CN114562340A - 涡轮叶片 - Google Patents

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CN114562340A CN202210314108.2A CN202210314108A CN114562340A CN 114562340 A CN114562340 A CN 114562340A CN 202210314108 A CN202210314108 A CN 202210314108A CN 114562340 A CN114562340 A CN 114562340A
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Abstract

涡轮叶片设置有至少一个冷却通道和多个冷却孔；每个冷却孔设置有沿主轴线具有细长形状的出口截面；出口截面的高度意图作为出口截面的沿着平行于主轴线的方向的最大尺寸的度量，该高度等于出口截面的宽度的至少两倍，该宽度意图作为出口截面的沿着正交于主轴线的方向的最大尺寸。

Description

涡轮叶片
本申请是国际申请号为PCT/IB2015/058594，国际申请日为2015年11月06日，进入国家阶段申请号为201580073591.8，发明名称为“涡轮叶片”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种涡轮叶片。
特别地，本发明涉及一种电能产生设备中的燃气涡轮的叶片。
背景技术
在电能产生设备的操作期间，燃气涡轮的叶片持续暴露于来自燃烧室的热气流中。
在燃气涡轮中流动的热气体的温度影响设备的性能。特别地，设备的性能随着涡轮内流动的气体的温度的升高而提高。
然而，燃气涡轮中流动的气体的温度的增加受到构成叶片的材料的耐热性的限制。
为了克服这种限制，近几年已经采用包括多个孔的冷却系统，这些孔沿着叶片分布并且供给有冷却空气。这些孔成形和供给为沿着叶片的表面产生一种保护性膜。这种技术通常称为“膜冷却”，并且决定涡轮叶片的耐热性的提高。以这种方式，热气体的温度可以高于适合于缺乏冷却系统的叶片的温度。这样的冷却系统的示例公开在了文献US6287075、EP1609949、US7563073、EP0228338中。
在任何情况下，已知类型的冷却系统允许有限的温度增加。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种具有优化的冷却系统的叶片，该冷却系统能够改善叶片的耐热性能并且允许燃气涡轮中流动的气体的温度进一步增加，从而改善设备性能。
为此，根据本发明的一方面，提供一种涡轮叶片，其包括至少一个冷却通道、多个冷却孔和中空的主体，主体沿着纵轴线延伸并且设置有具有外面和内面的壁；冷却通道在主体内部延伸；每个冷却孔形成在所述壁中并且包括入口部分和出口部分；涡轮叶片的特征在于，
入口部分与相应的冷却通道连通，入口部分包括具有恒定截面并且沿着延伸轴线延伸的管道，该延伸轴线相对于壁的内面成第一角度倾斜，第一角度在10°和50°之间；
出口部分具有与入口部分连通的入口截面以及沿着主轴线具有细长形状的出口截面，出口截面的高度等于出口截面的宽度的至少两倍，该高度意图作为出口截面的沿着平行于主轴线的方向的最大尺寸的度量，该宽度意图作为出口截面的沿着正交于主轴线的方向的最大尺寸的度量；
出口部分相对于入口部分成0°和5°之间的第二角度倾斜；其中第二角度限定在入口部分的延伸轴线和出口部分的延伸轴线之间；
出口部分包括彼此平行的两个底壁和朝向外面岔开的两个侧壁；其中，侧壁形成第三角度；其中，第三角度在35°和60°之间。
根据本发明的另一方面，提供一种涡轮叶片，其包括至少一个冷却通道、多个冷却孔和中空的主体，主体沿着纵轴线延伸并且设置有具有外面和内面的壁；冷却通道在主体内部延伸；每个冷却孔形成在所述壁中并且包括入口部分和出口部分；涡轮叶片的特征在于，
入口部分与相应的冷却通道连通，入口部分包括具有恒定截面并且沿着延伸轴线延伸的管道，该延伸轴线相对于壁的内面成第一角度倾斜，第一角度在10°和50°之间；
