CN108350747B - 配备有冷却系统的叶片、相关的导流片组件以及相关的涡轮机 - Google Patents

配备有冷却系统的叶片、相关的导流片组件以及相关的涡轮机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种涡轮机导流片组件的叶片，该叶片配备有冷却系统，该冷却系统包括插入件(22)和排出装置，该插入件被布置在所述叶片的内腔(24)内，该插入件被连接到用于叶片冷却空气的入口(26)并且被设计成对叶片的内腔(24)的表面进行冷却；该排出装置被构造成将插入件(22)内的冷却空气中的一些排出并且被设计成将该冷却空气中的一些送至涡轮机的中心毂部。排出装置包括排出头(30)，该排出头被布置在叶片的内腔(24)中并且穿过插入件的开口(34)，并且该排出头被构造成将插入件(22)内的冷却空气中的一些排出。

Description

配备有冷却系统的叶片、相关的导流片组件以及相关的涡 轮机
技术领域
本发明涉及一种涡轮机的导流片组件的叶片。具体地，本发明涉及一种导流片组件的叶片，该叶片装配有用于叶片以及用于涡轮机的其他部件的冷却系统。
背景技术
通常，涡轮机从上游到下游包括一个或多个压气机级(例如低压压气机和高压压气机)、燃烧室、一个或多个涡轮级(例如高压涡轮和低压涡轮)。上游和下游是相对于外流的喷射流中的正常气体流动方向(从上游到下游的)来定义的。
涡轮将来自燃烧室的气流的热能和动能转换成所需的机械能，以驱动压气机和/或转子(例如在直升机的情况下)。
涡轮通常包括一个或多个叶片级，每个级通常以已知的方式包括被称为导流片组件的固定叶栅以及移动叶栅。成叶栅形式的叶片的组件有时被称为“叶片装置(blading)”。叶片包括指向上游的部分(被称为前缘)和指向下游的部分(被称为后缘)。
导流片组件通常借助于遍及叶片内部并形成迷宫延伸的回路通过强制对流而被冷却。冷却空气在导流片组件的每个叶片的被称为外子午线的部分处进入在燃烧室的周边的涡轮的处于燃烧室这一侧的叶片。冷却空气从外子午线流通并穿过叶片，从而在内部对叶片(包括叶片的前缘)进行冷却，直到导流片组件的每个叶片的被称为内子午线的、位于涡轮的中心毂部这一侧的部分。术语冷却空气或冷空气表示下述空气：该空气的温度低于在涡轮机的外流的喷射流中流动的气体的温度，并且被用于降低位于外流的喷射流中的元件的温度。
冷却空气中的一些在这些内子午线处被排出以送至毂部，以便冷却涡轮的其他部分。尽管如此，在冷却系统中(叶片在该冷却系统中通过迷宫式回路被冷却)被送至毂部的空气是在叶片的前缘处已被加热过的空气，并且因此具有比冷却空气的温度更高的温度。另外，所消耗的冷却空气量也很大。
其他冷却系统包括插入件或双层壳(double skins)，该插入件或双层壳被布置在叶片内并被用于冷却叶片的内表面。具体地，插入件包括具有多个穿孔的壁，该壁用于借助冷空气的冲击来冷却叶片的前缘。这些插入件被用于减少与迷宫式冷却系统相关的空气消耗量。另外，对流传热系数高于由迷宫式系统产生的对流传热系数。在某些情况下，这些插入件被延长，以使得它们穿过内子午线，以便将排出空气中的一些经由毂部朝向涡轮的其他部分输送。
但是，这种插入件构造导致冷空气在插入件与内子午线之间的接界处大量泄漏。由于该泄漏而逸出的空气损失掉了(尤其是在气体的外流的喷射流中)，并且不能用于冷却叶片或涡轮的其他部分。
因此，发明人寻求对现有的导流片组件的叶片进行改进的方法。
发明目的
本发明旨在减少已知的叶片的缺点中的至少某一些缺点。
具体地，本发明旨在在本发明的至少一个实施例中提供一种装配有冷却系统的叶片，该冷却系统被用于对叶片以及对叶片被安装在其中的涡轮机的其他部件有效地进行冷却。
本发明还旨在在至少一个实施例中提供一种装配有限制冷却空气的消耗的冷却系统的叶片。
本发明还旨在在至少一个实施例中提供一种装配有减少冷却空气的损失的冷却系统的叶片。
本发明还旨在在至少一个实施例中提供一种装配有冷却系统的叶片，该冷却系统用于限制对穿过叶片的空气的加热以便冷却涡轮机的其他部件。
发明内容
为此，本发明涉及一种涡轮机的导流片组件的、装配有冷却系统的叶片，该冷却系统包括：
-插入件，该插入件被布置在所述叶片的内腔内，该插入件被连接到叶片的冷却空气入口并且被设计成对叶片的内腔的表面进行冷却，
-排出装置，该排出装置被构造成将插入件内的冷却空气中的一些排出并且被设计成将该冷却空气中的一些送至涡轮机的中心毂部，
其特征在于，该排出装置包括：
-排出头，该排出头被布置在叶片的内腔中并且穿过插入件的开口，并且该排出头被构造成将插入件内的冷却空气中的一些排出。
因此，根据本发明的叶片能够经由其冷却系统在冷却空气被待冷却的元件加热之前将插入件中的该冷却空气中的一些直接排出。因此，冷却空气以向心的方式被输送到毂部中，使得在冷却空气通过叶片的入口到达叶片到冷却空气到达毂部处的期间该冷却空气被最小程度地加热。因此，到达毂部的空气的温度接近在插入件的入口处的空气的温度。一旦冷却空气被送至毂部，该冷却空气就被用来冷却涡轮机的其他元件。
另外，排出头在叶片的内腔中的布置使得能够抑制在排出头被布置在其中的插入件的开口处的潜在的空气泄漏，这些空气留在叶片的内腔内。因此，这些空气泄漏得到控制；它们有助于叶片的冷却，而且来自泄漏的空气不会损失。
