CN105593471A - 涡轮机叶片内冷却通道的布置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涡轮机叶片内的多个冷却通道(6，7，9，11，12，13，14，15，16，17)的布置(1)，其用于输送冷却流体，其中，所述冷却通道(6，7，9，11，12，13，14，15，16，17)通过涡轮机叶片通向一个或多个冷却流体出口(18，19a-19g)，所述涡轮机叶片具有叶片根部(2)、叶片尖端(4)、前缘(3)和后缘(5)，其中所述冷却通道(6，7，9，11，12，13，14，15，16，17)在选定位置(8，10)彼此连接，并在其他区域彼此分离地延伸，使得在一个冷却通道(6，7，9，11，12，13，14，15，16，17)的区域内发生损伤涡轮机叶片的情况下，通过其他冷却通道(6，7，9，11，12，13，14，15，16，17)的冷却在很大程度上保持未受削弱，其中至少一个冷却通道开始于前缘(3)附近和叶片根部(2)附近的区域(8)内，并且作为对角通道(9)通过涡轮机叶片通往后缘(5)附近和叶片尖端(4)附近的区域(10)。

Description

涡轮机叶片内冷却通道的布置
技术领域
本发明涉及涡轮机叶片内冷却通道的布置。
背景技术
涡轮机叶片，特别是燃气涡轮机叶片是高负载组件。在操作中，在高转速下发生转动。因此，高机械强度是必要的。此外，特别是在燃气涡轮机叶片的情况下，在操作过程中产生高温。通常的情况是，驱动涡轮机叶片的气体混合物的较高温度对燃气涡轮机的效率具有积极作用。在这种情况下，为了防止过高的涡轮机叶片温度，涡轮机叶片被冷却。为此目的，冷却通道被经常布置在涡轮机叶片内部。
偶尔，涡轮机叶片通过撞击异物被损坏。这损坏的后果可能是来自冷却通道的空气的问题，并且有时大幅损害涡轮机叶片的冷却。这经常导致损坏的叶片不得不被快速更换。
US6382914B1公开了一种用于在涡轮机叶片内分配冷却流体的布置。这种布置在涡轮机叶片的内部空间内提供一排冷却通道，其平行于涡轮机叶片的前缘并平行于后缘延伸。至少一些冷却通道由对角通道相连。这样设计是为了提高冷却。
用于涡轮机叶片的其他冷却结构从文献JPS59231103A，FR1209752A、GB827289A和US3014693A中已知。
根据上述文献，特别是US6382914B1的布置，在涡轮机叶片损坏的情况下，可以一定的方式，有助于在一定程度上能够维持冷却，从而暗示地有助于冷却通道。这不是在文献中指定的，并且实际上仅根据下文描述的本发明被认可。
发明内容
本发明的目的是在发生冷却通道损坏的情况下进一步改善冷却。
这一目的是通过独立权利要求来实现的。有利的配置可以在从属权利中发现。
提出一种涡轮机叶片内的多个冷却通道，即至少两个冷却通道的布置，用于输送冷却流体。冷却流体通常是空气。
冷却通道通过涡轮机叶片引导到一个或多个冷却流体出口。
为此目的，涡轮机叶片一般具有叶片根部、叶片翼型尖端、前缘和后缘。
在这种情况下，冷却通道在特定点彼此连接并在其他区域彼此分离延伸，使得在一个冷却通道区域内发生涡轮机叶片损坏的情况下，通过其他冷却通道的冷却在很大程度上保持不受损害。
在现有技术中，通常的情况是冷却通道从叶片根部沿前缘延伸到叶片翼型尖端。由于该冷却通道损坏造成的泄漏导致在该位置处的冷却流体流出。这是有问题的，因为它会中断位于泄漏下游的那些区域内的冷却。
然而，如果来自该冷却通道的冷却流体被设计为进一步通过涡轮机叶片蜿蜒流过并提供冷却，它是特别成问题的。在发生泄漏的情况下，涡轮机叶片的冷却则基本上失效。
