CN106089315A - 用于燃气涡轮的转子叶片 - Google Patents

Abstract

一种用于燃气涡轮(100)的转子叶片(1)，包括压力侧壁(2)和吸入侧壁(4)，顶端帽(6)，由压力侧壁(2)、吸入侧壁(4)和顶端帽的内表面(20、22、24)形成的腔室，径向地从压力侧壁(2)和吸入侧壁(4)延伸的声响器(8)，由顶端帽(6)的外表面和声响器(8)形成的半空间(10)，以及从腔室(18)引到声响器(8)的外侧的冷却通道(12)，转子叶片被设计成具有对声响器的更好的冷却同时具有大的稳定性和伺服寿命。为此，顶端帽(6)具有从半空间(10)延伸进顶端帽(6)内的凹部，使得凹部(16)将冷却通道(12)分割成与腔室(18)连通的第一部分(28)和与外侧空间(14)连通的第二部分(30)。

Description

用于燃气涡轮的转子叶片

技术领域

本发明涉及用于燃气涡轮的转子叶片，包括压力侧壁和吸入侧壁，顶端帽(tip cap)，由压力侧壁、吸入侧壁和顶端帽的内表面形成的腔室，和径向地从压力侧和吸入侧壁延伸的声响器(squealer)，由顶端帽和声响器的外表面形成的半空间，以及从腔室引到声响器的冷却通道。

背景技术

上述类型的转子叶片在燃气涡轮中用于将热气体流的能转换成旋转能。它们典型地具有叶片翼型，穿过叶片翼型通过一个或多个腔室，用于供给冷却空气，并且叶片翼型具有压力侧和吸入侧并且在其顶端经由顶端帽闭合。大多在顶端帽上布置周向声响器，其在径向上(相对于燃气涡轮的轴线)延伸并且在径向上延伸压力侧和吸入侧壁。

当前，涡轮转子叶片是通过一件式铸造并且由一种材料制造。它们通常在操作期间冷却以便保护叶片材料免受高气体温度并且防止叶片材料的氧化。用于涡轮叶片的久经考验且成功的冷却构造是内部冷却。在该背景下，液体或气体冷却流体(通常是从燃气涡轮压气机排放的空气)流入上述腔室。

这具有如下问题，所述的声响器具有相对薄的壁并且相对远离叶片内侧的冷却空气。为此，它特别地暴露至燃气流的高温。为了确保顶端区域的冷却，冷却通道从叶片内的腔室引导通过顶端帽，到声响器的外侧。冷却流体通过这些冷却通道流出，并且由此冷却声响器。这种布置例如从EP1057970B1中已知。

此外，EP1267041B1公开将中断冷却通道的凹部引入声响器的内侧(即面对半空间的一侧)。这的确改进了冷却效果。然而，具有减小声响器的稳定性的确定。这限制了凹部的可能长度。

发明内容

本发明当前目的是提供在上面简介中提到类型的转子叶片，其具有对声响器更好的冷却并且同时具有大的稳定性和伺服寿命。

根据本发明该目的通过如下方式来实现，顶端帽具有从半空间延伸进顶端帽内的凹部，使得凹部将冷却通道分割成与腔室连通的第一部分和与外侧空间连通的第二部分。

在该背景中，本发明基于如下考虑而做出，通过提供中断冷却通道但是不减小声响器的稳定性的凹部可以进一步增大转子叶片的伺服寿命。为此，凹部径向延伸到顶端帽并且由此不减小声响器的厚度。凹部延伸进冷却通道内，冷却通道从叶片内的腔室延伸到声响器的外侧，使得这些冷却通道被分割成第一和第二部分。

在这种情况下，第一部分有利地在凹部中具有出口开口和/或第二部分有利地在声响器的外侧上具有出口开口。因此，来自转子叶片的腔室的冷却流体流首先进入凹部，在该处对半空间的内部进行冷却。这里，冷却是高度有效的。只有这样之后，才通过第二部分流到声响器的外侧。归因于操作时占主流的压力差，在这种情况下没有流动逆流的危险，即没有热气体通过第二部分进入半空间。

在转子叶片的一个有利地配置中，冷却流体是线性(linear)的。对于整个冷却通道是这样的情况，即第一部分和第二部分位于共同的直线上。一方面，这允许冷却流体从冷却通道的第一部分到第二部分的更好的贯穿流。然而，另一方面，使得冷却通道特别简单地形成，并且特别地在一个操作中形成第一部分和第二部分两者，优选地借助激光钻孔。激光被安装在声响器的外侧，并且钻通凹部进入转子叶片内的腔室。

