CN1097140C - 流体机械受热负荷的叶片 - Google Patents

Abstract

在流体机械受热负荷的叶片中，这种叶片(1)的前缘(3)用陶瓷材料制造，用以提供更好的保护。这一前缘(3)有一个薄壳式形状，它至少覆盖住进口头部台阶(4)的一部分。在前缘(3)与头部(4)之间的连接一方面通过形成连接的凹槽(5a)另一方面通过一个弹性构件(6)构成。弹性构件(6)在其所在地点产生一个固定作用，并在叶片(1)的另一侧产生一个作用在凹槽(5a)上的摩擦连接。在头部台阶(4)中的冷却空气孔(8)保证陶瓷前缘(3)上的冷却效果。

Description

流体机械受热负荷的叶片

本发明涉及一种流体机械受热负荷的叶片。

对涡轮机高效率的要求，除了提高压力比以外还导致不断增加涡轮进口温度。然而，目前可供这种涡轮使用的叶片材料，只有在相应地良好冷却的情况下才能承受这样的温度。为此所需的冷却空气从燃烧空气流分流，因此它们不再在燃烧室内参与能量供入，从而导致降低发电站的效率。

为了节省冷却空气，现在做了大量试验，用陶瓷层保护涡轮叶片或甚至整个叶片都用陶瓷材料制造。在采用陶瓷涂层的情况下，通常存在结构开裂的危险，这尤其是在必须采用较厚的涂层为0.5-1.5mm进行工作时。因此，若规定只有较薄的陶瓷层，则必须用冷却空气来冷却，这与采用隔热层的真正目的是矛盾的。大尺寸全陶瓷式叶片目前还没有能力在足够长的工作时间内承受所产生的力和应力。

本发明将为此提供补救措施。本发明的目的是，在前言所述类型的叶片中采取预防措施，使得在不排出冷却空气的情况下为叶片提供足够充分的热防护。

按本发明的规定，叶片的前缘用陶瓷材料制造，而叶片的其余部分可按传统的方法设计。这样做有下列优点：a)每个涡轮叶片的前缘几何尺寸较小。因此只涉及较少的陶瓷构件部分，上述有关陶瓷本身的问题实际上不再存在；b)叶片的力和作用在叶片上的外力，由叶片的金属部分按传统的方式承受；陶瓷材料只承受由于温度梯度产生的负荷，以及少量因气动力带来的负荷；c)叶片的前缘可按有利于陶瓷材料的方式设计，也就是说，大半径修圆、均匀的壁厚、合适的温度梯度、足够大的支承面。

