CN112855279A - 用于燃气涡轮机的叶片及包括所述叶片的电力生产设备 - Google Patents

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CN112855279A CN202011363193.9A CN202011363193A CN112855279A CN 112855279 A CN112855279 A CN 112855279A CN 202011363193 A CN202011363193 A CN 202011363193A CN 112855279 A CN112855279 A CN 112855279A
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Abstract

本发明涉及一种用于燃气涡轮机(5)的叶片，其设有沿翼展方向(S)从基部(21)延伸到尖端(22)的翼型件(18)；翼型件(18)包括限定前缘(27)、后缘(28)、压力侧(24)和吸入侧(25)的外壁(23)；翼型件(18)包围至少一个冷却管(36;36a,36b,36c)，冷却管沿翼展方向(S)延伸，并且在使用中被供给以冷却流体；尖端(22)设有边沿(29)，其至少沿前缘(27)、吸入侧(25)和压力侧(24)遵循尖端横截面轮廓；翼型件(18)设有冷却通道(42)，冷却通道将至少一个冷却管(36;36a)与后缘(28)处的开口(44)连接，并且设有至少一个初级边沿冷却孔(45)，其连接到冷却通道(42)并布置在边沿(29)上。

Description

用于燃气涡轮机的叶片及包括所述叶片的电力生产设备
相关申请的交叉引用
本专利申请请求享有2019年11月28日提交的欧洲专利申请号19212001.2的优先权，其全部公开内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及一种用于燃气涡轮机的叶片以及包括所述叶片的电力生产设备。尤其地，本发明涉及对燃气涡轮机叶片的改进的冷却。优选地，电力生产设备连接到电网。
背景技术
在电能生产设备的操作期间，燃气涡轮机的叶片不断地暴露于来自燃烧室的热气流。
燃气涡轮机中流动的热气温度影响设备的性能。尤其地，设备的性能随着涡轮内流动的热气温度的升高而提高。
然而，在燃气涡轮机中流动的热气的温度的上升受到构成叶片的材料的热阻的限制。
为了克服这种限制，近年来，已经采用了用于叶片的冷却系统。一般而言，驱使从压缩机抽出或来自专用冷却空气源的冷却空气穿过叶片。
尤其暴露于热气中的是叶片的尖端区域。实际上，通常在叶片的尖端处存在热气的泄漏流。为了减少所述泄漏，经常使用尖端护罩(shroud)。然而，使用尖端护罩并不有效，因为尖端护罩会增加叶片的重量，并还可导致空气动力学损失。
因此，已知的是使用其中尖端设有边沿(rim)的叶片，所述边沿成形成使得减少热气泄漏。在文献US 2017/0284207或US 2005/0232771中公开了在叶片的尖端处设有边沿的叶片的实例。
然而，由于通过在尖端区域产生热气涡流来获得泄漏减少，所以常常在尖端部分处出现加热问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种具有优化的尖端冷却系统的叶片，其能够改善叶片的热阻，允许进一步提高燃气涡轮机中流动的气体的温度，并降低热力学损失，因此结果是改善设备性能。
根据本发明，提供了一种用于燃气涡轮机的叶片，该叶片包括沿翼展方向从基部延伸到尖端的翼型件；该翼型件包括外壁，该外壁限定了前缘、后缘、压力侧和吸入侧；翼型件包围至少一个冷却管，该冷却管沿翼展方向延伸并且在使用中被供给以冷却流体；尖端设有边沿，其至少沿前缘、吸入侧和压力侧遵循尖端横截面轮廓；
翼型件设有冷却通道，其将至少一个冷却管与后缘处的开口连接，并且设有至少一个初级边沿冷却孔，其连接至冷却通道并布置在边沿上。
