CN105683503B - 涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

发明涉及用于燃气涡轮(100)的涡轮叶片(120，130)，包括紧固区域(160)和平台区域(158)，平台区域邻接紧固区域并包括其上设置有具有异形截面且具有压力侧壁(148)和抽吸侧壁(150)的叶片翼型的平台(162)，其中压力侧壁(148)和/或抽吸侧壁(150)的各外侧面经由外倒圆部(166)过渡到平台表面内。涡轮叶片还包括布置在叶片翼型中并延伸到平台区域(158)内并在其中设置有将压力侧壁(148)连接至抽吸侧壁(150)的至少一个肋(154)的至少一个腔，所述肋沿叶片翼型的纵向延伸以将腔细分。使用技术简单手段使涡轮叶片具有较大使用寿命。这通过至少一个狭槽(168)被引入平台区域(158)中的肋(154)内来实现，所述肋穿过肋(154)并且在纵向方向上布置。

Description

涡轮叶片
技术领域
发明涉及用于燃气涡轮的涡轮叶片，包括：紧固区域和平台区域，平台区域邻接于紧固区域并且包括平台，具有异形截面且具有压力侧壁和抽吸侧壁的叶片翼型(airfoil)设置于平台上，其中压力侧壁和/或抽吸侧壁的外侧面各经由外倒圆部(rounded section)会合到平台表面内，并且包括至少一个腔，其布置在叶片翼型中并延伸到平台区域内并且在其中设置有将压力侧壁连接至抽吸侧壁的至少一个肋，所述肋沿着叶片翼型的纵向方向延伸，将腔细分。
背景技术
上面提到的类型的涡轮叶片被用在用以将热气流的能量转换成转动能量的燃气涡轮中。它们典型地具有由用于引导冷却空气的腔穿通的叶片翼型，其中腔以沿着纵向方向、即从平台远到叶片顶部的通道的方式延伸，并且通过肋彼此分开。肋因此从压力侧壁延伸至抽吸侧壁。
铸造涡轮叶片常常在叶片翼型与平台表面之间具有过渡区域，其借助于像中空喉部一样的倒圆部分将该区域中的压力侧壁和叶片侧壁加厚。在过渡区域中因此有材料的积聚，这也伴随着由叶片翼型的刚度上的跨阶。叶片翼型因此在平台的区域中比在叶片顶部的区域中刚硬。然而因此在平台的区域中特别地由肋引入的温度梯度引起了高的热应力，这限制了涡轮叶片的使用寿命并增加了在维护上的支出。
迄今为止用于此的解决途径存在于增强平台的区域中的绝热涂层中，但这增加了用于生产的技术支出并因此增加了成本。可替代地，已提出针对由肋进行的腔的细分安排成不延伸远到平台区域，抑或例如WO 2009/106462 A1中所提出的提供在该区域中的肋中的大的开口。然而，这仅仅将问题转移到其他区域上或者使得叶片内的冷却空气的引导性较差。
发明内容
因此发明的目的是指定一种借助于技术上简单的措施展现出较高使用寿命的在开头提到的类型的涡轮叶片。
根据发明，该目的通过至少一个狭槽被引入平台区域中的肋内来实现，狭槽穿过肋并且在纵向方向上布置。
发明基于如下想法：为了冷却空气的良好的引导性，应该提供涡轮叶片的平台区域中的没有大中断或缩短的肋。然而，该区域中的刚度应该被降低并且在这里发生的热梯度应该被去耦。这通过被引入肋内的、与热梯度成直角(即大致平行于压力侧壁和抽吸侧壁延伸)的狭槽是可能的。狭槽准许不同的热膨胀并且使具有不同热负载的单独区域去耦。在有利的细化中，穿过肋并且在纵向方向上布置的多个平行狭槽被引入平台区域中的所述肋内。
以该方式，刚度仍然被进一步降低并且热去耦被进一步加剧。另外，这准许了狭槽几何形状的对实际发生的应力负载的改进的适应性。
对燃气涡轮的操作中发生的应力负载的进一步适应性产生于有利地从中央开始在压力侧壁与抽吸侧壁之间减小的狭槽的长度。结果是在涡轮叶片的中央的刚度上的更强烈的降低。
在附加或可替代的有利的细化中，穿过肋的横向槽被布置在各个狭槽的长边端部上。与主狭槽一起形成T形状的这样的横向狭槽可以同样在关于热去耦的具体叶片几何形状上是有利的。借助于这样的布置，在某些情况下也可以省却多个平行狭槽的引入。
在有利的细化中，各个狭槽穿过肋的面对着紧固区域的端部边缘、即狭槽被从端部边缘开始引入。结果形成端部边缘的梳状的中断，这产生了在刚度上的期望的降低。
这里，端部边缘有利地被布置在平台区域与紧固区域之间。因此，平台区域中的单独冷却空气通道的仍然比较良好的细分是可能的。
用于涡轮的定子或转子有利地包括这样的涡轮叶片作为引导导叶或转子叶片。
涡轮有利地包括这样的定子和/或转子。
