CN1105227C - 可冷却的叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可冷却叶片(10)，主要由叶根(11)和叶身(1)组成，叶身由压力面壁(6)和负压面壁(5)构成。压力面壁(6)和负压面壁(5)主要通过后缘区(4)和前缘区(3)互相连接，并至少形成一个用作冷却流体通道的空腔(2)，空腔内设有肋(7)。至少一个肋(7)设计为具有一个顶(9)和两个边(14、15)，肋的边(14、15)相对于径向平面(13)弯折成一个锐角。尤为有利的是，这些肋设置在一个双三角形的空腔内，这两个三角形具有在前缘区和后缘区内的锐角三角形顶。

Description

可冷却的叶片
本发明涉及一种可冷却的叶片，其主要由叶根和叶身组成，而叶身由压力面的壁和负压面的壁构成，它们主要通过后缘区和前缘区互相连接，并至少形成一个用作冷却流体通道的空腔，在空腔内设有肋。
这类可冷却的叶片例如由DE3248162已知。那里介绍了一种可冷却的叶片，在它的前缘区有一冷却流体通道。用于诱发和促进紊流的肋沿冷却流体通道的宽度延伸，它们逆冷却流体流向倾斜地相对于前缘壁的内侧成一个约30°锐角设在冷却流体通道内。因此这些肋定向为能将冷却空气引向叶片前缘。其中，肋高为冷却流体通道高度的10至33％。肋高沿冷却流体通道的宽度总是为常数，以及，这种冷却设计只能使用于在前缘区内的端部通道。
在新式燃气轮机的后几级，高的出口温度同样要求对叶片进行冷却，然而在这里由于空气动力学方面的原因，叶片设计得很窄长。因此形成了一个基本上双三角形形状的冷却通道，它们的锐角三角形顶在叶片的前缘和后缘区内。在锐角三角形顶的区域内流动阻力很高，并因而在这些区域内实际上不再发生冷却。
本发明的目的是，在前言所述类型的可冷却的叶片中改善叶片的冷却和提高叶片的寿命。
按本发明上述目的技术解决方案在于，这种可冷却的叶片，主要由叶根和叶身组成，而叶身由压力面的壁和负压面的壁构成，它们主要通过后缘区和前缘区互相连接，并至少形成一个用作冷却流体通道的空腔，在空腔内设有肋，其中至少一个肋设计为具有一个顶和两个边；一个肋的边相对于径向平面弯折成一锐角。
因此本发明的核心在于，至少一个肋设计为有一个顶和两个边，肋的边相对于径向平面弯折成一锐角。
本发明的优点尤其是，采用具有顶和两个边的肋的设计，叶片获得均匀的冷却，以及冷却流体的消耗量可以降低。实现这一点主要通过避免在叶片冷却通道前缘和后缘区有死水区。通过叶片的冷却使表面温度均匀和叶片中的热应力降低，从而延长了叶片寿命。由于降低了冷却流体消耗量，所以可以提高燃气轮机的效率。根据叶片的外部热负荷，在冷却流体通道内的肋的几何形状可以与之相适应，并固而可以获得叶片有均匀的表面温度。此外，带有设在空腔内的肋的叶片，在浇铸技术方面易于制造。
特别有利的，具有顶和两个边的肋设在一个双三角形形状的空腔内，双三角形的锐角三角形顶在叶片的前缘和后缘区内。因此，借助于双三角形的冷却通道也可以有效地冷却很窄长的叶片型面，这种叶型具有高的气动效率。
有利的是使局部肋高与局部空腔高度之比保持常数。因此，与在空腔中部的局部肋高相比，在前缘和后缘区内的局部肋高减小，其结果是强化了二次流。
在附图中借助于一种流体机械叶片的示意图表示本发明的实施例。
其中：
图1通过叶片叶身的局部横断面；
图2沿图1中线II-II通过叶片的局部截面；
图3沿图1中线III-III通过叶片的局部截面；
图4沿图1中相对于线II-II平行错移地通过叶片的局部截面；
图5沿图1中线V-V通过叶片的局部截面；
图6沿图1中相对于线V-V平行错移地通过叶片的局部截面。
现在参照附图，其中同一标号表示附图中相同或相应的元件，而且在图中只表示了为理解本发明重要的部分。图1用横断面表示了具有空腔2的一种流体机械的叶身1，空腔用作冷却流体的通道。叶身1有一个前缘区3、一个后缘区4、一个负压面壁5和一个压力面壁6，其中负压面壁和压力面壁在前缘3和后缘4区域内互相连接起来。因此形成了一个基本上双三角形形状的冷却通道，双三角形的锐角三角形顶在叶片的前缘区3和后缘区4中。在压力面壁6设有一具有顶9和边14、15的V形肋7。V形肋7可设计为具有等长的边，不过根据在空腔内肋顶9的布置，也可以是具有不等长边的肋造型。在此结构中，肋7的高度h1与空腔2的局部高度H1之比，与肋7的高度h2与空腔2的局部高度H2之比同样大小。因此，肋高h与空腔高H之比在肋的任何位置基本相等。在空腔2过渡到前缘区和后缘区中去的地方肋7缩小，以便在这些地方不阻碍冷却流体通过。