由于至少一个初级边沿冷却孔的存在，改善了边沿的冷却。随着边沿的冷却效率的提高，可抽取较低的冷却流体流率以冷却叶片。由于冷却流体通常是从设备的压缩机中抽取的，因此这导致了设备效率的显著提高。此外，还减少了热气工作流体在叶片尖端处的泄漏，从而提高了设备的效率。
根据本发明的优选实施例，冷却通道相对于翼展方向横向延伸。尤其地，冷却通道42的轴线与面向尖端的翼展方向之间的角度介于20°与90°之间。
以此方式，冷却通道可在叶片的未正常冷却的部分中执行有效的冷却作用，并且同时定位成使得允许与初级边沿冷却孔的适当连接。
根据本发明的优选实施例，其中至少一个初级边沿冷却孔沿压力侧布置。以此方式，获得了压力侧上的边沿的适当冷却。
根据本发明的优选实施例，其中至少一个初级边沿冷却孔沿吸入侧布置。以此方式，获得了吸入侧上的边沿的适当冷却。
根据本发明的优选实施例，边沿限定了具有底部的尖端腔；底部设有连接至冷却通道的至少一个初级底部冷却孔。以此方式，获得了由边沿形成的尖端腔的底部的适当冷却。
根据本发明的优选实施例，边沿沿尖端的横截面轮廓延伸，在后缘处留下孔口。以此方式，进入尖端腔的热气工作流体的泄漏流可通过孔口流出。
根据本发明的优选实施例，叶片包括至少一个次级边沿冷却孔，其连接至冷却管并布置在边沿上。优选地，该至少一个次级边沿冷却孔沿压力侧和/或沿吸入侧布置。以此方式，边沿的冷却得到改善。
根据本发明的优选实施例，叶片包括至少一个次级底部冷却孔，其连接至冷却管并布置在尖端腔的底部上。以此方式，尖端的冷却得到改善。
根据本发明的优选实施例，冷却通道具有椭圆形的横截面。以此方式，由通道所占据的空间最小，并且同时，用于获得所述通道的钻孔阶段是简单且较便宜的。
根据本发明的优选实施例，至少一个初级冷却孔通过连接通道连接到冷却通道，该连接通道具有与冷却通道连接的入口部分和与初级冷却孔连接的出口部分；出口部分具有朝着初级冷却孔扩张的横截面。优选地，入口部分具有恒定的横截面。以此方式，离开初级冷却孔的冷却流体具有适当的流体动力学特性，以致于产生能够减少热气工作流体泄漏到尖端腔中的涡流。
此外，本发明的另一个目的在于提供一种具有提高的功率效率的用于电力生产的设备。
根据所述目的，本发明涉及一种用于电力生产的设备，该设备包括至少一个燃气涡轮机，该燃气涡轮机沿纵向轴线延伸并且包括至少一排叶片，所述叶片沿周向间隔开并且从燃气涡轮机的相应支承盘沿径向向外延伸；该排叶片中的至少一个是根据权利要求1至14中任一项所要求保护的类型。
附图说明
现在将参考附图描述本发明，附图示出了一些非限制性实施例，在附图中：
图1是包括根据本发明的叶片的电力生产设备的示意图，其中为了清楚起见而移除了一些部分，并且以截面示出了一些部分；
图2是根据本发明的叶片的示意性透视图，其中为了清楚起见而移除了一些部分;
图3是图2的叶片的第一细节的示意性前部透视图，其中为了清楚起见而移除了一些部分；
图4是图2的叶片的第一细节的示意性后部透视图，其中为了清楚起见而移除了一些部分；
图5是沿图2的叶片的平面V-V的截面视图；
图6是图2的叶片的第二细节的示意性视图，其中以截面示出一些部分且为了清楚起见而移除一些部分；
图7是图2的叶片的第三细节的示意性视图，其中以截面示出一些部分且为了清楚起见而移除一些部分；
图8是图2的叶片的第四细节的示意性视图，其中以截面示出一些部分且为了清楚起见而移除一些部分。
具体实施方式
在图1中，参考标记1表示用于电能产生的燃气涡轮机设备，该燃气涡轮机设备包括压缩机3、燃烧器4、燃气涡轮机5和发电机7，发电机将由燃气涡轮机5供应的机械能转换成待供应给电网8的电力，电网经由开关9连接到发电机7。
未示出的变型规定设备1为联合循环类型，并且除了燃气涡轮机5和发电机7之外还包括蒸汽涡轮机。
燃气涡轮机5沿纵向轴线A延伸，并设有轴10(也沿轴线A延伸)，压缩机3和发电机7也连接至轴。