有利地，涡轮被设计为燃气涡轮。正是在燃气涡轮中热和机械负载特别高，使得所描述的涡轮叶片的配置提供了关于冷却并因此也是关于效率的特殊优点。
发电厂有利地包括这样的涡轮。
通过使用发明实现的优点特别地存在于如下事实中：作为在平台区域中在涡轮叶片的冷却通道划界的通道内引入的狭槽的结果，实现了刚度上的降低和热梯度的去耦。因此，热负载被降低，使得涡轮叶片中的应力负载整体上变低。这增加了使用寿命并且导致较低磨损和在维护上的降低的支出。同时，该措施要求比较少量的技术支出并且准许前述优点的经济实现。
附图说明
将通过使用附图更详细地说明发明的示例性实施例，其中：
图1示出通过燃气涡轮的局部纵向截面，
图2示出转子叶片的轮廓，
图3示出通过转子叶片的纵向截面，
图4示出具有狭槽的肋，狭槽有着横向狭槽，和
图5示出具有多个平行狭槽的肋。
相同部件在所有附图中设置有相同标号。
具体实施方式
图1示出在纵向局部截面中的涡轮100、这里是燃气涡轮。涡轮100是将流动的流体(液体或气体)的内部能量(焓)转换成转动能量并最终转换成机械驱动能量的流体机器。
燃气涡轮100在内部具有被安装成使得它可以围绕转动轴线102(轴向方向)转动的转子103，其也被命名为涡轮转子。沿着转子103，进气壳体104、压气机105、环面型(torus-like)燃烧室110、特别是具有多个同轴布置的燃烧器107的环形燃烧室106、涡轮108和排气壳体109依次设置。
环形燃烧室106与环状热气通道111连通。在那里，例如，一个接着一个连接的四个涡轮级112形成涡轮108。各涡轮级112由叶片的两个环形成。当在工作介质113的流动的方向上观察时，一排引导导叶115在热气通道111中跟着是由转子叶片120形成的排125。叶片120、130被以稍微弯曲的方式形成轮廓，类似于航空器机翼。
引导导叶130在这里被固定至定子143，而排125的转子叶片120借助于涡轮盘133被装配至转子103。转子叶片120因此构成转子103的部件。发电机或工作机器(未图示)被联接至转子103。
在燃气涡轮100的操作期间，空气135通过压气机105被吸入通过进气壳体104并且被压缩。在压气机105的涡轮侧端部所提供的压缩气体被带到燃烧器107并且在那里与燃烧剂混合。混合物接着在燃烧室110中燃烧，形成工作介质113。来自所述燃烧室的工作介质113经过引导导叶130和转子叶片120沿着热气通道111流动。
内部能量的一部分由可能围绕涡轮叶片120、130的最大程度无涡流的层流提取，并且被转移至涡轮108的转子叶片120。经由后者，转子103于是开始转动，作为其结果首先压气机105被驱动。可用的动力被输出至未图示的工作机器。
在燃气涡轮100的操作期间，暴露于热工作介质113的组成部件经受热负载。第一涡轮级112的引导导叶130和转子叶片120当在工作介质113的流动的方向上看时是除了给环形燃烧室106安里衬的热屏蔽块以外的最大承受热负载的那些组成部件。高负载使得极高耐用性的材料有必要。涡轮叶片120、130因此由钛合金、镍超合金或者钨钼合金制造。对于对温度和诸如例如“麻点腐蚀”(pitting corrosion)等的侵蚀的较高抵抗力，叶片由抵抗腐蚀的涂层(MCrAlX；M＝Fe、Co、Ni、稀土)和抵抗热的涂层(绝热层，例如ZrO2、Y2O4-ZrO2)保护。用于热屏蔽的涂层被称作热障涂层或者简称为TBC。使叶片更加耐热的进一步措施存在于复杂的冷却通道系统中。该技术被应用在引导导叶和转子叶片120、130两者中。
各引导导叶130具有面对着涡轮108的内部壳体138并且也被命名为平台的引导导叶根部(这里未图示)，和位于与引导导叶根部相反位置处的引导导叶头部。引导导叶头部面对转子103并且被固定至定子143的密封环140。各密封环140将转子103的轴围住。同样，各转子叶片具有这样的转子叶片根部，如下面的图3中进一步图示的，但终止在转子叶片顶部中。
转子叶片120的轮廓借助于图2中的示例示出。轮廓类似于航空器机翼的轮廓。它具有倒圆轮廓鼻部144和后轮廓边缘146。转子叶片120的凹形压力侧壁148和凸形抽吸侧壁150在轮廓鼻部144与后轮廓边缘146之间延伸。冷却空气通道152被引入压力侧壁148与抽吸侧壁150之间、沿着转子叶片120的通向图2内的纵向方向延伸并且通过肋154彼此定界。换言之：肋154将压力侧壁148与抽吸侧壁150之间的腔细分成冷却空气通道152。
