂层保护以更耐温度和侵蚀，例如点蚀，也被称为“点状腐蚀”。热屏蔽涂层被称为热障涂层或简称TBC。用于使叶片更耐热的进一步措施包括冷却管道的独创系统。这种技术被用于固定叶片和活动叶片内。
涡轮叶片通常具有铸入冷却管道，其以蛇形或曲折的方式穿过相应涡轮叶片行进它们的路，即两个冷却管道之间的壁在各自的端部被开口中断，通过该开口的冷却空气在相反方向，即第二管道的冷却空气的主方向被转向进入第二管道。这种冷却管道例如从EP1607 576A2中是已知的。在这里有时需要在两个蛇形通道之间的壁内提供附加的开口，被称为“冷却空气清新器(refresher)”，其作为部分旁通供给较新鲜空气，即较冷的空气，进入第二冷却空气管道的中间区域，以仍然在这里获得足够的冷却效果。然而，由于铸芯的稳定性原因，这可能也是必要的。
涡轮叶片的热负载目前限制了涡轮的效率，因为这些材料只允许有限的工作温度。然而高工作温度对卡诺效率具有积极作用。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种在开始时提及的类型的涡轮叶片，其允许改进的冷却空气效果，并且因此允许更高的工作温度和涡轮的更高效率。
根据本发明，这个目的是通过由转向(diverting)管道邻接的第二开口实现的，在进入第二冷却空气管道的区域内，其主方向基本上平行于第二冷却空气管道的主方向被对准。
在这里本发明是基于这样的构思，两个冷却空气管道之间的空气动力学旁路是由冷却空气清新器形成的，其能灵敏地扰乱冷却空气流，并因此可能会导致在涡轮叶片中的冷却问题。已经令人惊讶地发现的是，考虑到在一些情况下相邻冷却管道之间的大压差，冷却空气可以高达0.8Ma离开冷却空气清新器。这意味着，来自于冷却空气清新器的冷却空气的动量比沿着冷却空气管道中的主方向流动的其他冷却空气的动量大得多。流因此不转变成主方向，而是几乎不加制止地冲击在相对的壁上，并且只在冷却空气清新器的下游有限地可获得。为了抵消这个矛盾，应提供从冷却空气清新器到第二管道的主方向的冷却空气流的机械转向。这可以通过被转向管道邻接的冷却空气清新器的开口实现，所述转向管道对准平行于第二管道的主方向的冷却空气。
在一个有利的配置中，第二冷却空气管道是由具有多个冷却空气出口开口的涡轮叶片的外壁划界的。这是因为，特别是在冷却空气管道的情况下，该冷却空气管道直接毗邻叶片的外壁并具有用于薄膜冷却的出口开口，诸如例如在轮廓尖端的出口开口，存在这样的问题，即来自于冷却空气清新器的以大动量出现的冷却空气直接冲击在相对的出口开口上并流出那里。因此，几乎没有任何新鲜的冷却空气可以在冷却空气清新器的下游获得。因此，所描述的转向在这里特别有利。
在进一步有利的配置中，冷却空气管道的划界由壁的邻接第二开口的一部分形成。换句话说：转向管道平行于壁延伸，使得壁在第一冷却空气管道和转向管道之间形成划界。这使得在铸造过程期间特别容易的成形成为可能，因为相应的壁可被构造为直贯穿。
在又另一个有利的配置中，冷却空气管道的划界由壁的相对于彼此偏移的平行部分形成。在开口的近侧和远侧，壁的两部分因此以平行偏移的方式延伸超过开口，并因此部分重叠。其结果是，转向管道可通过壁的部分的简单延伸来形成，而无需额外的壁。
在涡轮叶片的第一有利配置中，壁的偏移在此情况下以这样的方式被带回到冷却空气管道的区域之外，即壁在冷却空气管道的区域之外沿直线延伸。换句话说：所述壁沿直线延伸，其中壁在开口的一侧上的部分被偏转并平行于壁的另一侧上的壁的另一部分被获得。因此，这部分在开口区域描述了S形，由此形成转向管道。
在第二替代有利配置中，所述壁通过第二开口不同和位于冷却空气管道的区域之外的部分沿彼此相距一定距离的平行直线延伸。这意味着，壁的在开口的近侧和远侧的两个部分彼此平行延伸，但不位于一条直线上。它们分别形成一条直线，其中，两条直线在冷却空气清新器的区域中重叠，从而形成用于冷却空气的转向管道。
在这种情况下，冷却空气管道的长度有利地大于其宽度。长度在这种情况下可以取壁的两个部分彼此平行延伸所沿的距离，而宽度由壁的两部分之间的距离形成。这确保了冷却空气的动量的足够转向发生并且垂直于主方向延伸的动量的分量被大大地消除。
用于涡轮的定子或转子有利地包括这样的涡轮叶片作为固定或活动叶片。
涡轮有利地包括这样的定子和/或转子。
涡轮在这种情况下被有利地设计为燃气涡轮。具体地在燃气涡轮中，热和机械负荷特别高，使得涡轮叶片的所述构造关于冷却，并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。
