CN112074652B - 用于涡轮叶片的叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于涡轮叶片的叶片(16)，包括能由热气(S)迎流的前缘(18)，从所述前缘开始，吸力侧壁(17)和压力侧壁(19)延伸至叶片(16)的后缘(20)，其中叶片(16)在相对于其的横向方向上从具有0％叶片高度的叶根侧端部(21)延伸至具有100％叶片高度的叶尖侧端部(23)，所述叶片具有沿着前缘设置的至少两排(R₁，R₂)的冷却孔(22)，所述至少两排的冷却孔相互间具有垂直于前缘待检测的第一间距(A)。为了提供在冷却耗费减小的情况下能够实现对于不同的运行条件此外可靠地冷却前缘(18)的涡轮叶片而提出，至少两排(R₁，R₂)的冷却孔(22)至少部分地沿着前缘(18)以波浪线设置。

Description

用于涡轮叶片的叶片

技术领域

本发明涉及一种用于涡轮叶片的叶片，包括可由热气迎流的前缘，吸力侧壁和压力侧壁从所述前缘开始延伸至叶片的后缘，其中叶片在相对于其的横向方向上从具有0％叶片高度的叶根侧端部延伸至具有100％叶片高度的叶尖侧端部，所述叶片具有沿着前缘设置的至少两排的冷却孔，至少两排的冷却孔相互间具有垂直于前缘待检测的第一间距。

背景技术

这种涡轮叶片例如从EP 2 154 333 A2中已知。在前缘中设置的冷却孔在配设有其的燃气轮机运行期间用于产生在前缘上的进行冷却的保护膜，以便抵抗到达的热气流。冷却孔因此也称作为膜冷却孔，所述膜冷却孔在英语中由于其紧密设置此外也作为“Shower Head Film Cooling Holes”已知。同时，叶片将在前缘上迎流的热气流分成两个子流，其中一个子流沿着叶片的吸力侧流动并且另一部分沿着压力侧流动。在叶片轮廓处的流划分的地点在此称作为停滞点，因为在理想化的范围中在那里不出现横向流动。出于所述原因，在现有技术中在前缘或之前确定的停滞线的两侧设置有膜冷却孔，以便在那里出现的热气流不能够与构件壁紧密接触。

然而缺点是，叶片轮廓的停滞点或叶片的停滞线能够与不同的影响因素相关，使得存在如下需求，即涡轮叶片和其叶片以及其前缘冷却尽可能好地匹配于不同的运行条件。

因此，US 2016/0010463 A1教导了在停滞线移动时在转子叶片的压力侧上，将附加的半排膜冷却孔设置在叶片的径向靠外的半部上。附加的膜冷却孔然而提高冷却空气的消耗，这负面地影响配设有其的涡轮机的效率。

根据EP 3 043 026 A2，也能够通过如下方式实现适当的冷却，即在停滞线的之前确定的移动的情况下，并非将一些迎流缘-膜冷却孔的位置、而是仅将迎流缘-膜冷却孔的倾斜选择成，使得其为了预期的局部热气流不沿相反的方向吹出冷却空气，而是沿相同的方向吹出冷却空气。

发明内容

从在上文中描述的现有技术出发，本发明基于如下目的，提供一种用于涡轮叶片的叶片，所述叶片对于燃气轮机的不同的运行条件尽可能好地构造，尤其以便在使用适当量的冷却剂时实现足够的冷却和叶片的尽可能高的使用寿命。

所述目的借助开始提到类型的涡轮叶片通过如下方式实现：至少两排的冷却孔至少部分地沿着前缘以波浪线设置。

本发明基于如下知识，实际的热气流动方向能够偏离考虑用于设计涡轮叶片的流动方向，一方面由于燃气轮机的不同的运行方式。偏离能够由于相对于额定负载改变的负载输出而出现。另一方面已知的是，尤其在转子叶片的情况下，叶片轮廓的停滞点在前缘的区域中能够由于流动效应而振荡，所述流动效应由在转子叶片的上游设置的导向叶片引起。叶片轮廓的停滞点的振荡引起叶片的局部提高的表面温度，借助本发明能够有效地解决所述问题。

为了抵抗这两个效应，借助本发明现在提出，在前缘的区域中设置至少两排冷却孔，所述冷却孔至少部分地以弯曲的波浪线设置。冷却孔相对于相关的叶片轮廓的振荡的停滞点朝向压力侧或吸力侧移动。在设计阶段期间，对于每个叶片轮廓能够确定如下区域，在所述区域中出现停滞点。所述区域中的每个区域通过两个端点限定，从所述端点中那么能够确定中间驻点。接着，将两个冷却孔定位成，使得实现尽可能好的冷却。借此，能够局部地优化冷却效果。通过使用仅两个冷却排来替代通常三个或更多个完整的冷却排，此外能够降低冷却所需要的冷却剂的量。降低的冷却剂消耗在燃气轮机的运行期间有助于其效率提升。