出口部分具有与入口部分连通的入口截面以及沿着主轴线具有细长形状的出口截面，出口截面的高度等于出口截面的宽度的至少两倍，该高度意图作为出口截面的沿着平行于主轴线的方向的最大尺寸的度量，该宽度意图作为出口截面的沿着正交于主轴线的方向的最大尺寸的度量；
出口部分保持与入口部分相同的倾斜度，并且沿延伸轴线延伸；
出口截面以延伸轴线为中心；
出口部分包括彼此平行的两个底壁和朝向外面岔开的两个侧壁；其中，侧壁形成第三角度；其中，第三角度在35°和60°之间。
可选地，本发明的涡轮叶片还可以具有以下一项或者多项方案：
出口截面是四边形；
入口截面具有圆形或四边形的形状；
壁成形为沿着外面限定前缘、后缘、压力面和吸力面；冷却孔至少沿着压力面形成在壁中；
主轴线平行于涡轮叶片的纵轴线；
主轴线横向于涡轮叶片的纵轴线；
出口部分包括截面朝向壁的外面逐渐增加的剖面的管道；
侧壁相对于对称轴对称；
侧壁与底壁正交；
侧壁相对于底壁倾斜，以将出口部分限定为具有梯形形状的增大横截面的管道；
冷却孔沿着多个排对齐；
多个排沿着平行于主轴线的相应方向设置；
每个排的冷却孔彼此相距沿平行于轴线的方向测得的第一距离而设置；
一排的冷却孔之间的第一距离至少等于相邻排的冷却孔的高度的沿着纵轴线的投影距离；
一排的冷却孔的孔相对于相邻排的冷却孔交错；
一排的冷却孔的孔相对于相邻排的冷却孔交错，使得所述排的至少一个冷却孔的中心设置为基本上处于相邻排的相应冷却孔之间的第一距离的中间处；
多个排以彼此相距第二距离设置，第二距离的值在横向于延伸轴线测得的入口部分的管道的最大尺寸的10倍和30倍之间。
根据本发明的涡轮叶片，由于冷却孔具有细长形状的出口截面的事实，出现冷却流体膜分布的区域比使用现有技术的叶片孔可获得的区域更宽。
本发明的另一个目的是提供一种允许使用温度比迄今为止使用的那些更高的气体的高性能电能产生设备。
为此，本发明还提供一种涡轮机，其包括至少一个上述涡轮叶片。
另外，本发明还提供一种用于产生电能的电力设备，其包括至少一个上述涡轮叶片或者上述涡轮机。
附图说明
参照附图的视图，本发明的另外的特征和优点将根据下面的非限制性示例性实施方式的描述变得清楚，在附图中：
图1是用于产生能量的燃气涡轮设备的示意图；
图2是根据本发明的叶片的一部分的立体图，其中为了清楚起见一些部分为剖视并且一些部分被移除；
图3是图2的叶片的第一细节的剖视图，其中为了清楚起见一些部分为剖视并且一些部分被移除；
图4是图2的叶片的第二细节的立体图，其中为了清楚起见一些部分为剖视并且一些部分被移除；
图5是图2的叶片的第三细节的侧视图，为了清楚起见一些部分被移除。
具体实施方式
图1用附图标记1表示电能产生设备的一部分。
电能产生设备1为已知类型，并且包括内部有空气流流动的压缩机2、供应有来自压缩机2的空气和燃料的燃烧室3、来自燃烧室3的气体在内部流动的燃气涡轮4以及机械地连接到燃气涡轮4和压缩机2的相同轴6并且接合到配电网络7的发电机5。
压缩机2和燃气涡轮4沿着纵轴线A延伸并且分别限定压缩通道和膨胀通道，围绕轴线A旋转的转子叶片(未在图1中示出)的径向阵列与径向成排的定子叶片(未在图1中示出)沿着压缩通道和膨胀通道交替。
图2部分示出了沿着燃气涡轮4的膨胀通道设置的叶片8。
优选地，叶片8是转子叶片。清楚的是，本发明也可以用于定子叶片。叶片8包括径向相对于轴线A沿着相应的延伸轴线B延伸的细长主体9(在图2中部分示出)、使用时接合到燃气涡轮4的相应的转子盘的第一锚固部(未在图2中示出)以及冷却装置10(在图2中部分示出)。
主体9优选是中空的并且包括设置有内面13和外面14的壁12。
壁12成形为沿着外面14限定通常称为“前缘”的入口边缘15、通常称为“后缘”的出口边缘16、称为腹部的凹面17(通常称为“压力面”)以及称为背部的凸面18(通常称为“吸力面”)。
冷却装置10包括多个冷却通道20(仅其中一些在图2中可见)以及在叶片8的壁12中制作的多个冷却孔21。
冷却通道20在主体9内部延伸并且供给有冷却流体。优选地，冷却流体为从压缩机2的压缩通道引出的空气。
优选沿着叶片8的压力面17在壁12中制作冷却孔21。
根据变型，还沿着吸力面18和/或接近叶片8的前缘15和/或接近叶片8的后缘16制作冷却孔21。