有利地并且根据本发明，排出装置包括排出管，该排出管一方面通过第一球窝接头被连接到叶片并且另一方面被设计成通过第二球窝接头被连接到涡轮机的中心毂部，该排出管被设计成将来自排出头的排出空气送至涡轮机的毂部。
根据本发明的该方面，球窝接头类型的机械连接件将排出管连接到叶片以及连接到毂部，使得能够借助排出头将排出的空气送至毂部，同时保留在导流片组件的叶片和毂部之间发生移位的可能性。这些移位尤其是由于热机械负载的作用而发生的，并且在不存在这些球窝接头的情况下可能损坏排出管。
有利地并且根据本发明的该最后一方面，排出头和排出管被一体地连接。
根据本发明的该方面，排出头和排出管形成被称为排出机构的单个工件，该排出机构易于制造，而不需要显著地改变叶片。在本发明的该变型中，排出头和插入件的开口之间的间隙被设计成允许排出头的移位(由于排出头与排出管是一体的，而排出管能够在叶片和/或毂部移动时进行移动)，同时使开口处的空气泄露最小化。
有利地并且根据本发明，排出头和叶片被一体地连接。
根据本发明的该方面，排出头是固定的，这使得能够减小位于插入件的开口和排出头之间的间隙，从而减小开口处的空气泄露。排出头可由叶片的一部分形成，因此排出头可在制造叶片时被制造。
本发明还涉及一种导流片组件，该导流片组件包括围绕涡轮机的中心毂部被布置的多个叶片，其特征在于，导流片组件的至少一个叶片是根据本发明的叶片。
本发明还涉及一种涡轮机，该涡轮机包括中心毂部，并且其特征在于，该涡轮机包括根据本发明的导流片组件。
本发明还涉及一种叶片、一种导流片组件以及一种涡轮机，其特征在于上文或下文所提及的特征中的全部特征或一些特征的组合。
附图说明
本发明的其它目的、特征和优点通过阅读仅以非限制性示例的方式提供并且参照附图的以下描述将变得明显，在附图中：
-图1是根据本发明的第一实施例的导流片组件的、装配有冷却系统的叶片的示意性透视图，
-图2是根据本发明的第一实施例的导流片组件的、装配有冷却系统的叶片的横截面示意图，
-图3是根据本发明的第二实施例的导流片组件的、装配有冷却系统的叶片的横截面示意图。
具体实施方式
以下实施例是示例。尽管描述涉及一个或多个实施例，但这不一定意味着每个引用涉及相同的实施例，或者特征仅适用于单个实施例。不同实施例的单个特征也可以被组合以提供其他实施例。在附图中，没有严格地遵守尺度和比例，这是为了说明和清楚的目的。
图1至图3(图1作为透视图并且图2和图3作为横截面视图)示意性地示出了涡轮机的导流片组件的叶片10。如被布置在涡轮机中的叶片10包括位于涡轮机的燃烧室(未示出)这一侧的被称为外子午线12的部分以及位于涡轮机的中心毂部16这一侧的被称为内子午线14的部分，涡轮机的旋转部件围绕该中心毂部旋转。另外，气体从上游到下游地穿过涡轮机，并且叶片10的指向上游的部分被称为前缘18，叶片10的指向下游的部分被称为后缘20。
叶片10装配有根据下文描述的各种实施例的冷却系统。在图1至图3中，箭头部分地表示冷却空气在叶片10的和/或在冷却系统的各个元件中的流通。
图1和图2中所示的叶片10装配有根据本发明的第一实施例的冷却系统。
该冷却系统包括插入件22，该插入件也被称为双层壳，该插入件被布置在叶片10的内腔24中并且被连接到叶片10的冷却空气入口26。该插入件包括用于在叶片10的内腔24的表面上(尤其是在前缘18处)产生冷空气冲击的微小的穿孔28。
该冷却系统进一步包括排出装置，该排出装置包括中空排出头30，该中空排出头被布置在叶片10的内腔24中并被构造成将插入件22内的冷却空气中的一些排出。为此，排出头30穿过插入件22的开口34，使得在插入件22中流通的空气中的一些进入排出头30。
开口34和排出头30之间的间隙引起冷却空气的泄漏36。由于排出头30被布置在叶片10的内腔24中，所以由于这些泄漏36而泄漏的空气被保留在叶片10的内腔24内并且因此参与对叶片10的冷却。
排出装置进一步包括中空排出管32，该中空排出管32被设计成对从插入件22内排出的、来自排出头30的空气进行输送，并且将该空气输送至中心毂部16。
排出管32一方面通过第一球窝接头连接件38被连接到叶片10，另一方面通过第二球窝接头连接件40被连接到毂部16。具体地，第一球窝接头连接件38位于叶片10的内子午线14上，因为叶片10的该部分位于毂部16附近并面对该毂部。球窝接头连接件38、40形成机械连接，使得叶片10和毂部16能够相对于彼此移动。
在该第一实施例中，排出头30和排出管32被一体地连接并且形成被称为排出机构的单个部件。
由于在排出管32和叶片10之间存在第一球窝接头连接件38，所以在叶片10相对于毂部16发生移位的情况下，排出头30能够移动到插入件22的开口34中。因此，为了排出头30的这种移位而设计开口34的尺寸：开口34和排出头30之间的间隙大到足以允许排出头30进行移位，但是小到足以使空气泄漏36最小化。如上所述，这些空气泄漏36在所有情况下都被控制并且参与对叶片10的冷却；因此，这些空气泄漏并不代表冷却空气的损失。
图3中示出的叶片10装配有根据本发明的第二实施例的冷却系统。
该实施例类似于上述的第一实施例，但排出头30并未一体地连接到排出管32：排出头30被一体地连接到叶片10，尤其是连接在叶片的面对涡轮机的毂部16的内子午线14处。例如，排出头30可以由叶片10的一部分形成并且以与叶片10相同的材料被制成。

