CN106574507A - 涡轮叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于涡轮机的涡轮叶片，涡轮叶片包括涡轮叶片壁(1)和流体通道(2)，流体通道(2)在通向冷侧的端部区域上具有入口通道区段(2a)，在通向涡轮叶片的热侧的端部区域上具有出口通道区段(2b)，并且在两者之间具有有着沿着其长度恒定的圆形或椭圆形横截面的中心通道区段(2c)，涡轮叶片与涡轮叶片壁的流过热气体的表面形成锐角，并且具有在入口通道区段和中心通道区段之间的具有比中心通道区段大的横截面面积的中间通道区段(2d)，其中中心通道区段通过在中心通道区段与中间通道区段之间形成肩面(5)而连接至中间通道区段，其中肩面形成在流体通道的壁区域上，而在相反的壁区域上，中间通道区段和中心通道区段以线性的方式相互融合，具有小的肩部高度。

Description

涡轮叶片

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于涡轮机的涡轮叶片。这种涡轮叶片从JP 206 307 842 A已知。

背景技术

涡轮机，特别是燃气涡轮(在广义上)具有燃气涡轮(在狭义上)，其中预先在压缩机中被压缩然后在燃烧室中被加热的热气体膨胀以产生功。为了热气体的高质量流并且因此为了高功率范围，燃气涡轮构造成轴向结构设计，其中燃气涡轮由在流通方向上串联的多个叶片环形成。叶片环具有布置在其圆周上的叶轮叶片和扩散器叶片，其中叶轮叶片紧固在燃气涡轮的转子上，并且扩散器叶片紧固在燃气涡轮的壳体上。

燃气涡轮中的热气体的入口温度越高，则燃气涡轮的热力效率越高。然而，涡轮叶片的热负载能力对入口温度的水平设定了限制。因此，目的是创建这样的涡轮叶片：即使在高热负荷的情况下，该叶片也具有用于燃气涡轮的操作的足够的机械强度。为此，涡轮叶片设置有昂贵的涂覆系统。为了进一步增加允许的涡轮机入口温度，在燃气涡轮的操作期间，涡轮叶片被冷却。在这种情况下，膜冷却构成用于冷却应力很高的涡轮叶片的非常有效而可靠的方法。在此，冷空气从压缩机排出并且被引导至设有内部冷却通道的涡轮叶片中。在从涡轮叶片的内侧对材料进行对流冷却之后，空气通过流体通道被引导到涡轮叶片的外表面上。在那里，空气形成沿涡轮叶片的外表面流动的膜，冷却涡轮叶片并且同时保护涡轮叶片免受热流破坏。

可以借助于槽喷射系统实现理想的膜冷却。由于从结构-机械的观点来看，这不能在涡轮叶片上实现，所以首先由于可制造性而使用圆柱形流体通道或甚至具有椭圆形横截面的流体通道。接近槽冷却的原理，还已知在流动通道的出口处扩大流动通道的横截面，即在其流出通道区段中以扩散器的方式扩大。在这种情况下，出口横截面增加一个确定因子。这导致冷却空气射流的扇出，与流动情况无关地这涉及射流脉冲的降低、较低的混合损失和较大的侧向覆盖。通常认为，成型孔导致在流体通道纵向轴线的区域中的有效性增加，并且总体上导致更好的侧向覆盖。

试验表明，流体通道或冷却通道中的冷却空气与通道的壁分离。如图14所示，这种分离特别是在流体通道的具有扩散器状设计的流出通道区段中发生，特别是在其下游壁区域上发生(如关于热气体的流动方向所观察的)，或在朝向冷气体侧的壁区域上发生。此外，试验已经表明，当流体通道暴露于通流时，发生涡流的形成，如图15所示。主要能够识别出四种不同的涡流结构。

环形涡流Ω1：冷却空气射流像一个倾斜的圆柱体作用在主流动上，并加速主流动。在面向上游和下游的侧面与冷却空气射流的上侧之间形成压力差，这导致补偿流。结果，形成环形涡流Ω1。冷却空气的排放边界层的旋转支持这种效果。