根据另一变型，冷却孔还沿着叶片8的锚固部制作，优选沿着叶片的与细长主体9接触的平台制作。
优选地，冷却孔21基本上彼此相同。因此，为了简便起见，在下文中只描述其中一个冷却孔21的特征和形状。
参照图3，每个冷却孔21穿过主体9的壁12并且包括入口部分23和出口部分24。
入口部分23与相应的冷却通道20连通(图2)并且通过具有恒定截面的管道限定，该管道沿着延伸轴线C延伸。
入口部分23的截面影响来自冷却通道20的、可以通过冷却孔21供给的冷却流体的流率。
入口部分23的截面越大，冷却流体通过冷却孔21的流率越大。入口部分23的管道具有横向于延伸轴线C测得的最大尺寸D。在这里描述和图示的非限制性示例中，入口部分23的管道具有圆形横截面并且最大尺寸D与管道的直径一致。
在这里描述和图示的非限制性示例中，入口部分的管道的直径D在0.40mm和0.80mm之间。
参照图3和图4，入口部分23沿着延伸轴线C延伸，延伸轴线C优选相对于壁12的内面13成第一角度α倾斜。
角度α在10°和50°之间，例如在30°和50°之间，例如在30°和40°之间。
在这里描述和图示的非限制性示例中，角度α等于36°。
出口部分24连接到入口部分23并且通过截面朝向壁12的外面14逐渐增大的管道限定。
优选地，出口部分24保持与入口部分23相同的倾斜度，并且沿图4所示的延伸轴线C延伸。
根据未示出的变型，出口部分24相对于入口部分23成0°和5°之间的角度倾斜。
参照图3，出口部分24具有与入口部分23连通的入口截面25以及沿着壁12的外面14形成的出口截面26。
入口截面25具有优选为圆形或四边形的形状，而出口截面26优选为四边形。
优选地，出口截面26以延伸轴线C为中心。
参照图2和图5，出口截面26沿着主轴线E具有细长形状，并且以最大高度H和宽度L为特征，该高度H意图作为出口截面26的沿着平行于主轴线E的方向的最大尺寸的度量，宽度L意图作为出口截面26的在正交于主轴线E的方向上的最大尺寸。
优选地，高度H等于宽度L的至少两倍。
根据变型，高度H等于宽度L的至少3倍。
根据另一变型，高度H等于宽度L的至少4倍。
在这里描述和图示的非限制性示例中，高度H比宽度L大4倍。
在这里描述和图示的非限制性示例中，主轴线E基本上平行于叶片8的轴线B。
参照图3和图5，出口部分24通过两个底壁28和两个侧壁29限定，两个底壁28优选为彼此平行，两个侧壁29朝向出口截面26彼此岔开以限定截面朝向出口截面26增加的管道。
参照图5，侧壁29是岔开的并且在它们之间限定角度β。
优选地，角度β在35°和60°之间，例如在40°和60°之间。
在这里描述和图示的非限制性示例中，角度β为大约50°。
根据未示出的变型，角度β为约40°。
优选地，侧壁29相对于对称轴对称。
在这里描述和图示的非限制性示例中，对称轴与延伸轴线C重合。
侧壁29优选与底壁28正交。
优选地，侧壁29和底壁28之间的边缘被弄圆，以改善结构的稳定性。
根据未示出的变型，侧壁29相对于底壁28倾斜，例如以限定具有梯形形状的增大横截面的管道。
底壁28和侧壁29从入口截面25延伸到出口截面26。
参照图2，冷却孔21沿着压力面17交错，以确保它们面向的叶片8的部分均匀冷却。
特别地，冷却孔21分布成多排32的对齐的孔。
多排32优选彼此平行并且沿着平行于主轴线E的方向设置。
在这里描述和图示的示例中，其中主轴线E平行于轴线B，多排32沿着平行于轴线B的相应方向设置。
根据未示出的变型，主轴线E横向于轴线B，因此多排32沿着横向于轴线B的相应方向设置。
每排32的冷却孔21以彼此相距沿着平行于轴线B的方向测得的距离p而设置。
一排32的冷却孔21之间的距离p优选至少等于相邻排32的冷却孔21的高度H的沿着轴线B的投影距离(projection)。
多个排32以彼此相距距离d设置，距离d的值优选在入口部分23的直径D的10倍和30倍之间。
如已经说明的，一排32的冷却孔21相对于相邻排32的冷却孔21交错。优选地，孔之间的交错使得，该排32的至少一个冷却孔21的中心基本上设置在相邻排32的对应冷却孔21之间的距离p的一半处。
以这种方式，冷却孔21的特定设置确保冷却流体基本上覆盖叶片8的设置有冷却孔21的压力面17的整个表面。
