CN114787482B - 用于固定式的燃气轮机的涡轮叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有叶身(18)的涡轮叶片，其中在叶身(18)的内部构造有用于第一冷却剂流(M1)的第一冷却路径(30)以及用于第二冷却剂流(M2)的第二冷却路径(50)，其中所述第一冷却路径(30)包括设计用于旋流冷却前缘(24)的第一冷却剂通路(32)，以及在所述叶片尖端(22)下方从所述前缘(24)朝向所述后缘(26)延伸的、连接到所述第一冷却剂通路(32)上的第二冷却剂通路(34)，其中所述第二冷却路径(50)包括用于冷却所述叶身(18)的中间区域(48)的曲折冷却剂通路(52)以及用于部分地冷却后缘区域(59)的第一后缘冷却剂通路(54)。

Description

用于固定式的燃气轮机的涡轮叶片

技术领域

本发明涉及一种用于燃气轮机的涡轮叶片。

背景技术

燃气轮机的涡轮叶片在运行中经受最高的热负载和机械负载，因此所述涡轮叶片现今借助于复杂的，空心的内几何形状可冷却地和特别稳固地构造。

因此，例如燃气轮机叶片从WO 1996/15358A1已知，其中借助于切向引入到前缘冷却通道中的冷却空气能够实现前缘的冷却，而其中对于其冷却不需要另外的在英文中通常称为淋喷头孔的薄膜冷却孔。在前缘冷却通道中流动的冷却空气的显著份额然而经由在抽吸侧中靠近前缘设置的在英文中也称为鳃孔的薄膜冷却孔从涡轮叶片中离开，相反，所述冷却空气的剩余份额在叶片尖端下方引导至后缘。相反，叶身的剩余部分经由曲折冷却通道借助连接的后缘吹出部被冷却。

此外，从WO 2017/039571 A1已知所谓的多层涡轮叶片，所述多层涡轮叶片在英文中也称为“Multiwall-Turbine Blade”。在其内部设有两个挤压体，利用所述挤压体，在涡轮叶片的内部流动的冷却空气应被挤压特别靠近外壁的内面。此外，EP 1 783 327 A2示出多壁涡轮叶片的一个替选的设计方案。此外，US2010/0239431 A1示出具有——关于翼展——两个相邻的蜿蜒冷却通道的涡轮叶片，所述蜿蜒冷却通道经由冷却前缘的通道串联连接。

在追求涡轮机的进一步提高的效率中，一直需要节省冷却空气，因为所节省的冷却空气可以提高效率地用作用于氧化化石燃料的或合成燃料的初级空气。

发明内容

因此本发明的目的是提供长寿的具有进一步降低的冷却剂消耗的涡轮叶片。

所述目的通过根据本发明的涡轮叶片来实现。本发明提出用于尤其轴向穿流的固定式的燃气轮机尤其用于其高压涡轮级的涡轮叶片，所述涡轮叶片具有设置在其内部的冷却系统，所述冷却系统包括用于第一冷却剂流的第一冷却路径以及与第一冷却路径基本上优选地完全分离的用于第二冷却剂流的第二冷却路径，其中第一冷却路径包括：第一冷却剂通路，所述第一冷却剂通路设计用于旋流冷却前缘；以及连接到第一冷却剂通路上的第二冷却剂通路，所述第二冷却剂通路在叶片尖端下方从前缘朝向后缘延伸，其中第二冷却路径包括：曲折冷却剂通路，其用于冷却叶身的在翼弦方向上在前缘区域后方设置的中间区域；以及第一后缘冷却剂通路，其用于至少部分地冷却叶身的在翼弦方向上在中间区域后方设置的、直至到达后缘的后缘区域，其中第一后缘冷却剂通路与在后缘中设置的多个第一排出孔在流动技术上连接，其中第一冷却剂通路设计用于无排出孔的、即局部闭合的冷却，并且第一冷却路径还包括：连接到第二冷却剂通路上的第三冷却剂通路，所述第三冷却剂通路主要径向向内延伸；以及连接到第三冷却剂通路上的第二后缘冷却剂通路，所述第二后缘冷却剂通路构造用于冷却后缘区域的叶片尖端侧的区域并且与在后缘中设置的多个第二排出孔在流体技术上连接。