Claims (5)

1.涡轮机的导流片组件的装配有冷却系统的叶片，所述冷却系统包括：
-插入件(22)，所述插入件被布置在所述叶片的内腔(24)内，所述插入件被连接到所述叶片的冷却空气入口(26)并且被设计成对所述叶片的内腔(24)的表面进行冷却，
-排出装置，所述排出装置被构造成将所述插入件(22)内的冷却空气中的一些排出并且被设计成将所述冷却空气中的一些送至所述涡轮机的中心毂部(16)，
其特征在于，所述排出装置包括：
-排出头(30)，所述排出头被布置在所述叶片的内腔(24)中并且穿过所述插入件的开口(34)，并且所述排出头被构造成将所述插入件(22)内的冷却空气中的一些排出，
-排出管(32)，所述排出管一方面通过第一球窝接头(38)被连接到所述叶片并且另一方面被设计成通过第二球窝接头(40)被连接到所述涡轮机的中心毂部(16)，所述排出管被设计成将来自所述排出头(30)的排出空气送至所述涡轮机的毂部(16)。
2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述排出头(30)和所述排出管(32)被一体地连接。
3.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述排出头(30)和所述叶片被一体地连接。
4.涡轮机的导流片组件，所述导流片组件包括围绕所述涡轮机的中心毂部(16)被布置的多个叶片，其特征在于，所述导流片组件的至少一个叶片是根据权利要求1所述的叶片(10)。
5.涡轮机，所述涡轮机包括中心毂部(16)，并且其特征在于，所述涡轮机包括根据权利要求4所述的导流片组件。
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