CN106715833B - 涡轮叶片和涡轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮叶片(1)，具有内部被冷却的涡轮叶片翼型(3)，其中中空空间(10)由肋元件(11，12)分成载运冷却剂的至少一个冷却管道(13)，其中在肋元件(11，12)中的至少一个中，布置有用于产生分离裂口(30)的部件(33)，分离裂口(30)至少部分地在至少一个肋元件(11，12)的纵向方向(29)上延伸。

Description

涡轮叶片和涡轮

技术领域

本发明涉及具有内部被冷却的涡轮叶片翼型的涡轮叶片，其中腔被肋元件分成载运冷却剂的至少一个冷却管道。

本发明进一步涉及具有包括多个涡轮叶片的至少一个涡轮级的轮机、特别是燃气轮机。

背景技术

通用类型的涡轮叶片、还有轮机和燃气轮机是从现有技术已经众所周知的。

往往，这样的涡轮叶片配备有内部被冷却的涡轮叶片翼型，以便能够在热和机械方面甚至承受轮机中(特别是热燃气轮机中)的热盛行温度。正是在热燃气轮机中，涡轮叶片往往经受相对高的热和机械负载，在这里无关紧要的是，涡轮叶片是轮机的引导导叶还是转子叶片。为了允许涡轮叶片的改进的冷却，根据EP1 757 773A1，这样的内部被冷却的涡轮叶片翼型具有冷却剂可以通过的中空空间。在该中空空间中，通常另外布置了进一步的肋元件或多个肋元件，以便在中空空间中形成具有往往是曲折的冷却管道路径的至少一个冷却管道。特别是，如果涡轮叶片翼型的前侧面和涡轮叶片翼型的后侧面在热方面没有很好地平衡，则涡轮翼型叶片的这样的前侧壁和相应的后侧壁两者可能会在加强涡轮叶片翼型的肋元件的区域中经受高的热机械负载。这可能会造成在涡轮叶片翼型上出现局部临界应力状态，由此涡轮叶片在一些区域经受特别不利的负载状态，这可能会导致在这些区域随时间推移的更迅速的材料疲劳。在这里，特别地，还可能提到在肋元件与涡轮叶片翼型的前或后侧壁之间的过渡区域。

发明内容

本发明的目的是进一步发展通用类型的涡轮叶片以便克服至少上述缺点。

本目的通过一种涡轮叶片来实现，其具有内部被冷却的涡轮叶片翼型，其中中空空间由肋元件分成载运冷却剂的至少一个冷却管道，在肋元件中的至少一个肋元件中布置有用于创建分离裂口(separating tear)的部件，所述分离裂口至少部分地在至少一个肋元件的纵向方向上延伸。换言之，肋元件包括分离裂口发起装置。

可以以特别简单的方式在肋元件中创建分离裂口，如果出于该目的，则在相关的肋元件中引入用于创建分离裂口的相应部件。这可以造成在肋元件内的已经很好地在纵向方向和横向方向上预限定的分离裂口的路线。

归因于根据本发明的肋元件的该至少部分可实现的分离，特别地可以显著地降低热机械引起的应力，尤其是在肋元件与涡轮叶片的在其前和后侧的外壁(即前侧壁和后侧壁)之间的过渡区域中，或者甚至在肋元件自身内，结果是可以使这样的临界区域中的材料疲劳相应地有利延迟。

特别地，可以在涡轮叶片翼型的临界区域中显著地降低作为涡轮叶片翼型的抽吸侧与压力侧之间的温度差的结果而引起的热机械应力。

选择性创建的分离裂口以如下方式有利地形成：允许在肋元件内、在实际肋元件与涡轮叶片翼型的前侧壁和/或与涡轮叶片翼型的后侧壁之间的过渡区域中、而且还在涡轮叶片翼型的实际外壁中改进的应力分布。这可以造成特别地在肋元件端部周围的关键区域中而且还在肋元件自身内实现至少10％的或优选超过20％或25％的应力降低。