图3示出从轮廓鼻部144的视角的在纵向方向上的转子叶片120。压力侧壁148和抽吸侧壁150被示出在叶片翼型区域156中。叶片区域156跟着是平台区域158和紧固区域160。布置在平台区域中的是已经提到的横向定向的平台162，其用于将转子103密封住以抵抗热气。紧固区域中的装配在平台162下方的是异形部，转子叶片120借助于该异形部被以舌槽连接的方式固定至转子103。
在压力侧壁148与抽吸侧壁150之间可以看到肋154。所述肋跨越叶片翼型区域156延伸并且与平台162的底面近似平齐地终止。其端部边缘164因此位于平台区域158与紧固区域160之间。冷却空气在图3的下端部处进入并因此被引导到由肋154划界的冷却空气通道152内。
压力侧壁148的和抽吸侧壁150的外侧面经由倒圆部166会合到平台162的表面内。作为所得到的高刚度和在该区域中的温度梯度的结果，出现了材料的特别高的负载。该问题通过根据图4和图5的肋154的配置、具体地通过被引入肋154内的狭槽168来解决。
图4示出具有在压力侧壁148与抽吸侧壁150之间的中央始发的、从端部边缘164延伸到肋154内的狭槽168的肋154的第一实施例。在其长度上，所述狭槽近似跨越平台区域158延伸。它在从轮廓鼻部144朝向后轮廓缘146的方向上将肋154完全穿通。在其内部肋端部处，狭槽168会合到平行于端部边缘164延伸的短的横向狭槽170内。
图5示出具有在端部边缘164上均匀分布的、从端部边缘164开始彼此平行地延伸到肋154内的五个狭槽168的可替代的实施例。狭槽168同样在从轮廓鼻部144到后轮廓边缘146的方向上将肋154完全穿通。中央的狭槽168最远地延伸到肋154内，而余下的狭槽168的延伸深度朝向压力侧壁148和抽吸侧壁150近似线性地减小。
原则上，狭槽168的进一步的布置是可能的并且应该在叶片120、130的实际应力负载的基础上选取。所描述的结构、特别是在平台区域158中的肋154的结构已通过使用转子叶片120的示例进行了说明。只是具有狭槽168的这样的结构也可以以相应的方式设置在引导导叶130中。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮(100)的涡轮叶片(120，130)，包括：紧固区域(160)和平台区域(158)，所述平台区域邻接于所述紧固区域并且包括平台(162)，具有异形截面且具有压力侧壁(148)和抽吸侧壁(150)的叶片翼型设置于所述平台上，
其中所述压力侧壁(148)和/或所述抽吸侧壁(150)的外侧面各经由外倒圆部(166)会合到平台表面内，
包括至少一个腔，所述至少一个腔布置在所述叶片翼型中并延伸到所述平台区域(158)内并且在其中设置有将所述压力侧壁(148)连接至所述抽吸侧壁(150)的至少一个肋(154)，所述肋沿着所述叶片翼型的纵向方向延伸，将所述腔细分，其中至少一个狭槽(168)被引入所述平台区域(158)中的所述肋(154)内，所述至少一个狭槽穿过所述肋(154)并且在所述纵向方向上布置。
2.如权利要求1所述的涡轮叶片(120，130)，
其中穿过所述肋(154)并且在所述纵向方向上布置的多个平行狭槽(168)被引入所述平台区域(158)中的所述肋(154)内。
3.如权利要求2所述的涡轮叶片(120，130)，
其中所述狭槽(168)的长度从中央开始在所述压力侧壁(148)与所述抽吸侧壁(150)之间减小。
4.如权利要求1-3中任一项所述的涡轮叶片(120，130)，
其中穿过所述肋(154)的横向狭槽布置在各个所述狭槽(168)的长边端部上。
5.如权利要求1-3中任一项所述的涡轮叶片(120，130)，
其中所述肋(154)具有面对所述紧固区域(160)的端部边缘(164)，
其中各个所述狭槽(168)穿过所述端部边缘(164)。
6.如权利要求5所述的涡轮叶片(120，130)，
其中所述端部边缘(164)被布置在所述平台区域(158)与所述紧固区域(160)之间。
7.一种用于涡轮的定子(143)或转子(103)，包括如前述权利要求中的一个所述的涡轮叶片(120，130)。
8.一种涡轮，包括如权利要求7所述的定子(143)和/或转子(103)。
9.一种如权利要求8所述的涡轮，其被设计为燃气涡轮(100)。
10.一种发电厂，包括如权利要求8或9所述的涡轮。
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