肾脏形涡流Ω2：肾脏形涡流是流体通道中出现的涡流对的结果。在排出的冷却流体射流与主流之间的自由剪切层中的摩擦力另外加强了旋转。

马蹄形涡流Ω3：马蹄形涡流Ω3出现在边界层流中垂直的圆柱体的停滞区中。在靠近壁处，边界层中的压力最小。与此相反，在主流边界层的外层中形成正压力梯度。边界层在压力最小值的方向上将壁与主流分开并且使壁抵靠主流滚动。接着发生的涡流位于围绕圆柱体的两侧。马蹄形涡流Ω3的旋转方向与相邻的肾脏形涡流Ω2的旋转方向相反，并且马蹄形涡流Ω3在单孔喷出期间在冷却空气射流下方侧向地延伸。

不稳定的涡流Ω4：不稳定的涡流与圆柱体的尾流中的卡曼涡流相当。涡流形成的原因是圆柱体的吸力侧上的边界层分离。不稳定涡流Ω4在已冷却的表面上垂直地发生。

因此，如果来自涡轮机的燃烧室的在涡轮叶片的外表面上的热气体与从流体通道排出的冷却流体的射流相遇，则热气体的流动围绕冷却流体射流分布，并且由于热气体在射流边缘上的作用而形成具有两个涡流臂Ω2的烟囱涡流。两个涡流臂Ω2中的每一个由一个涡流形成，其中涡流臂的两个内侧上的热气体的速度矢量指向远离外壁。

为了影响涡流的形成，已知以流体通道中的翅片或销的形式提供扰流子(参见WO2013/089255A1和US 2009/0304499A1)。

发明内容

目的是进一步提高膜冷却能力。因此，本发明的目的是创建一种用于涡轮机的涡轮叶片，其可以使用膜冷却而被有效地冷却。

根据本发明，该目的在开篇所述类型的涡轮叶片中通过权利要求1的特征部分实现。

根据本发明，因此设置成，中心通道区段邻接中间通道区段，从而形成位于它们之间并且垂直于流体通道的纵向轴线的肩部。可替代地，位于相对于流体通道的纵向轴线以α≠90°的角度例如大约45°倾斜的平面中的肩面可以形成在中间通道区段和中心通道区段之间的过渡区域中。在这种情况下，肩面形成在流体通道的壁区域上，而在相对的壁区域上，中间通道区段和中心通道区段以直线相互融合，即没有形成肩部。在这种情况下，流体通道的壁可以特别地在其整个长度上以直线延伸。然而，可替代地，这里也可以形成具有低的肩部高度的肩部。

肩面优选位于流体通道的面向热气体侧或冷气体侧的壁区域上。

根据本发明的一个实施例，在中心通道区段和流入通道区段之间设置有中间通道区段，该中间通道区段在其长度上具有恒定的、优选为圆形或椭圆形的横截面，其中中间通道区段的纵向轴线相对于中心流体通道区段的纵向轴线偏移并具体地是平行于中心流体通道区段的纵向轴线延伸。

已经表明，由于根据本发明进行的几何形状的改变，可以以这样的方式影响流体通道中的冷却流体的流动，即：流体通道中的局部流速被调节，使得一方面，在图15中示出的涡旋对Ω2反向旋转，并且另一方面，扩散器中的分离可以向上游侧移动，如图13所示。两个效应都具有对膜冷却效用的积极影响并且可以具体地影响冷却流体射流的侧向扩散。

已经表明，如果中心通道区段的横截面面积相对于中间通道区段小至少30％，特别是至少40％，优选是至少60％，则可以获得特别好的结果。

如果中心通道区段和中间通道区段各自具有圆形横截面，则中间通道区段的直径D和中心通道区段的直径d的比率优选地为D/d＝1.3至1.7，特别是D/d＝1.5。

流出通道区段可以以已知的方式设计有扩散器形式的加宽的横截面。在这种情况下，流体通道在其面向冷气体侧的壁区域上的壁在流体通道的纵向方向上延伸并且以直线与所述中心通道区段邻接。可替代地，能够设置成流出通道区段在其整个长度上具有恒定的、特别是圆形的横截面。在这种情况下，流出通道区段优选地与中心通道区段同心地延伸并且具有与中心通道区段相同的横截面。