在本发明的范围内，术语“材料疲劳”特别地覆盖疲劳裂纹形成，后者尤其由叶片翼型材料的热机械疲劳引起。

在该背景下，应特别提到与低数量的负载交替有关的LCF疲劳(低循环疲劳)、即短期或低负载交替疲劳。

在任何情况下，如果根据本发明在肋元件上设置相应合适的分离裂口，则可以在本情况中相当大量地增加可实现的负载交替的数量，并因此尤其是可以显著地降低早期LCF疲劳的风险。已表明，作为在肋元件内的根据本发明的分离裂口的结果，可以显著地增加涡轮叶片的相关LCF寿命预期。

因而，在本情况中，相关的肋元件通过分离裂口以如下方式配置：使得可以降低在涡轮叶片翼型内出现的热机械应力并因此还可以减少相关的材料疲劳。

有利地，在该情况中，分离裂口不会损害肋元件所执行的实际分离功能，或者至少仅损害至可忽略地小的程度，布置在中空空间中的肋元件相对于具有多个盘绕的冷却管道执行该实际分离功能。

此外，同样已发现，肋元件内的专门设计的分离裂口不会不利地影响涡轮叶片翼型的稳定性。

实际上，涡轮叶片的使用寿命在本情况中增加，因为各个肋元件归因于分离裂口而被相当大量地减轻了负载。

清楚的是，这样的分离裂口可以仅设置在形成冷却管道的一个肋元件处，或者在划界冷却管道的多个肋元件处。

在本发明的范围内，用于创建分离裂口的部件可以以各种方法配置。

在构造方面，如果用于创建分离裂口的部件包括材料弱化部、特别是缺口，则可以以特别简单的方式提供创建部件。

这样的材料弱化部可以是非常不同类型的。优选的是，它是形成在肋元件中的缺口。

肋元件上的起到良好功能的裂口起始点或线型裂口起始区域可以通过创建部件并且尤其是借助于材料弱化部而以结构简单的方式来形成。

材料弱化部或缺口可以形成为在肋元件的头部侧上的裂口起始点或者形成为沿着肋元件的纵向限度的裂口起始线。

在本情况中，用于创建分离裂口的部件因此形成起始辅助部件，分离裂口从该起始辅助部件在纵向方向和/或横向方向上在肋元件上扩散开。

此外，创建部件也可以由布置在铸芯上的销来提供，借助于该销当铸造时在肋元件的端部做出缺口。在涡轮叶片铸造之后，将销与铸芯一起去除。缺口接着用作用于分离裂口的裂口起始点，分离裂口仅能够在当存在有充分大的机械负载时的操作期间形成并接着继续沿着肋生长。

在本情况中，裂口原点的定位因此可以通过缺口的位置来预限定。

累加地或可选地，如果用于创建分离裂口的部件以在头部侧被驱动到至少一个肋元件内的方式布置，则在构造方面并且特别是还在工艺工程中以简单的方式实现用于创建肋元件上的分离裂口的部件。

显然，在本发明的范围内提供的用于创建分离裂口的本部件可以累加地或可选地通过非常不同的形式的元件来提供。

如果用于创建分离裂口的部件包括楔元件或轴元件，则相应地配置的用于创建分离裂口的部件因此可以被以特别简单的方式引入或驱动到肋元件内。

根据本发明的另一方面，本发明的目的还通过一种涡轮叶片来实现，其具有内部被冷却的涡轮叶片翼型，其中中空空间有肋元件分成载运冷却剂的至少一个冷却管道，肋元件中的至少一个肋元件包括用于在至少一个肋元件中创建预定断裂点的部件，以便产生至少部分地在至少一个肋元件的纵向方向上延伸的分离裂口。

如果相关的肋元件包括用于在肋元件中创建预定断裂点的这样的部件，则可以以特别精确指定的方式来创建在肋元件的纵向方向上的分离裂口的路线。分离裂口因此在预限定的纵向方向和预限定的纵向方向两者甚至更精确地延伸穿过肋元件。