这个问题可以采用上面提出的概念被减小，根据上述概念，冷却通道在特定点彼此连接并在其他区域彼此分离。凭借在特定点的连接，冷却流体可以从一个冷却通道传递到另一个冷却通道。如果泄漏将要在连接上游的其他冷却通道内出现，则在没有连接的情况下下游的冷却将失效。该连接使得连接下游的冷却在很大程度上能够被维持。然而，在其他区域，也有必要将冷却通道彼此分离。在没有分离的情况下，如果发生泄漏，冷却流体可以不受阻碍地流动到泄漏处，使得冷却将会再次更显著地受损。但是，首先，在正常运行期间，也就是说当不存在泄漏时，具有通道结构，即，冷却通道的分离也是必要的以便实际上引导冷却流体通过整个涡轮机叶片。否则，冷却流体将沿从冷却流体入口到冷却流体出口的短路径流动。因此，始终有必要产生冷却通道之间的连接与分离区域之间的可接受的平衡。考虑到上述说明，本领域技术人员将能够实现大量不同的布置。
在这种情况下，一个重要的方面是，至少一个冷却通道开始于靠近前缘和靠近叶片根部的区域，并作为对角通道延伸通过涡轮机叶片进入靠近后缘并靠近叶片翼型尖端的区域。话虽如此，重要的是澄清对角通道不必必须起始于叶片根部或前缘，而仅仅是在该区域内。
然而，在叶片根部和前缘处开始不应被排除在外。这同样适用于对角通道的端部靠近后缘并靠近叶片翼型尖端。对角通道使得有可能容易地引导冷却流体进入涡轮机叶片的各区域，并确保各处的有效冷却。
在发生泄漏的情况下，甚至如上所述的布置也不能避免冷却受损，或甚至在各别区域失效。但是，总的来说，冷却流体的损失大大减少，并且在完整的叶片区域，冷却很大程度上得到保证。因此，机械稳定性和强度在很大程度上保持不受损伤。这允许损坏的涡轮机叶片继续运行。
即使长期仍然保持必须更换涡轮机叶片，如果这可以等待直到涡轮机的下一次安排的大修，这将是很大的优势。通常，升高的温度不会立即导致不再可接受的损坏涡轮机叶片，而仅在过热下角长的操作之后。
虽然说明主要关于转子叶片的冷却被选择，该转子叶片借助叶片根部附连到转子，设想的冷却概念原则上还可以用于导向轮叶。
在本发明的一个实施例中，规定了冷却通道被彼此连接，使得当该布置被流过时，冷却流体定期从一个冷却通道流入另一个冷却通道。但是，也可以设想仅在发生泄漏的情况下提供这种布置。为了有效通流的目的，已经证明正常操作期间也提供此布置是有利的。
在本发明的一个实施例中，冷却通道通过多孔板或呈多孔板方式的装置从涡轮机叶片的内壁分离，使得冷却流体可以基本上垂直于涡轮机叶片的内壁到达该内壁。这实现了所谓的冲击冷却。这是有效的，因为冷却流体在内壁处变成湍流并且一旦加热再次流走。如果冷却流体只是简单地流过涡轮机叶片的内壁，紧邻近壁形成相对较弱的流动的膜将是可能的。另外，仅仅在一个区域内被加热的冷却流体将被用于冷却其他区域。
在本发明的一个实施例中，至少一个冷却通道开始于叶片根部，在靠近涡轮机叶片的前缘的区域内。如从现有技术中也已知的布置的情况，由于结构原因，冷却流体的入口通常是在叶片根部。由于驱动涡轮机叶片的气体混合物在前缘处最热，就是在这里涡轮机叶片上的热负荷最高。因此冷却通道开始于前缘区域是权宜的。
在本发明的进一步的实施例中，两个冷却通道开始于叶片根部，在靠近前缘的区域内，并终止于靠近叶片根部的区域，它们在那里被彼此连接并连接到对角通道。这允许冷却流体从叶片根部的冷却流体入口传递到对角通道。如果冷却流体因为泄漏从上述其中一个冷却通道中流出，对角通道仍然可以通过其它冷却通道被供给有冷却流体。
在本发明的进一步的实施例中，其他冷却通道从对角通道分支，其中特别地，冷却通道在后缘的方向上分支和/或冷却通道在叶片翼型尖端的方向上分支。因此，可以在涡轮机叶片的整个区域中进一步优化冷却流体的分布。