在从属权利要求中列举其他有利措施，所述措施能够任意地彼此组合。借此能够实现其他优点。

根据本发明的第一有利的设计方案，至少两排的冷却孔沿着前缘的总延伸在0％和100％叶片高度之间以具有多个波峰和波谷的波浪线设置。因此，至少两排的冷却孔与在另一叶片高度上的冷却孔相比重复地局部地朝向压力侧轻微移动。

根据替选于此的一个设计方案，至少两排的冷却孔仅部分地沿着前缘以波浪线设置成，使得至少两排的冷却孔在第一区域中基本上平行地在前缘的两侧设置，并且在直接邻接于其的第二区域中在压力侧移位地设置，其中所述第一区域在0％和大致40％叶片高度之间设置，所述第二区域在大致40％和大致75％叶片高度之间和更高地延伸，其中至少两排的冷却孔在直接邻接于第二区域的第三区域中随着叶片高度升高再次朝向前缘回移地设置，所述第三区域在100％叶片高度处终止。

该设计方案基于如下知识，叶片轮廓的停滞点的移动在叶片的径向内部区域中是非常窄带的，而从大致40％的叶片高度起，移动增大并且此外是压力侧。与此相应地，至少两排的冷却孔在40％至100％的范围中朝向压力侧移动，其中优选地在大致75％叶片高度处设置有最大压力侧移动。关于叶片的弦长，压力侧最大移动的值不大于叶片轮廓弦长的5％，最小优选然而为至少2％。

就此而言，对于至少两排的冷却孔得出在0％至40％叶片高度的范围中非常直线的设计方案和对于在40％和100％叶片高度之间的部段所述排的朝压力侧拱曲的轮廓。尤其在不同的运行点处，例如在低的部分负载的情况下，出现停滞线的这种移动，使得设为用于尤其柔性地运行的燃气轮机的叶片具有这种构型。

对上述设计方案补充地，尤其有利的是，在至少两排的冷却孔之间的第一间距沿着前缘改变，使得第一间距对于一些叶片高度是不同大的。借助所述措施，涡轮叶片在前缘的区域中的局部冷却能力能够局部地匹配于个体化的温度负载。

当然，对于每个涡轮叶片高度能够通过横截面观察来确定叶片轮廓，所述叶片轮廓已知地具有拱曲的液滴的形状。每个叶片轮廓因此在前缘的区域中具有凸起半径，其中叶片轮廓在冷却孔的高度上具有在至少两排之间的第一间距，其大小处于所属的凸起半径的0.4倍和0.7倍之间的范围中。深入研究已经发现，冷却的有效性与不同排的冷却孔的间距和前缘的曲率、所谓的凸起半径以及拱曲线的长度、叶片数量和叶片轮廓的转向相关。那么确定，当在不同排的位于相同的叶片高度上的冷却孔之间的第一间距处于要求保护的区间中时，能够实现前缘区域的尤其有效的冷却。

根据另一有利的设计方案，第一间距在一半叶片高度处最小并且朝向两个端部增大。增大是尤其适度的。

为了对于不同的叶片高度进一步地根据需要调整前缘的冷却，优选地，每个冷却孔都具有调节冷却剂流量的节流横截面，其中一些冷却孔的节流横截面的大小不同。尤其优选地，冷却孔在一半叶片高度的范围中的节流横截面大于冷却孔在距一半叶片高度更远的区域中的节流横截面。

所述设计方案基于如下知识，在一半叶片高度和与其直接邻接的区域中与在前缘的更远离一半叶片高度的区域中相比存在略微提高的冷却需求。

尤其优选的是如下设计方案，其中至少两排冷却孔设置在到达的热气流的中间驻点线两侧。在该处热气流以分成朝向压力侧和朝向吸力侧流动的份额的方式朝向两侧偏转，使得由于在两侧设置冷却孔，位于其下的构件壁尤其有效地保护免于热气的高的温度。

根据另一有利的设计方案，至少两排中的每排的冷却孔在叶片的叶根侧端部附近和叶尖侧端部附近与在一半叶片高度上的对应排的冷却孔相比进一步朝向吸力侧设置。波浪线随后在所述点之间在不改变其曲率的符号的情况下延伸，使得其仅轻微地弯曲。深入研究显示出，所述变型形式尤其对于导向叶片示出更有益的冷却构型，因为在所述叶片中，驻点移动在叶片的端部上与在其中心中相比更多地并且此外朝向吸力侧出现。与一半叶片高度上、即在50％叶片高度处的同一排的冷却孔的位置相比，靠近叶片的端部的相关的冷却孔朝向吸力侧的最大移动那么仅为数毫米，尤其2mm。