燃气涡轮机5包括膨胀通道12，来自燃烧器4的热气工作流体在膨胀通道中沿方向D流动。
膨胀通道12具有截面，该截面沿轴线A在方向D上沿径向增大。
在膨胀通道12中，布置了沿纵向轴线A间隔开的多个级13。每个级13包括一排固定叶片和一排旋转叶片(图1中未示出)。每排包括从相应的支承盘沿径向向外延伸的沿周向间隔开的叶片。
在图2中，示出了燃气涡轮机5的级13的叶片15。
优选地，叶片15是旋转叶片。
叶片15包括根部17、翼型件18和平台20。
根部17构造成联接至燃气涡轮机5的支承盘(在附图中未示出)。尤其地，盘具有多个轴向座，多个轴向座沿周向间隔开并且由旋转叶片15的相应根部17接合。
翼型件18从根部17沿翼展方向S延伸，并且设有联接至根部17的基部21和沿翼展方向S与基部21相对的尖端22。
在使用中，当叶片15联接至支承盘时，翼展方向S相对于燃气涡轮机5的轴线A基本上径向地布置。
翼型件18完全容纳在膨胀通道12中，并且限定了旋转叶片15的空气动力学轮廓。
翼型件18包括外壁23，该外壁在外部限定出凹入压力侧24、凸出吸入侧25、前缘27和后缘28。
在使用中，压力侧24和吸入侧25在前缘27和后缘28之间沿轴向延伸，并且在基部21和尖端22之间沿径向延伸。
在使用中，前缘27沿膨胀通道12中的热工作流体的方向D布置在后缘28的上游。
平台20布置在根部17和翼型件18之间。
参看图2、3和4，叶片15还包括在尖端22处的边沿29。
尤其地，边沿29至少沿前缘27、吸入侧25和压力侧24遵循尖端横截面轮廓，并且优选地在后缘28处留下孔口30。表述"横截面轮廓"是指通过使翼型件18在尖端22处与垂直于翼展方向S的平面相交而获得的翼型件18的轮廓。
边沿29从尖端22突出。
以此方式，边沿29限定了具有底部32的尖端腔31。底部32是尖端表面。
优选地，边沿29在前缘27处沿翼展方向S从尖端22突出，而边沿29至少在吸入侧25的靠近后缘28的区域中并且至少在压力侧24的靠近后缘28的区域中从尖端22向外延伸。
以此方式，边沿29在后缘28处限定出具有基本上Y形状的尖端22(图3)。
优选地，边沿29与尖端22制成一体。
参看图2，叶片15设有冷却系统35。
冷却系统35包括在根部17中制成的多个供给通道(未示出)、在翼型件18中制成并被供给以来自根部17中的供给通道的冷却流体的至少一个冷却管36(在图3和图6中可见)，以及边沿冷却组件38(图6)。
供给通道被供应以来自冷却流体源39的冷却流体。优选地，冷却流体源39是压缩机3的一部分。在图1中示出了专用于从压缩机3抽吸冷却空气并连接到燃气涡轮机5的抽吸管线40。
参看图5，冷却组件29优选地包括在翼型件18中的多个冷却管36，其由外壁23包围。
尤其地，冷却组件29包括布置在后缘28处的至少一个冷却管36a、布置在前缘27处的一个冷却管36b，以及布置在冷却管36a和冷却管36b之间的至少一个冷却管36c。
在这里公开和示出的非限制性实例中，冷却组件29包括六个冷却管36：布置在后缘28处的一个冷却管36a、布置在前缘27处的两个冷却管36b，以及布置在冷却管36a和冷却管36b之间的三个冷却管36c。
参看图5和图6，边沿冷却组件38还包括：将至少一个冷却管36与在后缘28处的开口44连接的冷却通道42、连接到冷却通道42并布置在边沿29上的至少一个初级边沿冷却孔45，以及优选至少一个次级边沿冷却孔46和至少一个初级底部冷却孔47。
优选地，冷却通道42至少连接到布置在后缘28处的冷却管36a。
冷却通道42相对于翼展方向S横向地延伸。
优选地，在冷却通道42的轴线O与翼展方向S之间形成的并且面对尖端22的角度α介于20°与90°之间(见图7)。
优选地，冷却通道42具有椭圆形的横截面。
根据未示出的变型，冷却通道42的横截面可为矩形或圆形的。
参看图3和图4，边沿冷却组件38包括多个初级边沿冷却孔45。