通过本发明实现的优点特别在于更均匀的冷却被实现，特别是在涡轮叶片的轮廓尖端，其通过冷却空气清新器内的冷却空气特定转向成预期冷却管道的流动方向实现。不存在冷却空气流的交叉，其结果是冷却空气清新器的数量也可以被增加，这继而增加了铸芯的稳定性，并因此带来了涡轮叶片生产的优点。冷却空气的改进传导具有冷却效果提高，同时冷却空气的消耗减少的效果。这提高了涡轮的效率。
附图说明
本发明的示例性实施例在附图的基础上被更详细地解释，附图中：
图1示出了穿过燃气涡轮的局部纵向剖面，
图2示出了活动叶片的轮廓，
图3示出了穿过活动叶片的纵向剖面，
图4示出了第一实施例中的冷却空气清新器，以及
图5示出了第二实施例中的冷却空气清新器。
在所有的附图中，相同的部分设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1以纵向局部剖面示出了涡轮100，在这里是燃气涡轮。燃气涡轮100内部具有转子103，其围绕旋转轴102(轴向方向)可旋转地安装，并且也被称为涡轮转子。沿着转子103彼此跟随的是进气壳体104，压缩机105，环形燃烧室110，涡轮108和排气壳体109，其中环形燃烧室特别是环状燃烧室106，其具有多个同轴布置的燃烧器107。
环状燃烧室106与环状热气管道111连通。在这里，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的流动方向上看到的，在热气管道111中，一排固定叶片115的后面是活动叶片120所形成的一排125。
在这种情况下，固定叶片130被固定到定子143，而排125的活动叶片120通过涡轮盘133装配至转子103。活动叶片120从而形成转子103的组成部分。联接到转子103的是发电机或机器(未示出)。
在燃气涡轮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的涡轮侧端被提供的压缩空气被传递到燃烧器107，并在那里与燃料混合。混合物然后在燃烧室110中燃烧，形成工作介质113。工作介质113从那里沿着热气管道111流动经过固定叶片130和活动叶片120。工作介质113在活动叶片120处膨胀，赋予其动量，从而使活动叶片120驱动转子103，而转子驱动联接到它的机器。
在燃气涡轮100工作时，暴露于热工作介质113的部件受到热应力。第一涡轮级112的固定叶片130和活动叶片120，如在工作介质113的流动方向上看到的，连同将环状燃烧室106排成一行的热屏蔽元件一起，经受最高的热应力。为了能够承受那里占优的温度，它们通过冷却剂被冷却。类似地，叶片120，130可以具有防腐蚀的涂层(MCrAlX；M＝铁、钴、镍、稀土)和耐热涂层(热障涂层，例如ZrO2，Y2O4-ZrO2)。
每个固定叶片130均具有面向涡轮108的壳体138的固定叶片根部(此处未示出)，和固定叶片头部，其位于固定叶片根部的相对端。固定叶片头部面对转子103并且被固定到定子143的密封环140。各密封环140由此包围转子103的轴。
在图2中，活动叶片120的轮廓以示例的方式被示出。该轮廓类似于飞机机翼。它具有圆形轮廓尖端144和轮廓后缘146。在轮廓尖端144和轮廓后缘146之间，延伸有活动叶片的压力侧148和吸力侧150。在压力侧148和吸力侧150之间被并入的是冷却空气管道152，其沿着活动叶片120延伸的主方向延伸，通向图2，并通过壁154彼此划界。
这里在轮廓尖端144的区域内提供的是冷却空气出口开口156，冷却空气可通过该出口开口出现，并且从而在活动叶片120的外侧形成保护冷却膜。在毗邻轮廓后缘146的冷却空气管道152内另外布置的是针状冷却主体158，其被称为“针鳍(pin fin)”，其通过位于冷却空气的横截面中的其表面提高从冷却空气到活动叶片120的热传递。
图3以纵向剖面示出了活动叶片120。在这里可以看到，邻接轮廓尖端144的三个平行冷却管道152经由开口160在各自的端部以这样的方式相连接，即它们形成曲折的共用管道。冷却空气K在图3的下端进入，并在该管道的端部在每一开口160分别被转向到相反的方向，并继续以这种方式沿着管道流动直到它最后出现在冷却空气出口开口156处。