在转子叶片的另一个有利的实施例中，凹部以沿着转子叶片的压力侧壁或沿着吸入侧壁的槽的形式延伸。这实现特别均匀的冷却，由于冷却流体可以沿着槽的长度从冷却通道扩展，并且可以提供声响器的更均匀的冷却。针对凹部沿着吸入侧壁延伸，关于压力条件是特别的优点。

在该情况下，有利地，凹部的侧壁直接转变(transition)成压力侧或吸入侧的内侧。一方面这允许特别简单的铸造模具，另一方面进一步提高了冷却流体在声响器上的凹部或槽中的冷却效果。

在一个有利的配置中，转子叶片具有从腔室引至声响器的外侧的多个冷却通道，并且凹部将多个冷却通道中的每个分成与腔室连通的第一部分和与外侧空间连通的第二部分。在该背景下下，冷却通道是相同的。这种类型的多个冷却通道的提供进一步提高了冷却效果。

用于燃气涡轮的转子有利地包括这种转子叶片。

燃气涡轮有利地包括这种转子。

发电厂有利地包括这种燃气涡轮。

利用本发明获取的优点特别地在于，在顶端帽中形成引至声响器的将冷却通道分割的径向凹部实现特别好的冷却效果，并且同时实现声响器的高稳定性。无论在转子叶片制造期间的可能的铸造差异如何，凹部用于确保冷却流体出口。此外，冷却流体遭受较小压力损失。借助排放至半空间的冷却通道排放至凹部并且由此更好地免受外部热气体的事实，也增大了伺服寿命。

附图说明

将参照附图更详细地说明本发明的示例性实施例，图中：

图1是第一实施例的转子叶片的顶端从径向的视图，

图2示出从图1的转子叶片的顶端区域沿着线I-I的截面，

图3示出第二实施例的转子叶片的顶端区域的截面，和

图4示出通过燃气涡轮的局部纵向截面。

在所有图中，相同的部件用相同的附图标记标识。

具体实施方式

图1是转子叶片1从径向外侧方向的视图。该转子叶片具有压力侧壁2、吸入侧壁4和在转子叶片1的径向端部处的顶端帽6。在转子叶片1内，顶端帽6的内表面以及压力侧壁2和吸入侧壁4的内表面形成腔室(这里未示出)。冷却流体(通常是引自涡轮的压气机的空气)在腔室内循环并且从内侧通过对流来冷却压力侧壁2和吸入侧壁4。

图1特别地示出转子叶片1的顶端区域，转子叶片包括保护叶片的顶端区域在与燃气涡轮的壳体接触的情况下免受伤害的声响器8。声响器8在相同的周向高度处径向地从压力侧壁2和吸入侧壁4延伸。声响器8与顶端帽6一起形成半空间10。

多个冷却通道12从转子叶片内的腔室延伸通过声响器8到声响器的面对外侧空间14的一侧。这在图1中未示出，并且由图2更清楚地示出。冷却流体流动通过这些冷却通道12并且通过内部冷却来冷却声响器8。冷却流体然后从冷却通道12通过在外侧的出口开口流出，通过在其外部附近流动而冷却声响器8，并且最终与燃气涡轮的泄露流混合。

凹部16被引到顶端帽6，凹部径向向内延伸并且以平行于吸入侧壁4的槽的形式。凹部16分割靠近吸入侧壁14的冷却通道12。这在下面参照图2说明。

图2示出具有压力侧壁2和吸入侧壁4的转子叶片1的顶端区域沿着线I-I的截面。从这里明显地，转子叶片1中的腔室18分别由压力侧壁2和吸入侧壁4的内表面20、22和顶端帽6的内表面24形成。冷却通道12如所示地从腔室18延伸到声响器8的外侧。它整个是线性的并且通过激光钻孔来引入。冷却通道12被凹部16分割成第一部分28和第二部分16，第一部分从腔室18延伸至凹部16中的出口开口32，第二部分从凹部16延伸至在声响器8的外侧的出口开口34。

图1所示的所有的冷却通道12是相同的并且由此排放到凹部16内。在当前的示例中，凹部16被设计成最方便地通过铸造来制造的圆角或弯曲侧壁。

将仅就与图2所示的不同方面来说明如图3示出的第二实施例，该实施例具有矩形凹部16，最经济地借助毛刺去除成型(chip-removing shaping)来制造。从冷却流体流的角度和冷却的有效性的角度看，两种形状均适合。在图3的实施例中，凹部16的一个侧壁36直接转变成在吸入侧壁4上的声响器8的内侧38，也是这样的情况。