优选地，初级边沿冷却孔45沿压力侧24和/或沿吸入侧25布置在边沿29上。
尤其地，初级边沿冷却孔45在后缘28附近沿压力侧24和/或沿吸入侧25布置在边沿29上。
参看图3，布置在压力侧24上的初级边沿冷却孔45定位成与边沿29的外表面43有距离DPPS。沿翼展方向S从边沿29的外表面43到初级边沿冷却孔45的中心测量距离DPPS。
优选地，距离DPPS在翼型件18的翼展方向高度H的1％-4％之间(见图2)。
在这里公开和示出的非限制性实例中，距离DPPS是翼型件18的翼展方向高度H的2.5％。参看图4，布置在吸入侧25上的初级边沿冷却孔45定位成与边沿29的外表面43有距离DPSS。沿翼展方向S从边沿29的外表面43到初级边沿冷却孔45的中心测量距离DPSS。
优选地，距离DPSS介于翼型件18的翼展方向高度H的1％-4％之间(见图2)。
在这里公开和示出的非限制性实例中，距离DPSS是翼型件18的翼展方向高度H的2.5％。
次级边沿冷却孔46布置在边沿29上并连接至冷却管36a。
优选地，边沿冷却组件38包括沿压力侧24和/或沿吸入侧25布置在边沿29上的多个次级边沿冷却孔46。
优选地，沿压力侧24的边沿29上的次级边沿冷却孔46与布置在压力侧24上的初级边沿冷却孔45对准。
优选地，沿吸入侧25的边沿29上的次级边沿冷却孔46与布置在吸入侧25上的初级边沿冷却孔45对准。
在这里公开和示出的非限制性实例中，边沿冷却组件38还包括多个三级边沿冷却孔49，三级边沿冷却孔连接到冷却管36中的至少一个并且沿压力侧24和/或沿吸入侧25布置在边沿29上。
优选地，三级边沿冷却孔49连接至冷却管36b和36c。
优选地，三级边沿冷却孔49与布置在压力侧24上或吸入侧25上的次级边沿冷却孔46和初级边沿冷却孔45对准。
优选地，沿吸入侧25的边沿29上的次级边沿冷却孔46与布置在吸入侧25上的初级边沿冷却孔45对准。
初级底部冷却孔47布置在尖端腔31的底部32上并连接至冷却通道42。优选地，初级底部冷却孔47在后缘28附近布置在尖端腔31的底部32上。
优选地，边缘冷却组件38还包括至少一个次级底部冷却孔48，其布置在尖端腔31的底部32上并且连接至冷却管36a。
在这里公开和示出的非限制性实例中，边沿冷却组件38包括多个次级底部冷却孔48。
参看图6和8，初级冷却孔45通过连接通道50连接到冷却通道42。连接通道50沿轴线B延伸，并且具有连接到冷却通道42的入口部分51和连接到初级冷却孔45的出口部分52；出口部分52具有朝向初级冷却孔45扩张的横截面，而入口部分51具有恒定的横截面。
入口部分51具有轴向长度Lc，而连接通道50具有轴向长度L。
优选地，比率Lc/L介于0.1与0.3之间。
优选地，出口部分52具有扩张侧53，扩张侧与平行于轴线B的方向形成角度β。
优选地，角度β介于5°与10°之间。
在使用中，来自冷却流体源39的冷却流体供给到冷却管36。尤其地，冷却管36a中的冷却流体通过连接至冷却通道4的初级边沿冷却孔45、次级边沿冷却孔46、初级底部冷却孔47和次级底部冷却孔48排出。
以此方式，获得了边沿29的最佳冷却。此外，通过初级边沿冷却孔45和次级边沿冷却孔46离开的冷却流体产生能够阻止热气工作流体泄漏到尖端腔室31中的涡流。
最后，显然，可对本文所述的叶片和燃气涡轮机做出修改和变型，而不脱离如所附权利要求所限定的本发明的范围。

Claims (15)

1.用于燃气涡轮机的叶片(5)，包括：
沿翼展方向(S)从基部(21)延伸到尖端(22)的翼型件(18)；所述翼型件(18)包括限定前缘(27)、后缘(28)、压力侧(24)和吸入侧(25)的外壁(23)；所述翼型件(18)包围至少一个冷却管(36; 36a,36b,36c)，所述冷却管沿翼展方向(S)延伸并且在使用中被供给以冷却流体；所述尖端(22)设有边沿(29)，所述边沿至少沿所述前缘(27)、所述吸入侧(25)和所述压力侧(24)遵循所述尖端横截面轮廓；