根据设计方案，此外为了避免前缘的局部热学过载有帮助的是，在上述设计方案中在压力侧在至少两排旁设有另外的然而缩短的一排基本上均匀间隔开的冷却孔，其中另一排的长度在叶片高度的50％和60％之间并且另一排冷却孔基本上居中地设置在叶片的两个端部之间。另一排在本申请的范围中基本上居中地设置，只要其由一半叶片高度分成两部分，其较短的部分不短于另一排的长度的1/3。另一排的冷却孔的长度沿与叶片高度相同的方向检测。

优选地，叶片是静态燃气轮机的涡轮叶片的、尤其涡轮导向叶片的一部分。

附图说明

下面，现在根据在附图中示出的实施例详细描述和阐述本发明。在其中示出：

图1在立体图中示出根据第一实施例的具有根据本发明的叶片的涡轮转子叶片，

图2在立体图中示出根据第二实施例的具有根据本发明的叶片的涡轮转子叶片，

图3示出根据第一实施例的叶片的叶片轮廓，和

图4示出根据第三实施例的具有根据本发明的叶片的涡轮导向叶片的示意图。

具体实施方式

在实施例和图中，相同的或起相同作用的特征分别设有相同的附图标记。示出的特征和其相互间的大小关系原则上不应视为是符合比例的，更确切地说，为了更好的视图和/或更好的理解，个别元件能够在比例上尺寸更大地示出。

在图1中在立体图中示出涡轮转子叶片10。涡轮叶片10彼此跟随地包括基本上杉树形的叶片根部12，在所述叶片根部上作为端壁连接有热气平台14。在其朝向热气S的表面上设置有根据第一实施例的根据本发明的叶片16。叶片16已知地包括前缘18和后缘20，吸力侧壁17和压力侧壁19在所述前缘和后缘之间延伸。在相对于其的横向方向上，叶片16从0％叶片高度处的叶根侧端部21延伸至在100％叶片高度处的叶尖侧端部23。沿着前缘18设置有两排R₁、R₂的冷却孔22。两排R₁、R₂沿着具有多个波峰和波谷的波浪线伸展并且同时在中间的驻点线24的两侧设置。

本发明的第二实施例在图2中示出。替代排R₁、R₂中的冷却孔22的整体波浪形的设置，在此由隆起的部段跟随的区域是直线的。详细地，两排R₁、R₂的冷却孔22在位于径向内部的第一区域中设置成，使得其平行于前缘18在所述前缘的两侧设置。所述第一区域B₁在0％和大致40％叶片高度之间延伸。在径向外部与此连接地设有第二区域B₂。所述第二区域在大致75％的叶片高度处终止。在所述区域中，两排R₁、R₂的冷却孔22随着高度增大继续朝向压力侧的方向移动，直至其在大致75％叶片高度处已经实现远离前缘18的最大移动。在连接于此的第三区域B₃中，两排R₁、R₂的冷却孔22再次朝向前缘18的方向回移。

借助于两个示出的实施例可行的是，涡轮叶片10的前缘18针对不同的迎流条件和不同的运行方式调整，以达到在适度使用冷却剂的情况下继续充分地冷却前缘18。尤其通过使用仅两排R₁、R₂的冷却孔22来替代三排，在涡轮叶片10中的制造耗费能够明显降低。较少数量的冷却孔22同时表示，裂纹产生的风险已经降低。此外，冷却剂、尤其冷却空气的量减少，这有助于提高涡轮机效率。

在两个图中，冷却孔22仅示意地作为圆圈示出，其中其节流横截面通过不同大小的圆圈示意地示出。当然，冷却孔22能够为膜冷却孔，所述膜冷却孔具有扩散器类型的开口。其扩散器甚至能够轮廓化地构成。在叶片16的表面上在冷却孔22之间的横向地待检测的间距A在不同的叶片高度上也能够是不同大小的。

图3此外作为叶片轮廓28示出贯穿根据图1的第一实施例的叶片16的横截面。假设的线居中地在吸力侧壁17和压力侧壁19之间延伸，所述假设的线作为叶片轮廓中线或拱曲线已知。叶片轮廓中线设有附图标记30。叶片轮廓中线30的在最前方设置的点限定前缘18。根据叶片轮廓28的实际迎流或错误迎流，停滞点25在前缘18不远处朝向压力侧19或朝向吸力侧17轻微地移动。每个叶片轮廓剖面的在任意叶片高度上可确定的(中间的)停滞点25共同地形成驻点线24。凸起半径用R表示。