本发明所基于的认知在于：仅当叶身的前缘和/或压力侧的侧壁和/或抽吸侧的侧壁不具有冷却剂可以流出并且在那里流入到绕流涡轮叶片的热气体中所凭借的开口时，才能够实现显著节省用于冷却涡轮叶片的冷却剂。为了能够实现涡轮叶片的简单结构，冷却剂至少在后缘处和必要时也还通过向外朝向的叶片尖端漏出。就此而言，仅仅如下通路和通道应设计用于局部闭合的冷却：利用所述通路和通道，可以冷却叶身的前缘和压力侧和抽吸侧的大部分。换言之：从第一冷却剂通路和/或从曲折冷却剂通路既不分出淋喷头孔，也不分出鳃孔，也不分出其他薄膜冷却孔；所述第一冷却剂通路和/或曲折冷却剂通路是无排出孔的。排出孔仅仅设置在后缘处和必要时设置在叶片尖端中。“局部闭合的冷却”不理解为，从叶身完全不允许将冷却剂排出到热气体中。

然而，为了实现前缘、尤其承受极其高热负载的涡轮叶片的充分冷却，真正在局部闭合的、即无排出孔的前缘冷却的情况下存在对冷却剂的提高的需求。然而现在，借助本发明首次提出，被用于前缘冷却的第一冷却剂流也还被用于冷却叶身的后缘区域的径向外部部分。替代冷却剂如在现有技术中经由鳃孔和在后缘处直接离开，根据本发明后分离肋被引入到系统中，所述后分离肋将来自向前流动的系统的冷却剂重新向内偏转并且最后引起另外的后缘冷却剂通路。因此，第一冷却剂流经由直接在叶片尖端下方延伸至叶身的后端部的第二冷却剂通路并且经由连接到其上的第三冷却剂通路被引导到后缘的优选地大约一半高度，以便随后在径向外部设置的后缘冷却剂通路中在那里有益地被使用。由于所述解决方案，可以显著降低对用于第二流动路径的冷却空气的需求。因此，在此提出的方案由于新式划分和在使用冷却构思、即旋流冷却的情况下提供可供使用的冷却剂的最大利用，所述旋流冷却对于具有比较高的压缩机压力比或高的涡轮入口温度的燃气轮机的第一和/或第二涡轮级的涡轮叶片至今被视为完全不合适的从而不考虑用于其涡轮叶片。

旋流冷却应理解为如下冷却：其中在冷却通道中或在冷却剂通路中流动的冷却介质的显著份额从用于冷却剂的主入口以涡旋的方式流动至主出口。“涡旋”意味着，冷却介质的显著份额沿着涉及的通道或通路螺旋线式或螺旋式流动。涡旋的流动应与湍流区分。湍流通常由所谓的湍流器引起并且因此在空间上非常受限的区域中出现，因为仅冷却剂的非常低的份额通过湍流器实现和操作。然后，在离开涉及的区域之后，湍流也又瓦解。因此，到局部非常小的区域中的涡旋的主流动也可以具有湍流的次级流动份额，但是反之则不成立。

借助本发明可以在同时充分冷却整个叶身的情况下将冷却剂的消耗降低至先前未预料的程度。根据详细模拟，这甚至适用于涡轮叶片，在固定式的燃气轮机的两个前涡轮级中的一个前涡轮级中，所述燃气轮机的涡轮入口温度处于1300℃和更高的ISO额定运行中或者其压缩机压力比为19：1或更高。即使在这种涡轮叶片的情况下，与传统的具有在前缘中设置的冷却孔的涡轮叶片相比，在达到相同的使用寿命的情况下，冷却剂的量可以减小大约30％。

根据本发明的另一特别优选的实施方式，在叶片尖端中设置有用于冷却剂的一个或多个排出孔，所述一个或多个排出孔与第二冷却剂通路在流动技术上连接。所述措施改进可能的、在叶片尖端处伸出的刮擦边缘的疲劳强度。

在另一优选的实施方式中，第一冷却路径包括用于第一冷却剂通路的供给通路，所述供给通路以与第一冷却剂通路直接相邻设置的方式至少在叶身的翼展的大部分上延伸，经由多个贯穿开口与第一冷却剂通路在流体技术上连接，其中贯穿开口具有用于给在第一冷却剂通路中流动的冷却剂施加涡旋或增强所述涡旋的机构。作为机构，贯穿开口具有特定取向。例如如果贯穿开口切向、即偏离中心地在第一冷却剂通路中和尤其与抽吸侧的或压力侧的侧壁的内面齐平地打开和/或在径向方向上倾斜，则借助简单的机构给在第一冷却剂通路中流动的冷却剂施加对于旋流冷却需要的涡旋或增强涡旋。因此，可以比较简单地提供高效地旋流冷却所述前缘。