附图说明

关于本发明的有利实施例，参考示例性实施例的以下描述。在图中：

图1示出了具有根据本发明设计的流体通道的涡轮叶片壁的纵截面图。

图2以纵截面图示出了图1所示的涡轮叶片壁的变型。

图3示出了沿图1中的线V-V的横截面图，其中可以看到中间通道区段和中心通道区段中的流体通道的横截面几何形状。

图4示出了沿图1中的线V-V的横截面图，其中示出了中间通道区段和中心通道区段中的流体通道的替代的横截面几何形状。

图5示出了根据本发明的具有根据本发明设计的另一流体通道的涡轮叶片壁的截面图。

图6示出了具有根据本发明的流体通道的第三实施例的涡轮叶片壁的截面图。

图7至图9以纵截面图示出了图6所示的涡轮叶片壁的变型。

图10示出了具有根据本发明的流体通道的第四实施例的涡轮叶片壁的纵截面图。

图11示出了沿图6和图10中的线A-A的横截面图，其中示出了中间通道区段和中心通道区段中的流体通道的横截面几何形状。

图12示出了在中间通道区段和中心通道区段之间的过渡区域中的图10所示的流体通道的三维视图。

图13示出了示意图，其示出了根据图1、图5和图6的流体通道的实施例中的扩散器中的冷却流体的分离位置。

图14示出了示出在具有扩散器的常规流体通道中的扩散器中的冷却流体的分离行为的示意图。

图15示出了示出圆柱形膜冷却孔的涡流形成的示意图。

具体实施方式

图1中以纵截面图示出了涡轮叶片壁1的细节，在涡轮叶片壁1中形成有流体通道2，冷却流体(例如冷却空气)能够通过该流体通道2从涡轮叶片的冷气体侧(在本示例中为涡轮叶片的内部)流向形成涡轮叶片的热气体侧的涡轮叶片壁2的外表面，其中热气体在涡轮叶片壁2的外表面上流动。流体通道2在其指向冷气体侧的端部区域上具有带流体入口3的流入通道区段2a，并且在其指向涡轮叶片壁1的热气体侧的端部区域上具有带流体出口4的流出通道区段2b，流出通道区段2b以扩散器的方式变宽；并且，流体通道2在流入通道区段2a与流出通道区段2b之间具有中心通道区段2c，中心通道区段2c限定流体通道2的纵向轴线X并且在其长度上具有恒定的圆形或椭圆形横截面。流体通道2的纵向轴线X与涡轮叶片壁1的流过热气体的表面一起包括在纵向轴线X与流体通道的流入侧上游侧上的表面之间测量的锐角。在流入通道区段2a与中心通道区段2c之间设置有中间通道区段2d，中间通道区段2d具有比中心通道区段2c大的横截面面积。在图1中可以看出，流入通道区段2a和中间通道区段2d被设计为通孔，使得中间通道区段2d以直线邻接流入通道区段2a，并且在其长度上具有恒定的横截面。

中间通道区段2d和中心通道区段2c之间的过渡区域是锐边设计，其中流体通道2在其面向冷气体侧的那侧上的壁沿直线延伸，并且在面向热气侧的相反的壁区域上，在中间通道区段2d与中心通道区段2c之间形成肩面5，并且肩面5垂直于流体通道2的纵向轴线X。然而，可替代地，如图2所示，也可以在面向冷气体侧的壁区域上在中间通道区段2d与中心通道区段2c之间形成肩面5，其中在相反的壁区域上，即在面向热气体侧的壁区域上，流体通道2的壁以直线延伸，即没有肩部形成。

在图3和图4中，可以清楚地看到从流体通道2的中间通道区段2d到中心通道区段2c的过渡。在根据图2的实施例的情况下，中间通道区段2d和中心通道区段2c在每种情况下都具有圆形横截面，其中中间通道区段2d的直径D显著地大于中心通道区段2c的直径2d。在所示的示例性实施例中，直径比D/d为约1.5。其结果是中心通道区段2c的横截面面积比中间通道区段2d小约55％。在流体通道2的下游壁区域上，中间通道区段2d以直线形式融入中心通道区段2c中，而在剩余的圆周区域中，肩面5形成在两个通道区段2d、2c之间。