在本发明的进一步的实施例中，在叶片翼型尖端的方向上延伸的上述冷却通道所通往的冷却通道，平行于叶片翼型尖端延伸。平行于叶片翼型尖端延伸的冷却通道在这种情况下可通往与对角通道相同的区域。
在本发明的进一步的实施例中，在后缘方向上分支的冷却通道基本上垂直于后缘延伸。可替代地或另外地，在叶片翼型尖端方向上延伸的冷却通道基本上平行于后缘延伸。这也用于进一步优化冷却流体的分布。这样做的目的总是在于，在一个位置的泄漏应尽可能少削弱涡轮机叶片的冷却。
在本发明的进一步的实施例中，冷却流体出口存在于后缘的区域内，冷却流体可以通过该出口从涡轮机叶片内的区域传递到涡轮机叶片外部的区域。因此，在后缘区域内有可能实现外壁的进一步冷却。已经离开的冷却流体可以可选地用于驱动另外的涡轮级。
在本发明的进一步实施例中，至少一个冷却流体出口存在于叶片根部，在后缘的区域内。冷却流体可以从冷却流体入口，其通常是在叶片根部处在前缘的区域内，流动通过涡轮机叶片并回流到后缘区域内的叶片根部。离开的冷却流体可以被重新使用用于冷却其他涡轮机叶片。
附图说明
在下文中，本发明将参照附图被更清楚的显示，所述附图示意性地示出了冷却通道的布置。所示出的是在燃气涡轮机叶片中的冷却通道的布置1。虽然为清楚起见，所选择的视图基本上仅示出了冷却通道，但涡轮机叶片的几何形状仍然将被首先呈现，以能够更好地解释冷却通道的路线。
具体实施方式
在底部是叶片根部2，涡轮机叶片借助叶片根部附连到转子。前缘3被显示在左侧。前缘3是首先遇到驱动涡轮机叶片的气体混合物的区域。叶片翼型尖端4在顶部被示出。后缘5被布置在右侧。涡轮机叶片不是平面的，而是弯曲的。在这种情况下，前缘3和后缘5可以是直的，但也可以是弯曲的。相比之下，叶片根部2和叶片翼型尖端总是弯曲的，如其余叶片区域。曲率归因于涡轮机叶片的空气动力学形状。
涡轮机叶片具有从前缘延伸到后缘的前壁(未示出)，和距前壁一定距离延伸并再次从后缘引导到前缘的后壁。在一般情况下，前壁和后壁之间的距离在前缘3和后缘5的区域内是非常小的，并朝向叶片中部增加。
现在描述冷却通道的布置。第一冷却通道6开始于叶片根部2并直接沿着前缘3延伸。在冷却通道6远离前缘3定向的一侧，与冷却通道6分离的另外的冷却通道7，远离叶片根部2延伸。冷却通道6和7通往区域8，所述区域8靠近前缘3并靠近叶片根部2定位。冷却通道6和7在那里彼此连接。此外，通往靠近后缘5并靠近叶片翼型尖端4的区域10的对角通道9开始于区域8。冷却通道11从区域8平行于叶片根部2延伸。冷却通道11通向平行于后缘5延伸的冷却通道12。对角通道9从靠近前缘3的区域8延伸到靠近后缘5的区域10，两个冷却通道13和14分支并平行于冷却通道11延伸，并通往冷却通道12。
此外，平行于前缘3延伸的两个冷却通道15和16从对角通道9分支。它们通往在叶片翼型尖端4附近平行于叶片翼型尖端4延伸的冷却通道17，并通向区域10中，在那里连接对角通道9。此外，区域10与沿着后缘5延伸的冷却通道12连接。冷却通道12在冷却流体出口18处通向叶片根部2。而且，冷却流体出口19a至19g存在于后缘5处。
如显而易见的，冷却通道6，7，9，11，12，13，14，15，16，17的布置1也可以被称为“枞树设计”。
在正常操作中，也就是说在没有泄漏的冷却过程中，流动方向用箭头表示。很明显，在许多冷却通道的一个中的泄漏通常会限制冷却但不完全中断冷却。
尽管本发明已经通过优选实施例的方式更详细地被描述和说明，本发明不受所公开的实施例的限制，本领域技术人员在不脱离本发明所保护的范围的情况下可以由此获得其他变型。