前缘的在叶身的高度上匹配的或均匀化的旋流冷却可以根据另一实施方式通过如下方式实现：可在翼展方向上确定的贯穿开口的密集度在根侧的端部处最大，并且优选地朝向叶片尖端逐步地或连续地减小。借此，可以在第一冷却剂通路中在叶身的翼展上几乎恒定地保持流动速度，这同样能够通过至叶片尖端在横截面中渐缩的第一冷却剂通路实现。

根据另一有利的设计方案，在一个或多个冷却剂通路的一个或多个内面处设置有多个优选地肋形的、尤其倾斜设置的湍流器，以便局部地进一步提高到第一和/或第二冷却剂中的热传递和/或以便支持涡旋。

根据本发明的另一改进方案，在每个后缘冷却剂通路中设有多个以图案即以多排布置的基座。借此，可以以简单和高效的方式无排出孔地、即局部闭合地冷却叶身的抽吸侧的和压力侧的后缘区域，所述后缘区域连接到叶身的中间区域上并且延伸直至叶身的后缘。此外，由此也可以高效地调节用于两个冷却路径的冷却剂的划分和在其中出现的压力损耗。

在另一优选的实施方式中，设有扩展第二冷却剂通路的两个冷却通道臂，所述冷却通道臂以在翼弦方向上增加的延伸径向向内扩宽并且通入到第三冷却剂通路中。所述措施降低或补偿第二冷却剂通路的穿流横截面的减小，所述减小由于朝后缘越来越尖的叶片型廓的水滴形构造而得出。因此，可以对于第二冷却剂通路的整个长度获得近似恒定的横截面面积，由此第一冷却剂流可以以恒定速度穿流第二冷却剂通路。因此可以在保持叶片尖端和侧壁的局部区域的均匀冷却的情况下避免流动分解。

此外，根据上述实施方式的一个改进方案，在第二冷却剂通路与曲折冷却剂通路之间设置有分离壁，所述分离壁使两个侧壁彼此连接并且在翼弦方向上延伸，其中随着逐渐靠近后缘，分离壁构成优选地越来越尖的挤压楔，所述挤压楔与两个侧壁的内面相结合地侧向限界两个冷却通道臂。

根据本发明的另一特别优选的实施方式，在第三冷却剂通路与第二后缘冷却剂通路之间设置有在翼展方向上延伸的后分离肋。必要时可以在后分离肋中也存在一个或多个孔，以便在第二后缘冷却剂通路中防止局部的死水区域。

根据本发明的一个优选的提议，后缘具有100％的归一化高度，在所述后缘的根侧的端部处以0％开始且在叶片尖端处以100％终止，其中两个后缘冷却剂通路由主要在翼弦方向上延伸的分离肋至少基本上彼此分离，所述分离肋设置在归一化高度的45％与75％之间的高度上。尤其由此可以实现总共可供使用的冷却剂量的特别高效的划分，利用所述划分，一方面能够实现叶身的均匀冷却并且另一方面能够实现进一步降低的冷却剂消耗。为了可以更好地紧固对于铸造涡轮叶片所需的之后留下两个后部后缘冷却剂通路的铸芯并且为了避免芯破裂，有帮助的是，所述铸芯经由一些、少量支架直接彼此连接。虽然支架在制成的涡轮叶片中在取消两个后缘冷却通道的完全分离的分离肋中留下开口，然而两个后缘冷却通道还基本上彼此分离。

优选地在本发明的另一改进方案中提出，曲折冷却剂通路包括在翼展方向上延伸的至少两个通道部段和至少两个反向部段，其彼此交替，其中在冷却剂流中进一步处于下游的反向部段与第一后缘冷却剂通路直接在流动技术上连接。