图2表示负压面壁5里面和剖切的前缘区3和后缘区4。在这里，一种流体机械的叶片10由叶身1和叶根11组成，叶片10可通过叶根11安装。在叶身1和叶根11之间通常设有平台12，它将叶根与围绕叶身流动的流体隔开。在负压面壁上同样设有V形肋7a，在这里肋的顶9a设在空腔2的一个平面13上，以及，顶9a位于下游。平面13沿叶片的径向延伸，并垂直于叶片的壁5和6的内侧，以及安排在空腔2最宽的地方。因此，顶9a位于局部肋高h最大的地方。
冷却流体20从叶根起通过空腔2流动。在这种情况下，肋相对于冷却流体20的主流方向弯折成一个角度8，主流方向基本上平行于平面13延伸。角度8在里为30至60°，最好40至50°，尤其是45°。在V形肋的下游形成涡流和回流区，它们提高了传热系数。
肋高与空腔高之比[％]     0     18     31     44
Nu/Nu光滑的     1     2-4     5-7     9-12
表1：平均努赛尔特数与V形肋肋高的关系(实验数据)
努赛尔特数Nu定义为对流散热量与传导热量之比。表1中将不同肋高的平均努赛尔特数Nu与没有肋的通道的努赛尔特数Nu光滑的作了比较，其中V形肋的顶设在下游。由表1清楚看出，随着肋高增加，平均努赛尔特数急剧增加。因此，局部肋高与局部空腔高之比应在5至50％之间，最好在20至40％之间。
因为冷却流体的温度沿流动方向通过吸收热能而增加并因而使壁温与冷却流体温度之间的差别减小，所以，局部肋高h与局部空腔高H之间的比值沿流动方向可以不断提高，以便按上列表1增加努赛尔特数，其结果是改善了传热。于是由冷却流体吸收的热能与叶片的外部热负荷相适应。从而导致沿叶片的径向有更加均匀的温度分布，并因而显著减小了应力。
图3表示压力面壁6的里面和剖切的前缘区3和后缘区4。设在压力面壁6内侧上的肋7b同样是V形的，它们的顶9b安置在空腔2的一个平面13上。因此顶9b位于局部肋高h最大的地方。如由图3可见，肋沿流动方向彼此交错地设在负压面和压力面上。
由图4可见肋7a和7b相互的配置。肋沿流动方向彼此错开，所以，流动相继遭遇负压面5的肋7a和压力面6的肋7b。这些肋最好分别安排在相对壁的肋之间。
采用按图4的结构，流动被导入前缘和后缘的锐角区内，因此达到的努赛尔特数比表1中所给出的平均努赛尔特数要高得多。其结果是在叶片的前缘区和后缘区获得了很高的传热系数，而在通道中央区形成较低的传热系数。
图5表示压力面壁6里面和剖切的叶片10前缘区3和后缘区4，叶片10由叶身1和叶根11组成。与图3相反，压力面壁的肋7c安排成，使它们的顶9c首先受到流动的冲击。在这种情况下，肋同样相对于冷却流体20的主流方向弯折成角度8。
图6表示具有肋7a的负压面壁和示意表示的肋7c，其中肋7a按图2所示那样设在负压面上。在这里出自于设计上的原因，局部肋高与局部空腔高之比当然总是小于50％。
按照图6的设计同样可以获得很高的传热系数，然而比按图4的设计分布得更加均匀。不过，按图6的叶片传热系数，在压力面和负压面上有所区别，所以这种设计应用于压力面和负压面上热负荷不同的情况下。
本发明当然不受图中所表示和说明的实施例的限制。V形的肋也可以设在具有多个冷却空气通道的叶片内，如果在这些冷却空气通道的边缘区存在大的流动阻力的话。
显然，根据上述教导本发明可以有许多修改和变化。因此应当理解在所附权利要求的范围内，可按不同于本文所述的方法实现本发明。
                        符号表1                    叶身2                    空腔3                    前缘区4                    后缘区5                    负压面壁6                    压力面壁7                    肋7a、7c               负压面壁上的肋7b                   压力面壁上的肋8                    肋的安装角9、9a、9b            肋顶10                   叶片11                   叶根12                   平台13                   平面14、15               V形肋的边20                   冷却流体h、h1、h2            局部肋高H、H1、H2            局部空腔高