在根据图4的实施例中，中间通道区段2d具有椭圆形横截面，而中心通道区段2c具有圆形横截面。由于中间通道区段2d的椭圆形设计，肩面5仅设置在流体通道2的上游壁区域上。

如果在操作期间流体通道2暴露于冷却流体(例如冷却空气)的通流，则在中间通道区段2d与中心通道区段2c之间的过渡区域中的锐边缩窄导致冷却流体流在以扩散器的方式变宽的流出通道区段2b中与热气流H的上游侧的流体通道的壁分离,如图13所示。如图13所示，作为其结果，冷却流体在离开流体通道2之后被最佳地施加到涡轮叶片壁1的外表面，以保护其免受在其上流动的热气体的影响。

在图5中示出了涡轮叶片壁1中的类似流体通道2。与图1所示实施例的唯一区别在于，流体入口3形成在从涡轮叶片壁1的内表面向内突出的带状缘(fillet)6的端面中，使得冷却流体在端面上进入流体通道2。

在图6中示出了涡轮叶片壁1中的流体通道2的另一实施例。以与根据图1的流体通道2相同的方式，其包括在涡轮叶片壁1的冷侧上的流入通道区段2a、在涡轮叶片壁1的热侧上的流出通道区段2b、位于流入通道区段2a和流出通道区段2b之间并且在其长度上具有恒定的圆形横截面的中心通道区段2c、以及形成在流入通道区段2a和中心通道区段2c之间的中间通道区段2d。流入通道区段2a和中间通道区段2d在这种情况下被设计成圆柱形孔的形式，该圆柱形孔的直径在其长度上是恒定的并且大于中心通道区段2c的直径。此外，由中间通道区段2d和流入流体通道2a限定的纵向轴线相对于中心通道区段2c的纵向轴线X偏移。具体地，实施布置使得在中间通道区段2d和中心通道区段2c之间，肩面5形成在流体通道2的指向冷气体侧的那一侧，而在相反侧，即在指向热气体侧的那一侧，中间通道区段2d和中心通道区段2c之间的过渡区域中的流体通道壁以直线延伸，因此在这种情况下发生从中间通道区段2d到中心通道区段2c的恒定过渡而没有形成肩部。与图1的实施例相反，肩面5不垂直于流体通道的纵向轴线，而是位于相对于纵向轴线X倾斜大约45°的平面内。过渡区域能够在图11的横截面图中看到。

作为对图5所示的实施例的替代，肩面也可以形成在流体通道2的指向热气体侧的壁区域上，而在相反侧(即指向冷气体侧的那一侧)，流体通道壁然后在中间通道区段2d与中心通道区段2c之间的过渡区域中以直线延伸。这种实施例示于图7和图8中。图7还揭示了肩面5所在的平面与朝向热气体侧的壁区域成<90°的角度，从而形成一种逆流。类似地，在图6所示的实施例中，肩面5也可以包括与朝向冷气体侧的壁区域成<90°的角度，从而形成逆流，如图9所示。

在图6所示的实施例中，流出通道区段2b以扩散器的方式设计。可替代地，如图10所示，流出通道区段2b也可以构成中心通道区段2c的延续。在这种情况下，流入通道区段2a和中间通道区段2d形成较大直径的孔，并且中心通道区段2c和流出通道区段2b形成较小直径的孔，其中这些孔偏移，使得在流体通道壁的下游侧的中间通道区段2d和中心通道区段2c之间的过渡区域中形成肩面5。

作为根据图6和10的流体通道2的实施例的结果，在操作期间实现了与根据图1和图4的流体通道2的实施例相同的效果。由于流体通道2在流入通道区段2a和中间通道区段2d中的直径增大，流体通道2中的冷却流体首先被减速，然后在倾斜肩面5的区域中被加速和偏转，使得在流体通道壁的上游侧的区域中发生冷却流体流的分离。