本发明的第三实施例在图4中示出。其立体地示出构成为导向叶片的涡轮叶片，其中叶片根部12包括两个钩状的轨道，用于将叶片固定在未进一步示出的叶片载体上。与在图1中示出的转子叶片相反地，在叶片的叶根侧端部21上和在叶尖侧端部23上设有平台14，以限制流动路径。叶片16在此之间沿着其叶片高度延伸。如详细的研究已经示出的，在这种导向叶片中，驻点线24朝向叶片16的端部21、23明显地朝向吸力侧移动。与此相应地，至少两排R₁、R₂的冷却孔18也类似地设置：以在一半叶片高度上的冷却孔开始，在每排R₁、R₂之内，朝向平台14以变小的间距设置的冷却孔进一步朝向吸力侧设置。驻点线24轻微弯曲，而不改变其曲率的符号。此外，另外的、然而缩短的一排基本上均匀间隔开的冷却孔18在压力侧在两排R₁、R₂旁边设置。所述另一排R₃根据该实施例居中地设置在两个平台14或两个端部21、23之间，并且仅在55％叶片高度的长度上延伸。因此，所述另一排短于两排R₁、R₂。如果需要，那么能够在前缘附近局部地设置另外的、个别的冷却孔。

整体上，本发明涉及用于涡轮叶片10的叶片16，包括可由热气S迎流的前缘18，吸力侧壁17和压力侧壁19从所述前缘开始朝向叶片16的后缘20延伸，其中叶片16沿相对于其的横向方向从具有0％叶片高度的叶根侧端部21朝向具有100％叶片高度的叶尖侧端部23延伸，所述叶片具有沿着前缘设置的两排R₁、R₂的冷却孔22，所述冷却孔相互间具有垂直于前缘18待检测的第一间距A。为了提供在冷却耗费减小的情况下能够针对不同的运行条件继续可靠地冷却前缘18的涡轮叶片而提出，两排R₁、R₂的冷却孔22至少部分地沿着前缘18以波浪线设置。

Claims (11)

1.一种用于涡轮叶片的空心的叶片(16)，包括能由热气迎流的前缘，吸力侧壁(17)和压力侧壁(19)从所述前缘开始延伸至所述叶片(16)的后缘(20)，其中所述叶片(16)在相对于其的横向方向上从具有0％叶片高度的叶根侧端部延伸至具有100％叶片高度的叶尖侧端部(23)，

所述叶片具有沿着所述前缘(18)设置的至少两排的冷却孔(22)，所述至少两排的冷却孔相互间具有垂直于所述前缘(18)的待检测的第一间距，

其特征在于，

所述至少两排的冷却孔(22)至少部分地沿着所述前缘(18)以波浪线设置，其中所述至少两排的冷却孔(22)在到达的热气流的驻点线(24)的两侧设置，其中所述波浪线在不改变其曲率的符号的情况下轻微弯曲成，使得所述至少两排中的每排的冷却孔(22)在所述叶片的所述叶根侧端部(21)和所述叶尖侧端部(23)处与一半叶片高度上的对应排的冷却孔(22)相比进一步朝向吸力侧设置。

2.根据权利要求1所述的叶片，

其中所述至少两排的冷却孔(22)沿着所述前缘(18)的总延伸在0％和100％叶片高度之间以波浪线设置。

3.根据权利要求1或2所述的叶片，

其中在最大移动的叶片高度上检测，压力侧的最大移动为叶片轮廓弦长的2％至10％，所述叶片轮廓弦长对应于在所述前缘(18)和所述后缘(20)之间的轴向间距。

4.根据权利要求1或2所述的叶片，

其中在所述至少两排之间的所述第一间距沿着所述前缘(18)改变。

5.根据权利要求1或2所述的叶片，

其中对于每个叶片高度能够确定叶片轮廓(28)，所述叶片轮廓(28)在所述前缘(18)的区域中具有凸起半径，其中所述叶片轮廓在冷却孔(22)的高度上具有在所述至少两排之间的第一间距，所述第一间距的大小处于相关的凸起半径的0.4倍和0.7倍之间的范围中。

6.根据权利要求5所述的叶片，

其中所述第一间距在叶片高度一半处最小，并且朝向两个端部增大。

7.根据权利要求1或2所述的叶片，

其中每个冷却孔具有调节冷却剂流量的节流横截面，其中一些冷却孔(22)的所述节流横截面是不同大小的。

8.根据权利要求5所述的叶片，

其中所述冷却孔(22)在一半叶片高度的区域中的节流横截面大于所述冷却孔(22)在更远离一半叶片高度的区域中的节流横截面。

9.根据权利要求1所述的叶片，

其中在所述至少两排旁，在压力侧相邻地设有另一排的冷却孔(22)，其中所述另一排的长度在所述叶片高度的50％和60％之间，并且所述另一排居中地设置在所述叶片(16)的叶根侧端部(21)和叶尖侧端部(23)之间。

10.一种用于静态燃气轮机的涡轮叶片(10)，包括根据权利要求1至9中任一项所述的叶片(16)。

11.根据权利要求10所述的涡轮叶片，其中所述涡轮叶片构成为涡轮导向叶片。

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