Claims (17)

1.可冷却的叶片(10)，主要由叶根(11)和叶身(1)组成，叶身(1)由压力面的壁(6)和负压面的壁(5)构成，它们主要通过后缘区(4)和前缘区(3)互相连接，并至少形成一个用作冷却流体通道的空腔(2)，在空腔内设有肋(7)，其特征为：至少一个肋(7)设计为具有一个顶(9)和两个边(14、15)；至少一个肋的边(14，15)相对于径向平面(13)弯折成一锐角(8)；局部的肋高与局部的空腔高度的比率在至少一个肋的每一点是基本恒定的；局部肋高与局部空腔的高度的比率为5-50％。
2.按照权利要求1所述的可冷却的叶片，其特征为：空腔(2)形成双三角形的形状，它们具有在前缘区(3)和后缘区(4)内的锐角的三角形顶。
3.按照权利要求1所述的可冷却的叶片，其特征为：至少一个肋(7)的顶(9)设在至少一个肋的局部最大高度(h)处。
4.按照权利要求1所述的可冷却的叶片，其特征为：局部肋高(h)与局部空腔高(H)之比对于沿流动方向相继设置的肋(7)逐渐增加。
5.按照权利要求1所述的可冷却的叶片，其特征为：肋(7)的顶(9)向下游地位于负压面壁(5)和压力面壁(6)上。
6.按照权利要求1所述的可冷却的叶片，其特征为：肋(7)的顶(9)向下游位于负压面壁(5)或压力面壁(6)上以及向上游位于相对的那个壁(5、6)上。
7.按照权利要求1所述的可冷却的叶片，其特征为：至少一个肋的边(14、15)相对于平面(13)弯折成30至60°的角度(8)。
8.可冷却的叶片，主要由叶根和叶身组成，叶身由压力面的壁和负压面的壁构成，它们主要通过后缘区和前缘区互相连接，并至少形成一个用作冷却流体通道的空腔，在该空腔内设有肋，其特征为：至少一个肋设计为具有一个顶和两个边；至少一个肋的这两边相对于径向平面弯折成一锐角；局部的肋高与局部空腔高之比在至少一个肋的每一点上基本恒定；局部肋高与局部空腔高之比沿流动方向相继设置的肋逐渐增加。
9.按照权利要求8所述的可冷却的叶片，其特征为：空腔为双三角形的形状，具有在前缘区和后缘区内的锐角的三角形顶。
10.按照权利要求8所述的可冷却的叶片，其特征为：至少一个肋的顶设在所述肋的局部最大高度处。
11.按照权利要求8所述的可冷却的叶片，其特征为：所述肋的顶向下游地位于负压面壁或压力面壁上以及向上游位于相对的壁上。
12.按照权利要求8所述的可冷却的叶片，其特征为：至少一个肋的边相对于径向平面弯折成30°-60°的角度。
13.可冷却的叶片，主要由叶根和叶身组成，叶身由压力面的壁和负压面的壁构成，它们主要通过后缘区和前缘区互相连接，并至少形成一个用作冷却流体通道的空腔，在该空腔内设有肋；其特征为：至少一个肋设计为具有一个顶和两个边，至少一个肋的这两边相对于径向平面弯折成一锐角；局部肋高与局部空腔高之比在至少一个肋的每一点上基本恒定；所述肋的顶向下游位于负压面壁和压力面壁上。
14.按照权利要求13所述的可冷却的叶片，其特征为：空腔为双三角形的形状，具有在前缘区和后缘区内的锐角的三角形顶。
15.按照权利要求13所述的可冷却的叶片，其特征为：至少一个肋的顶设在所述肋的局部最大高度处。
16.按照权利要求13所述的可冷却的叶片，其特征为：所述肋的顶向下游位于负压面壁或压力面壁上以及向上游位于相对的壁上。
17.按照权利要求13所述的可冷却的叶片，其特征为：至少一个肋的上述边相对于径向平面弯折成30°-60°。
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Applicant after: Alstom

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Owner name: ALSTOM SWITZERLAND LTD.

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Patentee before: Alstom Technology Ltd.

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Granted publication date: 20030409