最后，图4示出通过燃气涡轮100的局部纵向截面。涡轮是将流动流体(液体或气体的)内部能(焓)转换成旋转能并且最终转换成机械驱动能的涡轮机。

在内部，燃气涡轮100具有转子103，其被安装成使得绕旋转轴线102(轴向)旋转，并且也被成为涡轮转子。进气壳体104、压气机105、具有多个同轴布置的燃烧器107的环状燃烧室110(特别是环形燃烧室106)、涡轮108和排气壳体108沿着转子103顺次布置。

环形燃烧室106与环形热气管道111连通。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。在工作介质113的流动方向上看，在热气管道111中，定子叶片115的排后跟随由转子叶片1形成的排125。叶片120、130具有稍微弯曲的轮廓，与飞机翼型类似。

在该背景中，定子叶片130被紧固至定子143，而转子叶片120的排125借助涡轮盘133被装配到转子103。转子叶片1由此是转子或线轴103的构成部件。发电机(未示出)耦合至转子103。

在燃气涡轮100操作时，压气机105通过进气壳体104吸入空气135，并且将其压缩。在压气机105的涡轮侧端部处提供的压缩的空气被传递至燃烧器107，在这里与燃料混合。混合物然后在燃烧室110中燃烧，形成工作介质113。由此，工作介质113沿着热气管道111经过定子叶片130和转子叶片1。

随着流体流围绕着涡轮叶片1、130流动时(尽可能地没有湍流和层流)，由此提取流体流的内部能的一部分并且被涡轮108的转子叶片1取得。这些于是将转子103设置为旋转，首先驱动压气机105。有用的功率被提供至发电机(未示出)。

在燃气涡轮100操作时，暴露至热工作介质113的部件遭受热应力。第一涡轮级112的定子叶片130和转子叶片1在燃气涡轮100的操作期间，在工作介质113的流动的方向上看，与内衬环形燃烧室106的热屏蔽瓦一起遭受最大热应力。高负载需要极耐用的材料。涡轮叶片1、130因此由钛合金、镍超合金或者钨钼合金制造。为了增大它们对温度和麻点腐蚀的抵抗力，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。用于热保护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。该技术被应用在定子叶片和转子叶片1、130两者中。

各定子叶片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定子叶片根部(这里未图示)，和位于与定子叶片根部相反位置处的定子叶片头部。定子叶片头部面对转子103并且被固定至定子143的密封环140。在该背景下，各密封环140将转子103的轴围住。同样，各转子叶片1具有这样的转子叶片根部，但终止在转子叶片顶端中。该顶端根据图1-图3所示的实施例构造。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮(100)的转子叶片(1)，

包括压力侧壁(2)和吸入侧壁(4)，顶端帽(6)，由所述压力侧壁(2)、所述吸入侧壁(4)和所述顶端帽的内表面(20、22、24)形成的腔室，径向地从所述压力侧壁(2)和所述吸入侧壁(4)延伸的声响器(8)，由所述顶端帽(6)的外表面和所述声响器(8)形成的半空间(10)，以及从所述腔室(18)引到所述声响器(8)的外侧的冷却通道(12)，

其特征在于，

所述顶端帽(6)具有从所述半空间(10)延伸进所述顶端帽(6)内的凹部，使得所述凹部(16)将所述冷却通道(12)分割成与所述腔室(18)连通的第一部分(28)和与外侧空间(14)连通的第二部分(30)。

2.根据权利要求1所述的转子叶片(1)，其中所述第一部分(28)具有在所述凹部(16)中的出口开口(32)。

3.根据前述权利要求之一所述的转子叶片(1)，其中所述第二部分(30)具有在所述声响器(8)的外侧上的出口开口(34)。

4.根据前述权利要求之一所述的转子叶片(1)，其中所述冷却通道(12)是线性的。

5.根据前述权利要求之一所述的转子叶片(1)，其中所述凹部(16)以沿着所述转子叶片(1)的所述压力侧壁(2)或沿着所述吸入侧壁(4)的槽的方式延伸。

6.根据权利要求5所述的转子叶片(1)，其中所述凹部(16)的一个侧壁(36)直接转变成所述声响器(8)的内侧(38)。

7.根据权利要求5或6所述的转子叶片(1)，具有从所述腔室(18)引至所述声响器(8)的外侧的多个冷却通道(12)，并且其中所述凹部(16)将所述冷却通道(12)中的每个分割成与所述腔室(18)连通的第一部分(28)和与外侧空间(14)连通的第二部分(30)。

8.一种用于燃气涡轮(100)的转子(103)，包括根据前述权利要求之一所述的转子叶片(1)。

9.一种具有根据权利要求8所述的转子(103)的燃气涡轮(100)。

10.一种具有根据权利要求9所述的燃气涡轮(100)的发电厂。