如果用于创建预定断裂点的部件包括在至少一个肋元件内的材料弱化部或多个材料弱化部则是有利的。

材料弱化部并因而也是预定断裂点例如在肋元件的纵向方向被以线型的方式配置，使得分离裂口可以沿着肋元件以相应限定的方式发展。

在本情况中，用于创建分离裂口的部件形成可选起始辅助部件，分离裂口从该可选起始辅助部件在横向方向上在肋元件上扩散开。

该线型材料弱化部或预定断裂点可以例如在构造方面以特别简单的方式形成为在纵向肋元件侧上的缺口。

作为线型材料弱化部的可选方案，预定断裂点也可以通过例如在纵向肋元件侧上沿着肋元件的纵向限度以线性方式一个接一个地布置的多个点状材料弱化部来形成。

如果用于在至少一个肋元件内创建预定断裂点的部件布置在至少一个肋元件的两侧上，则可以在肋元件内甚至更精确地创建分离裂口的路线。

此外，如果分离裂口沿着至少一个肋元件的长度的超过一半或超过三分之二延伸、优选地沿着至少一个肋元件的整个长度延伸，则是有利的。即使仅部分沿着肋元件形成分离裂口，也可以实现在肋元件的区域中的前侧壁和后侧壁的充分的脱离。

因此如果分离裂口从肋元件第一侧面延伸至位于肋元件第一侧面相反侧的肋元件第二侧面则也是有利的。

在这里，分离裂口横跨基本上垂直于肋元件侧面中的至少一个布置的分离裂口平面。因此该分离裂口平面具有与涡轮叶片翼型的外壁近似相同的取向。

本发明的目的还通过一种轮机、特别是燃气轮机来实现，其具有包括多个涡轮叶片的至少一个涡轮级，至少一个涡轮级包括涡轮转子叶片和/或涡轮引导导叶，涡轮转子叶片和/或涡轮引导导叶是根据这里所描述的特征中的一个的涡轮叶片构造的。

涡轮叶片较少受到材料疲劳影响或损害的轮机不仅可以以较低维修要求用更加操作可靠的方式来操作，而且还进一步具有总体更长的使用寿命，并且因此可以更加成本效益地操作。

肋元件被有利地以如下方式来构造：使得分离裂口在轮机的启动期间创建，也就是说通过肋元件总体具有如此薄的肋元件横截面以致于归因于本发明的范围内的分离裂口，使得在轮机的操作期间迟早会发生裂口。

理想地，由于用于创建分离裂口的部件和/或用于创建预定断裂点的部件而在启动期间发起分离裂口。

在任何情况中，当轮机操作时，可以有利地在肋元件内创建分离裂口。

显然，上面所描述的和权利要求中的解决方案的特征也可以组合，以便能够以相应累加的方式来实现优点。

将基于随附附图和随后的描述来说明本发明的进一步的特征、效果和优点，其中通过示例的方式，图示出并描述了具有布置在涡轮叶片翼型内的肋元件的涡轮叶片翼型，所述肋元件划界了冷却管道并且根据本发明被分开。

附图说明

附图中：

图1以纵向截面示意性地示出具有划界冷却管道的肋元件的涡轮叶片翼型的中空空间的局部视图，其中肋元件内的分离裂口在纵向方向上走向；和

图2示意性地示出图1所示肋元件在肋元件端部上的头部侧的区域中的侧视图，在该区域处布置了用于创建分离裂口的部件。

具体实施方式

图1中至少部分示出的涡轮叶片1是热燃气轮机(这里未示出)的引导导叶2。

涡轮叶片1具有内部被冷却的涡轮叶片翼型3，涡轮叶片翼型3的前侧壁5的内侧4被至少部分示出在图1的图示中。涡轮叶片翼型3的前缘区域6位于右手侧。涡轮叶片翼型3的后缘区域7相应地位于左手侧，在其上存在有多个冷却空气出口8(这里仅仅作为示例进行编号)。