由此带来的效果是显著提高了效率，尤其是第一级涡轮导向叶片排，改善了气动特性以及节省了大量的冷却空气。

按本发明为达到上述目的所采取措施的有利和合乎目的的进一步改进，在其他权利要求中说明。

所有对于直接理解本发明无关的构件均省略。在不同的附图中相同的构件采用同样的符号表示。

附图表示：

图1带陶瓷前缘的涡轮叶片；

图2按图1的涡轮叶片的陶瓷前缘部分；

图3陶瓷前缘部分的三维视图；

图4陶瓷前缘部分内部的分缝面视图；

图5陶瓷前缘的固定；和

图6陶瓷前缘的另一种固定装置。

图1表示了一个通常在燃气轮机中使用的涡轮叶片1。在它的内部有一个比较大的冷却通道，冷却介质经过此冷却通道流动。图中可看到一个第一冷却空气通道10用于前缘部分2，另一个冷却空气通道11用于叶片1的后部。用一种优质金属材料制造的叶片1前缘部分2收缩，以便为加装一个用优质陶瓷材料制的薄壳状前缘3(以下简称为陶瓷前缘)提供位置。叶片1和陶瓷前缘3最好通过这样的装置互相连接起来，即，在连接状态它们能在两者间建立摩擦连接和/或形状相配的刚性连接。为此目的，叶片1的头部台阶4无论在负压侧还是在压力侧都有一个凹槽5a、5b，它们可以使陶瓷前缘3有可能机械地挂装在叶片1金属的头部台阶4上。固定所需的摩擦力连接，在一侧例如在凹槽5a处，通过至少一个弹性构件6形成，其中，此弹性构件6最好是圆柱形结构。陶瓷前缘3首先沿凹槽5a、5b挂装上，然后，通过沿径向插入弹性构件6固定。因此，陶瓷前缘3支承在两条线上，在受热时可以在一定的自由度范围内相对于弹性构件6自由运动。在头部台阶4与陶瓷前缘3内侧之间的间隙7起隔热的作用，因为这里存在一个空气垫，它附加地通过在上述支承线处的漏气冷却。间隙7被提供一种“莲蓬头式冷却”(＝通过多排孔的冷却)，在这种情况下，由于线状的支承面，所以空气流量限制为一个很小的量。原则上叶片1的头部台阶4应设计为，即使不是最佳，但仍能保证有满足要求的气动特性。此外，此头部台阶4通过一些冷却空气孔8冷却，使得在没有陶瓷前缘3时可以毫无问题地工作一段有限的时间。陶瓷前缘3的壁厚典型地为3-8毫米。叶片1的前缘部分2和其余部分都制有冷却空气孔12，它们从冷却空气通道10和11供气，并在叶片表面形成气膜冷却作用。除此以外，在头部台阶4后部还设有其他的冷却空气孔9，它们在叶片的金属部分和陶瓷部分之间形成冷却气膜，因此，即便是由于这两个部分之间在那里构成连接而成为难以处理的部分，也能得到最佳的冷却。除了传统的陶瓷以外，还可以使用先进的纤维增强陶瓷，这种陶瓷防止损伤的能力尤其是其机械性能大为改善。陶瓷前缘3薄壳状造型有利于设计采用纤维增强的陶瓷。为了更好地理解，在图2中再次以放大了的比例表示叶片1的前缘部分2，并根据需要在下面作进一步说明。

图2表示了借助于图1已大体说明了的叶片1的前缘2。由图2可以清楚地看出悬挂着的陶瓷前缘3的结构以及为此所设的装置6和5a、5b，用于在这两个部分3/4之间造成连接和产生摩擦连接和/或形状相配的刚性连接。

图3在三维视图中表示了已借助于图1和2说明过的陶瓷前缘，在这里鉴于它的特殊设计表示为20。如果在陶瓷前缘20的内部在安装状态下产生的径向应力过大，则可以采用针对性的补救措施，亦即将陶瓷前缘20沿径向分为两或三部分，在这种情况下，对各个部分的悬挂机构必须采取特殊措施。

由图4可见这种陶瓷前缘20的分割。为此，分缝13倾斜延伸，一方面为了增加密封长度，另一方面防止热燃气直接流过分缝13进入陶瓷前缘20到位于它下面的叶片头部台阶。为了便于加工，分缝也可以垂直延伸。原则上，分缝可以任意设计。

图5表示悬挂陶瓷前缘3a的另一种方案。在这里的头部台阶4a与图2所示的基本一致。设计悬挂陶瓷前缘3a的是，头部台阶4a两侧有比较大的凹槽16a、16b。在这些凹槽所在区头部台阶4a的两侧例如通过腐蚀制有缝14，从而形成有弹性的舌片15，简称簧片，它们在要连接的两个部分之间构成摩擦连接。因为这里必须设计比较强的弹性作用，以补偿不同的热膨胀，所以陶瓷前缘3a的安装方向规定沿径向，因为若陶瓷前缘3a从前面通过簧片15推移，这里可供使用的弹性变形距离不够。然而，为了产生所谋求的弹性作用，只需要很小的弹性变形距离，尤其是这一弹性变形距离是分在两侧的。

图6表示一种实心的制有燕尾形根部的陶瓷前缘3b，它同样沿径向装入。为此，这一叶片的头部台阶4b有一个敞口掏空的前缘，它的形状与燕尾形根部的造型相应。当然，为此也可以有其他的造型。陶瓷前缘3b通过它的根部被一个弹性的金属插入件17压靠在头部台阶4b上，金属插入件17嵌入前部冷却通道10中。通过此通道10流过的冷却空气，借助于相应的孔18穿过金属插入件17流动，并最后沿着铸在头部台阶4b中的槽19继续流动，槽19与陶瓷前缘3b的内部形状相配，因此保证在金属部分处的陶瓷部分有一个足够大的冷却面。弹性的金属插入件17设计为，当没有陶瓷前缘3b时，它沿着由头部台阶4b形成的孔口安放着，保证在这一地区有满足要求的气动特性。头部台阶4b的冷却也同样得到了保证，冷却通过上述孔18进行。