所述翼型件(18)设有冷却通道(42)，所述冷却通道将所述至少一个冷却管(36;36a)与所述后缘(28)处的开口(44)连接，并且设有至少一个初级边沿冷却孔(45)，所述初级边沿冷却孔连接到所述冷却通道(42)并布置在所述边沿(29)上。
2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述冷却通道(42)相对于所述翼展方向(S)横向地延伸。
3.根据权利要求2所述的叶片，其特征在于，所述冷却通道(42)的轴线与面向所述尖端(22)的翼展方向(S)之间的角度介于20°与90°之间。
4.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，其特征在于，所述至少一个初级边沿冷却孔(42)沿所述压力侧(24)布置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，其特征在于，所述至少一个初级边沿冷却孔(45)沿所述吸入侧(25)布置。
6.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，其特征在于，所述边沿(29)限定了具有底部(32)的尖端腔(31)；所述底部(32)设有连接到所述冷却通道(42)的至少一个初级底部冷却孔(47)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，其特征在于，所述边沿(29)沿所述尖端的横截面轮廓延伸，在所述后缘(27)处留下孔口(30)。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的叶片，其特征在于，所述叶片包括至少一个次级边沿冷却孔(46)，所述次级边沿冷却孔连接到所述冷却管(42)并布置在所述边沿(29)上。
9.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，其特征在于，所述至少一个次级边沿冷却孔(46)沿所述压力侧(24)布置。
10.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，其特征在于，所述至少一个次级边沿冷却孔(46)沿所述吸入侧(25)布置。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的叶片，其特征在于，所述叶片包括至少一个次级底部冷却孔(48)，所述次级底部冷却孔连接至所述冷却管(36;36a)并布置在所述尖端腔(32)的底部(32)上。
12.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，其特征在于，所述冷却通道(42)具有椭圆形的横截面。
13.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，其特征在于，所述至少一个初级冷却孔(45)通过连接通道(50)连接到所述冷却通道(42)，所述连接通道具有连接到所述冷却通道(42)的入口部分(51)和连接到所述初级冷却孔(45)的出口部分(52)；所述出口部分(52)具有朝着所述初级冷却孔(45)扩张的横截面。
14.根据权利要求13所述的叶片，其特征在于，所述入口部分(51)具有恒定的横截面。
15.用于电力生产的设备，其包括至少一个燃气涡轮机(5)，所述燃气涡轮机沿纵向轴线(A)延伸并且包括至少一排叶片(15)，所述叶片沿周向间隔开并且从所述燃气涡轮机(5)的相应支承盘沿径向向外延伸；所述一排叶片(15)中的至少一个叶片是前述权利要求中任一项所要求保护的类型。
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