根据本发明的叶片8的冷却装置10的效率η高于使用已知类型的叶片冷却装置可得到的效率。
对于这方面，效率η是指：
η＝(T热气体–T壁)/(T热气体–T冷却流体)
其中：
T热气体＝燃气涡轮4中流动的气体的温度；
T壁＝叶片8的壁12的温度；
T冷却流体＝在叶片8内部检测到的冷却流体的温度。
由于冷却孔21的特定的几何结构和设置，根据本发明的叶片8的冷却装置10的效率η高于在相等的冷却流体的流动下对于已知类型的叶片可得到的效率。
事实上，相对于在具有标准形状和设置的冷却孔的情况下可得到的T壁，冷却孔21的特定的形状和设置降低了T壁。这还在燃气涡轮4的操作状况引起热气体的温度T热气体升高时允许对叶片8进行适当的热保护。
因此，根据本发明的孔的几何结构和设置允许在燃气涡轮4中循环的热气体的温度T热气体升高和/或通常从压缩机2取出的冷却流体的所需的流率降低。
冷却流体速率的降低以及燃气涡轮4中循环的热气体的温度T热气体的增加决定了设备1的整体效率的提高。
在这里描述和图示的孔的特定的非限制性示例中，冷却孔21的形状和设置引起相对于标准叶片的效率值η的明确提高以及同时所消耗的冷却流体的减少。
最后，根据本发明的叶片8的冷却孔21的特定设置决定暴露于热气流中的壁12的表面基本完全覆盖。事实上，冷却孔21被设置为，使得流出一排32的冷却孔21的冷却空气流完全覆盖相邻排32的两个冷却孔21之间的空间。
此外，如果叶片8的冷却孔21以高度H等于宽度L的至少两倍为特征，则冷却孔21的特定设置特别有利；否则，所描述的孔的特定设置导致冷却孔之间的距离过分减小并且导致孔的数量急剧增加，结果造成所消耗的冷却流体增加以及叶片的结构性质下降。
最后，相对于根据现有技术的孔的制造所使用的加工处理，根据本发明的叶片8的冷却孔21的特定几何结构和设置不需要特殊的加工处理。
最终，显而易见的是，上述叶片和设备可以在不背离所附权利要求书的范围的情况下进行修改和变化。

Claims (20)

1.一种涡轮叶片，其包括至少一个冷却通道(20)、多个冷却孔(21)和中空的主体(9)，主体(9)沿着纵轴线(B)延伸并且设置有具有外面(14)和内面(13)的壁(12)；冷却通道(20)在主体(9)内部延伸；每个冷却孔(21)形成在所述壁(12)中并且包括入口部分(23)和出口部分(24)；涡轮叶片的特征在于，
入口部分(23)与相应的冷却通道(20)连通，入口部分(23)包括具有恒定截面并且沿着延伸轴线(C)延伸的管道，该延伸轴线(C)相对于壁(12)的内面(13)成第一角度(α)倾斜，第一角度(α)在10°和50°之间；
出口部分(24)具有与入口部分(23)连通的入口截面(25)以及沿着主轴线(E)具有细长形状的出口截面(26)，出口截面(26)的高度(H)等于出口截面(26)的宽度(L)的至少两倍，该高度(H)意图作为出口截面(26)的沿着平行于主轴线(E)的方向的最大尺寸的度量，该宽度(L)意图作为出口截面(26)的沿着正交于主轴线(E)的方向的最大尺寸的度量；
出口部分(24)相对于入口部分(23)成0°和5°之间的第二角度倾斜；其中第二角度限定在入口部分(23)的延伸轴线和出口部分(24)的延伸轴线之间；
出口部分(24)包括彼此平行的两个底壁(28)和朝向外面(14)岔开的两个侧壁(29)；其中，侧壁(29)形成第三角度(β)；其中，第三角度(β)在35°和60°之间。
2.一种涡轮叶片，其包括至少一个冷却通道(20)、多个冷却孔(21)和中空的主体(9)，主体(9)沿着纵轴线(B)延伸并且设置有具有外面(14)和内面(13)的壁(12)；冷却通道(20)在主体(9)内部延伸；每个冷却孔(21)形成在所述壁(12)中并且包括入口部分(23)和出口部分(24)；涡轮叶片的特征在于，
入口部分(23)与相应的冷却通道(20)连通，入口部分(23)包括具有恒定截面并且沿着延伸轴线(C)延伸的管道，该延伸轴线(C)相对于壁(12)的内面(13)成第一角度(α)倾斜，第一角度(α)在10°和50°之间；