在建议的所有方案中，冷却空气相对于在此处流动的热燃气的压力差，有助于以确定的方式压紧各自的陶瓷前缘。这些方案都有一种适合于陶瓷的造型，因为在稳定状态由于存在温度梯度在陶瓷前缘中基本上只有压应力。在利用弹簧产生应力的方案中，必须注意，在过渡态负荷区不能失去为此所需的最小弹性力，以及，没有有害的拉应力作用在陶瓷材料上。在保证弹性构件充分冷却的地方最好始终能提供弹性。原则上，通过安装陶瓷部分，类似的方案也可以用在叶片后缘，在那里同样存在高的热负荷。

           符号表1    叶片2    前缘部分3    陶瓷前缘3a   陶瓷前缘3b   陶瓷前缘4    头部台阶4a   头部台阶4b   头部台阶5a   凹槽5b   凹槽6    弹性构件7    间隙，空气间隙8    冷却空气孔9    冷却空气孔                 15    簧片10   前部冷却通道               16    支承面11   后部冷却通道               17    弹性金属插入件12   冷却空气孔                 18    冷却空气孔13   分缝                       19    冷却空气槽14   缝                         20    分开式陶瓷前缘

Claims (12)

1.流体机械受热负荷的叶片，该叶片中的迎流头部台阶(4，4a，4b)至少部分由陶瓷材料制的前缘(3，3a，3b)所覆盖，其特征为与头部台阶和陶瓷材料制的前缘有工作联系地设置一个弹性机构(5b，16，6，15，17)，该弹性机构构成头部台阶和陶瓷材料制的前缘之间的连接和/或摩擦连接的装置；该弹性机构保证了足够稳定的连接，以承受产生的力和应力，而连接的弹性则能够无应力地吸收叶片和陶瓷材料制的前缘之间的热差。

2.按照权利要求1所述的叶片，其特征为：陶瓷材料制的前缘(3、3a)具有一种薄壳式的形状。

3.按照权利要求1所述的叶片，其特征为：陶瓷材料制的前缘(3b)具有构成连接装置的燕尾形根部。

4.按照权利要求3所述的叶片，其特征为：该弹性机构具有一个插入头部台阶的弹性金属插入件(17)，其与燕尾形根部一起构成头部台阶和陶瓷材料制的前缘之间的连接。

5.按照权利要求1所述的叶片，其特征为：在陶瓷材料制的前缘(3，3a)的底面和头部台阶(4，4a)的端面之间有一个空气间隙(7)，该空气间隙可以流过来自叶片(1)的冷却通道(10)的冷却空气。

6.按照权利要求1所述的叶片，其特征为：该弹性机构至少具有一个弹性构件(6、15、17)。

7.按照权利要求1所述的叶片，其特征为：陶瓷材料制的前缘(20)沿径向通过至少一条任意走向的分缝(13)分开。

8.按照权利要求1所述的叶片，其特征为，叶片(1)的头部台阶(4，4a)单独或与一个弹性构件(17)相接合具有空气动力学外形。

9.按照权利要求1所述的叶片，其特征为，头部台阶(4，4a)具有将冷却空气输入头部台阶和陶瓷材料制的前缘之间的机构(8)。

10.按照权利要求1所述的叶片，其特征为，该弹性机构包括至少一个凹槽(5a)和弹性构件(6)。

11.按照权利要求1所述的叶片，其特征为，该弹性机构包括在头部台阶(4a)中构成的簧片(15)，陶瓷材料制的前缘经由此簧片与头部台阶相连。

12.按照权利要求6所述的叶片，其特征为，一个弹性构件(17)被设置在头部台阶(4b)的凹槽中，在该弹性构件和该头部台阶之间形成一条冷却通道(10)，该弹性构件(17)具有将冷却空气从该冷却通道输入陶瓷材料制的前缘(3b)和头部台阶(4b)之间的槽(19)中的机构(18)。

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