在任何情况中，涡轮叶片翼型3具有中空空间10，该中空空间10在根据图1的图示中图示为仅部分地通过内侧4。

在根据图1的图示中，还可以看到位于中空空间10中的两个肋元件11和12，借助于这两个肋元件11和12在中空空间10内形成冷却管道13，冷却管道13具有曲折的冷却管道路径，具有多个盘绕。沿着盘绕的冷却管道13，或其曲折的冷却管道路径，充当冷却剂的冷却空气可以被引导通过涡轮叶片翼型3以便从内侧冷却涡轮叶片翼型。

在部分示出的冷却管道13的情况中，来自涡轮叶片根部15的根部区域的冷却空气流过涡轮叶片翼型3，冷却空气的一部分进一步沿方向16到达涡轮叶片翼型顶部18的区域17。

盘绕的冷却管道13的曲折的冷却管道路线在所示局部视图的区域中至少由两个肋元件11和12形成，第一肋元件11在物理上将两个冷却管道区段彼此分离。

如根据图1的图示中所示，第一肋元件11以在冷却管道13中悬置的肋元件端部24而结束，，所述肋元件端部24由第一肋元件11的头部侧23限定。

在肋元件11和12(特别是在肋元件端部24)的周围区域中，存在有临界应力状态的风险。这特别适用于在第一肋元件11与涡轮叶片翼型3的前侧壁5和/或与涡轮叶片翼型3的后侧壁之间的过渡区域，在那里的相关应力能够造成增加的材料疲劳。

因而，特别地，如根据2的图示中指示的，肋元件11在其纵向方向29上至少部分由分离裂口30分成被紧密结合地连接至涡轮叶片翼型3的前侧壁5的纵向肋元件半部31，和被紧密结合地连接至涡轮叶片翼型3的后侧壁(未示出)的另一纵向肋元件半部32。归因于延伸穿过肋元件1的该分离裂口30，特别地可以显著降低涡轮叶片翼型3内的热机械应力，作为其结果也降低了在周围区域的过早材料疲劳的风险。

为了能够以构造简单的方式在肋元件11上创建分离裂口30，用于创建至少部分地在肋元件11的纵向方向29上延伸的分离裂口30的相应部件33呈楔元件34形式布置在头部侧23上。部件33如上面已经进一步提到的也可以称为分离裂口发起装置。

在这里楔元件34已被插入穿过存在于涡轮叶片1中的功能开口(但是这里未示出)并且在该过程中被锤入肋元件11的头部侧23内。

为了使肋元件11上的分离裂口30的路线精确，在该示例性实施例中在肋元件11上另外实现了用于创建呈缺口39形式的预定断裂点36的另一部件35，预定断裂点36在肋元件侧面38两者上以线性方式延伸。这些缺口39因此形成肋元件11上的裂口起始点或裂口起始线(未单独进行编号)。

预定断裂点36或裂口起始线可以沿着肋元件11的整个长度延伸，或者如该示例性实施例所示仅沿着肋元件11的部分延伸。决定性的是，在相应的肋元件11上至少部分性地提供材料弱化部，以便创建精确延伸的分离裂口30。

如果必要，那么可以完全地省却用于创建分离裂口30的部件33。

还可以设想到，用于创建分离裂口30的部件33也可以设置在铸模的铸芯中，以便产生作为肋元件11上的裂口起始点的仅一个缺口。随后将用于创建分离裂口30的部件33再次与铸模一起去除并且只有缺口留在肋元件11上。

虽然已通过优选的示例性实施例详细图示并描述了本发明，但本发明不由该公开的示例性实施例限制，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明的保护的范围的情况下从中导出其他变型。

Claims (13)