虽然已经通过优选示例性实施例详细地示出和描述了本发明，但是本发明不限于所公开的示例，并且本领域技术人员可以得出其他变型而不脱离本专利的保护范围。

Claims (12)

1.一种用于涡轮机的涡轮叶片，所述涡轮叶片具有涡轮叶片壁(1)，在所述涡轮叶片壁(1)中形成有至少一个流体通道(2)，冷却流体能够通过所述至少一个流体通道(2)从冷气体侧流到热气体流过的表面，即流到所述涡轮叶片壁(1)的热气体侧，并且其中所述至少一个流体通道(2)在其指向所述冷气体侧的端部区域上具有流入通道(2a)，在其指向所述涡轮叶片壁(1)的热气体侧的端部区域上具有流出通道区段(2b)，并且在所述流入通道区段(2a)与所述流出通道区段(2b)之间具有中心通道区段(2c)，所述中心通道区段(2c)具有沿其长度恒定的圆形或椭圆形横截面并且限定所述流体通道(2)的纵向轴线(X)，所述纵向轴线(X)与所述涡轮叶片壁(1)的流过热气体的表面包括锐角，其中在所述流入通道区段(2a)与所述中心通道区段(2c)之间，所述流体通道(2)具有中间通道区段(2d)，所述中间通道区段(2d)具有比所述中心通道区段(2c)大的横截面面积，其特征在于，所述中心通道区段(2c)邻接所述中间通道区段(2d)，形成位于所述中心通道区段(2c)与所述中间通道区段(2d)之间的并垂直于所述流体通道(2)的纵向轴线的肩面(5)，或者在所述中间通道区段(2d)与所述中心通道区段(2c)之间的过渡区域中形成位于相对于所述流体通道(2)的纵向轴线倾斜α≠90°的角度的平面内的肩面(5)，其中所述肩面(5)形成在所述流体通道(2)的壁区域上，而在相反的壁区域上，所述中间通道区段(2d)和所述中心通道区段(2c)以直线相互融合，即没有形成肩部，或者在这种情况下形成具有较低高度的肩部。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述中间通道区段(2d)具有沿其长度恒定的横截面。

3.根据权利要求2所述的涡轮叶片，其特征在于，所述中间通道区段(2d)具有圆形或椭圆形横截面，并且所述中间通道区段(2d)的纵向轴线相对于所述中心通道区段(2c)的纵向轴线(X)偏移。

4.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮叶片，其特征在于，所述肩面(5)形成在所述流体通道(2)的面向所述热气体侧的壁区域上。

5.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮叶片，其特征在于，所述肩面(5)形成在所述流体通道(2)的面向所述冷气体侧的壁区域上。

6.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮叶片，其特征在于，所述中心通道区段(2c)的横截面面积相对于所述中间通道区段(2d)小至少30％，特别是至少40％，优选是至少60％。

7.根据权利要求6所述的涡轮叶片，其特征在于，所述中心通道区段(2c)和所述中间通道区段(2d)各自具有圆形横截面，并且所述中间通道区段(2d)的直径(D)和所述中心通道区段(2c)的直径(d)的比率为D/d＝1.3至1.7，特别是D/d＝1.5。

8.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮叶片，其特征在于，所述流出通道区段(2b)设计成具有以扩散器的方式变宽的横截面。

9.根据权利要求8所述的涡轮叶片，其特征在于，所述流体通道(2)在其面向所述冷气体侧的壁区域上的壁在所述流体通道(2)的纵向方向上延伸并且以直线与所述中心通道区段(2c)邻接。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的涡轮叶片，其特征在于，所述流出通道区段(2b)在其整个长度上具有恒定的、特别是圆形的横截面。

11.根据权利要求10所述的涡轮叶片，其特征在于，所述流出通道区段(2b)与所述流体通道(2)的纵向轴线(X)同心地延伸并且特别地具有与所述中心通道区段(2c)相同的横截面。

12.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮叶片，其特征在于，所述涡轮叶片以精密铸造工艺制造。