Claims (10)

1.一种涡轮机叶片内的多个冷却通道(6，7，9，11，12，13，14，15，16，17)的布置(1)，用于输送冷却流体，
其中所述冷却通道(6，7，9，11，12，13，14，15，16，17)通过所述涡轮机叶片通往一个或多个冷却流体出口(18，19a-19g)，所述涡轮机叶片具有叶片根部(2)、叶片翼型尖端(4)、前缘(3)和后缘(5)，
其中所述冷却通道(6，7，9，11，12，13，14，15，16，17)在特定点(8，10)彼此连接，并在其他区域彼此分离地延伸，使得在一个冷却通道(6，7，9，11，12，13，14，15，16，17)的区域内发生损伤涡轮机叶片的情况下，通过其他冷却通道(6，7，9，11，12，13，14，15，16，17)的冷却在很大程度上保持未受削弱，其中至少一个冷却通道开始于靠近所述前缘(3)和靠近所述叶片根部(2)的区域(8)内，并且作为对角通道(9)延伸通过所述涡轮机叶片进入靠近所述后缘(5)和靠近所述叶片翼形尖端(4)的区域(10)。
2.如权利要求1所述的布置(1)，其特征在于，所述冷却通道(6，7，9，11，12，13，14，15，16，17)彼此连接，使得当所述布置(1)被流经时，冷却流体从一个冷却通道(6，7，9，11，12，13，14，15，16，17)定期流动到另一个冷却通道(6，7，9，11，12，13，14，15，16，17)内。
3.如权利要求1或2所述的布置(1)，其特征在于，所述冷却通道(6，7，9，11，12，13，14，15，16，17)通过多孔板或呈多孔板方式的装置从所述涡轮机叶片的内壁分开，使得所述冷却流体基本上垂直于所述涡轮机叶片的所述内壁到达所述内壁。
4.如前述权利要求中的一项所述的布置(1)，其特征在于，至少一个冷却通道(6，7，9，11，12，13，14，15，16，17)开始于所述叶片根部(2)处，在靠近所述前缘(3)的区域内。
5.如前述权利要求中的一项所述的布置(1)，其特征在于，两个冷却通道(6，7)开始于所述叶片根部(2)处，在靠近所述前缘(3)的区域内，并终止于靠近所述叶片根部(2)的区域(8)内，并在该情况下被彼此连接并连接到所述对角通道(9)。
6.如前述权利要求中的一项所述的布置(1)，其特征在于，其他冷却通道(11，13，14，15，16)从所述对角通道(9)中分支，
其中冷却通道(11，13，14)尤其在所述后缘(5)的方向上分支和/或冷却通道(15，16)在所述叶片翼型尖端(4)的方向上分支。
7.如前述权利要求所述的布置，其特征在于，在所述叶片翼型尖端(4)的方向上延伸的冷却通道(15，16)所通往的冷却通道，平行于所述叶片翼型尖端(4)延伸。
8.如前两个权利要求所述的布置(1)，其特征在于，在所述后缘(5)的方向上分支的冷却通道(11，13，14)基本上垂直于所述后缘(5)延伸和/或在所述叶片翼型尖端(4)的方向上延伸的冷却通道(15，16)基本上平行于所述后缘(5)延伸。
9.如前述权利要求中的一项所述的结构(1)，其特征在于，冷却流体出口(19a-19g)存在于所述后缘(5)的区域中，在所述冷却流体出口处冷却流体从所述涡轮机叶片内的区域传递到所述涡轮机叶片外的区域。
10.如前述权利要求中的一项所述的布置(1)，其特征在于，至少一个冷却流体出口(18)存在于所述叶片根部(2)，在所述后缘(5)的区域内。
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