1.一种涡轮叶片(1)，具有内部被冷却的涡轮叶片翼型(3)，

其中中空空间(10)由肋元件(11，12)分成载运冷却剂的至少一个冷却管道(13)，

其特征在于，在所述肋元件(11，12)中的至少一个肋元件中布置有用于创建分离裂口(30)的部件(33)，其中所述用于创建分离裂口的部件和所述至少一个肋元件的厚度一起被配置成使得在轮机的工作期间所述至少一个肋元件结构上不足以承受在所述涡轮叶片上存在的工作应力，从而使得所述轮机中的涡轮叶片的工作引起在至少一个肋元件中形成所述分离裂口，

所述分离裂口至少部分地在所述至少一个肋元件(11，12)的纵向方向(29)上延伸，所述用于创建分离裂口(30)的部件(33)为裂口开始点，并且其中所述涡轮叶片被配置成一旦所述分离裂口形成仍继续工作，以及

其中所述用于创建分离裂口的部件包括在所述至少一个肋元件的顶端处形成在所述至少一个肋元件的周界中的缺口。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片(1)，还包括在头部侧被驱动到所述至少一个肋元件(11，12)内的以形成所述分离裂口的元件，其中所述头部侧是所述至少一个肋元件(11，12)结束于此而使所述至少一个肋元件(11，12)的端部在所述至少一个冷却管道(13)中悬置的一侧。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片(1)，所述用于创建分离裂口(30)的部件(33)包括用以形成所述分离裂口的楔元件(34)或轴元件。

4.一种涡轮叶片(1)，具有内部被冷却的涡轮叶片翼型(3)，其中中空空间(10)由肋元件(11，12)分成载运冷却剂的至少一个冷却管道(13)，

其特征在于，

所述肋元件(11，12)中的至少一个肋元件包括：用于在所述至少一个肋元件(11，12)中创建预定断裂点的部件，以便在轮机的工作期间产生至少部分地在所述至少一个肋元件(11，12)的纵向方向上延伸的分离裂口(30)；

其中所述涡轮叶片被配置在具有所述分离裂口的情况下操作，以及

其中用于创建预定断裂点的部件包括在所述至少一个肋元件的顶端处形成在所述至少一个肋元件的周界中的缺口。

5.一种根据权利要求4所述的涡轮叶片(1)，还包括：

用于创建预定断裂点的另一部件，其被配置在所述至少一个肋元件中，所述用于创建预定断裂点的部件和所述用于创建预定断裂点的另一部件被配置成一起生成所述分离裂口，从而使得所述分离裂口至少部分地在所述至少一个肋元件的纵向方向上延伸。

6.根据权利要求4和5中的任一项所述的涡轮叶片(1)，用于创建预定断裂点的部件包括在所述至少一个肋元件(11，12)内的一个材料弱化部或多个材料弱化部。

7.根据权利要求4和5中的任一项所述的涡轮叶片(1)，在所述至少一个肋元件(11，12)的两侧上布置有用于在所述至少一个肋元件(11，12)内创建预定断裂点的部件。

8.根据权利要求4和5中的任一项所述的涡轮叶片(1)，所述分离裂口(30)沿着所述至少一个肋元件(11，12)的长度的超过一半延伸。

9.根据权利要求8所述的涡轮叶片(1)，所述分离裂口(30)沿着所述至少一个肋元件(11，12)的长度的超过三分之二延伸。

10.根据权利要求9所述的涡轮叶片(1)，所述分离裂口(30)沿着所述至少一个肋元件(11，12)的整个长度延伸。

11.根据权利要求4、5、9和10中的任一项所述的涡轮叶片(1)，所述分离裂口(30)从肋元件第一侧面延伸至位于所述肋元件第一侧面相反侧的肋元件第二侧面(38)。

12.一种轮机，具有包括多个涡轮叶片(1)的至少一个涡轮级，所述至少一个涡轮级包括涡轮转子叶片和/或涡轮引导导叶(2)，所述涡轮转子叶片和/或涡轮引导导叶(2)是根据权利要求1-11中的任一项所述的涡轮叶片(1)而构造的。

13.根据权利要求12所述的轮机，其中所述轮机是燃气轮机。