在所述三个冷却空气管道152内，设置在活动叶片120的平坦外侧的是冷却肋162，其充当紊流器，并从而提高冷却效果。与此相反，面向轮廓后缘146的冷却空气管道152被分别连接，并且如上所述，具有冷却主体158。在图3中可以看出，冷却主体158形成栅格。
所述冷却结构已经基于活动叶片120的示例进行了说明。类似的冷却结构也可对应设置在固定叶片130中。下面所描述的壁154在两个冷却空气管道154之间的配置可类似地在那里被实现。
图4和图5分别示出了毗邻轮廓尖端144的冷却管道152和与其相邻的冷却管道152之间的壁154。考虑到通过冷却空气出口开口156的冷却空气K的出现，这里需要在壁152的中间区域的各个点处，即远离冷却管道152的端部，提供所谓的冷却空气清新器。这些冷却空气清新器基本上包括在壁152的中间区域内的开口164，使得壁被分成第一部分166和第二部分168。
冷却空气管道152之间的相当大的压力差的结果是，冷却空气K以大动量出现，通过开口164进入毗邻轮廓尖端144的冷却空气管道152。类似于图3，冷却空气K的流动主方向在图4和5中指向上方。为了使该冷却空气K不直接垂直于主方向流动进入与开口164相对的冷却出口开口156，在图4和5的示例性实施例中，分别邻接有转向管道170，其被平行于主方向对准。在转向管道170中的冷却空气K因而平行于毗邻轮廓尖端144的冷却空气管道152内的冷却空气K流动。
在图4的示例性实施例中，这是通过在开口164的区域内以S形的方式被偏移，并平行于第一部分166具有偏移地延伸的壁154的第二部分168实现的。在转向管道170区域之外，这两部分166，168在一条线上延伸。
在图5的示例性实施例中，两个部分166，168不在一条线上延伸，但彼此平行偏移。通过只有直线重叠，它们形成转向管道170。
在这两个示例性实施例中，转向管道170的长度大于其宽度，从而使冷却空气K的可靠转向得到保证。

Claims (11)

1.一种涡轮叶片(120，130)，其具有第一冷却空气管道(152)和第二冷却空气管道(152)，所述第二冷却空气管道(152)通过壁(154)从所述第一冷却空气管道(152)分隔开，所述第二冷却空气管道与所述第一冷却空气管道(152)相邻并具有主方向，
其中所述第一冷却空气管道和第二冷却空气管道(152)在各自的端部通过在所述壁(154)中的第一开口(160)彼此相连，
其中所述壁(154)具有第二开口(164)，所述第二开口在中间区域将所述壁(154)分为第一部分(166)和第二部分(168)，
其中所述第二开口(164)由转向管道(170)邻接，在所述转向管道进入所述第二冷却空气管道(152)的区域内所述转向管道的主方向被基本上平行于所述第二冷却空气管道(152)的主方向地对准。
2.如权利要求1所述的涡轮叶片(120，130)，其中所述第二冷却空气管道(152)由所述涡轮叶片(120，130)的外壁划界，所述外壁具有多个冷却空气出口开口(156)。
3.如权利要求1或2所述的涡轮叶片(120，130)，其中所述冷却空气管道(152)的划界由所述壁(154)的邻接所述第二开口(164)的所述第一部分(166)形成。
4.如权利要求1或2所述的涡轮叶片(120，130)，其中所述冷却空气管道(152)的划界由所述壁(154)的相对于彼此偏移的平行部分(166，168)形成。
5.如权利要求4所述的涡轮叶片(120，130)，其中所述壁(154)的偏移以这样的方式被带回到所述冷却空气管道(152)的区域之外，使得所述壁(154)在所述冷却空气管道(152)的区域之外沿直线延伸。
6.如权利要求4所述的涡轮叶片(120，130)，其中所述壁(154)的通过所述第二开口(164)不同的和位于所述冷却空气管道(152)的区域之外的所述部分(166，168)沿彼此相距一定距离的平行直线延伸。
7.如权利要求4所述的涡轮叶片(120，130)，其中所述冷却空气管道(152)的长度大于它的宽度。
8.一种用于涡轮(100)的定子(143)或转子(103)，具有如前述权利要求中的一项所述的涡轮叶片(120，130)。
9.一种涡轮(100)，其具有如权利要求8所述的定子(143)和/或转子(103)。
10.如权利要求9所述的涡轮(100)，其被设计为燃气涡轮(100)。
11.一种发电厂，其具有如权利要求9或10所述的涡轮(100)。
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