出口部分(24)具有与入口部分(23)连通的入口截面(25)以及沿着主轴线(E)具有细长形状的出口截面(26)，出口截面(26)的高度(H)等于出口截面(26)的宽度(L)的至少两倍，该高度(H)意图作为出口截面(26)的沿着平行于主轴线(E)的方向的最大尺寸的度量，该宽度(L)意图作为出口截面(26)的沿着正交于主轴线(E)的方向的最大尺寸的度量；
出口部分(24)保持与入口部分(23)相同的倾斜度，并且沿延伸轴线(C)延伸；
出口截面(26)以延伸轴线(C)为中心；
出口部分(24)包括彼此平行的两个底壁(28)和朝向外面(14)岔开的两个侧壁(29)；其中，侧壁(29)形成第三角度(β)；其中，第三角度(β)在35°和60°之间。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片，其中，出口截面(26)是四边形。
4.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片，其中，入口截面(25)具有圆形或四边形的形状。
5.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片，其中，壁(12)成形为沿着外面(14)限定前缘(15)、后缘(16)、压力面(17)和吸力面(18)；冷却孔(21)至少沿着压力面(17)形成在壁(12)中。
6.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片，其中，主轴线(E)平行于涡轮叶片(8)的纵轴线(B)。
7.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片，其中，主轴线(E)横向于涡轮叶片(8)的纵轴线(B)。
8.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片，其中，出口部分(24)包括截面朝向壁(12)的外面(14)逐渐增加的剖面的管道。
9.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片，侧壁(29)相对于对称轴对称。
10.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片，侧壁(29)与底壁(28)正交。
11.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片，侧壁(29)相对于底壁(28)倾斜，以将出口部分限定为具有梯形形状的增大横截面的管道。
12.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片，其中，冷却孔(21)沿着多个排(32)对齐。
13.根据权利要求12所述的涡轮叶片，其中，多个排(32)沿着平行于主轴线(E)的相应方向设置。
14.根据权利要求12所述的涡轮叶片，其中，每个排(32)的冷却孔(21)彼此相距沿平行于轴线(B)的方向测得的第一距离(p)而设置。
15.根据权利要求14所述的涡轮叶片，一排(32)的冷却孔(21)之间的第一距离(p)至少等于相邻排(32)的冷却孔(21)的高度(H)的沿着纵轴线(B)的投影距离。
16.根据权利要求12所述的涡轮叶片，其中，一排(32)的冷却孔(21)的孔相对于相邻排(32)的冷却孔(21)交错。
17.根据权利要求12所述的涡轮叶片，其中，一排(32)的冷却孔(21)的孔相对于相邻排(32)的冷却孔(21)交错，使得所述排(32)的至少一个冷却孔(21)的中心设置为基本上处于相邻排(32)的相应冷却孔(21)之间的第一距离(p)的中间处。
18.根据权利要求12所述的涡轮叶片，其中，多个排(32)以彼此相距第二距离(d)设置，第二距离(d)的值在横向于延伸轴线(C)测得的入口部分(23)的管道的最大尺寸(D)的10倍和30倍之间。
19.一种涡轮机，其包括至少一个根据权利要求1-18中任一项所述的涡轮叶片。
20.一种用于产生电能的电力设备，其包括至少一个根据权利要求1-18中任一项所述的涡轮叶片或者权利要求19所述的涡轮机。
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