特别优选的和有利的是上述实施方式的改进方案，其中两个通道部段借助于挤压体和借助于两个侧壁在叶身的横截面观察中基本上分别C形构造有抽吸侧的通道臂、压力侧的通道臂和使两个通道臂连接的连接臂并且相对于彼此设置成，使得两个通道部段几乎完全包围挤压体。由此可以提供构造为多壁的涡轮叶片。通过作为多壁的设计方案，一方面可行的是，产生叶身，所述叶身即使在低的剂消耗的情况下也在前缘处具有相对小的曲率。所述小的曲率自然强烈促进在第一冷却剂通路中的涡旋产生。另一方面，通过由于多壁设计方案，冷却部段可以获得比较小的穿流横截面。然后，在运行中，第二冷却剂流通过通道部段或通过曲折冷却剂通路以足够大的速度从而在构成足够高的热传递的情况下流动。这尤其减小用于高效冷却叶身在前缘与后缘区域之间的中间区域所需的冷却剂的量。借助于所述措施可以使消耗进一步降低大约40％，由此可以使涡轮叶片的热效率比较靠近理论最大值。

在此证明为符合目的的是，挤压体在横截面观察中围绕空腔并且经由接片在两个侧壁处支撑。

根据一个有利的改进方案，可以在涡轮叶片处为了补偿至少一个、优选地两个将压力侧壁与抽吸侧壁连接的支撑肋的在运行中出现在第二冷却剂上的科里奥利力，在支撑肋上或在挤压体的限界连接臂的内面处设有元件、优选地湍流器，所述支撑肋从根侧的端部朝向叶片尖端延伸。由此可以减小冷却剂从抽吸侧的通道臂中通过连接臂到压力侧的通道臂中的横向流动。

根据另一优选的实施方式，空腔不能够由冷却剂穿流，因为空腔不具有用于冷却剂的排出开口。这防止第二冷却剂流动的不期望的干扰，但是能够实现使用特别简单的铸造设备，其中所使用的铸芯特别能够简单和稳定地紧固在铸造设备的其他部件上。对应地，根据本发明的涡轮叶片优选地被铸造，其中在铸造涡轮叶片之后在叶根中存在的开口由独立制造的盖板封闭，所述开口与空腔直接、即立即连接。类似的情况适用于在铸造涡轮叶片之后在叶根中存在的开口，所述开口与第一后缘冷却剂通路直接、即立即连接。所述开口也优选通过如下方式封闭，即独立制造的盖板以完全覆盖所涉及的开口的方式紧固在叶根上。

符合目的地对于每个冷却路径设有一个或多个入口，所述入口与第一冷却剂通路或供给通路或与曲折冷却剂通路或其通道部段直接在流动技术上连接。

优选地，涡轮叶片具有后缘翼展关于待在根侧的端部处检测的翼弦长度的长宽比，所述长宽比是3.0或更小，因为已经证实，可供使用的冷却剂所提出的划分成两个优选地彼此分离的冷却剂流以及尤其用于这种涡轮叶片的后缘区域的冷却的同时所提出的划分能够实现显著节省冷却剂的量。

原则上，上述涡轮叶片不仅可以用作安装在转子上的转子叶片或可以用作安装在固定式的承载件上的导向叶片。

以惊人的方式，上述涡轮叶片也可以在固定式的燃气轮机的第一或第二涡轮级中使用，所述固定式的燃气轮机在ISO额定运行时具有至少1300℃的涡轮入口温度和/或在ISO额定运行时出现的19：1或更大的压缩比。在本申请的意义上，所谓的航改(Aero-Derivate)不落入固定式的燃气轮机的定义。因此，本发明不仅适合于如下固定式的燃气轮机：其在涡轮入口处的热气体温度根据现今的标准被视为比较低。

本发明的有利的设计方案的至今描述获得大量特征，所述特征在各个从属权利要求中以部分地组合成一个单元的方式再现。然而，所述特征可以符合目的地也单独观察并且组合成其他组合。所述特征尤其分别能够单独地和以任意合适组合与根据本发明的方法和根据本发明的设备组合。因此，实质上形成的方法特征例如也视为对应的设备单元的特性，并且反之亦然。

即使如果在说明书中或在权利要求中分别以单数的方式或以与数词组合的方式使用术语，对于这些术语，本发明的的范围不应局限于单数或相应的数词。此外，单词“一”不应视为数词，而是应视为不定冠词。同样地，数词“第一”、“第二”、“第三”等仅仅用于区别原则上具有相似性质的特征。

本发明的上述特性、特征和优点以及如何实现所述特性、特征和优点的方式和方法结合以下根据附图对实施例的描述易于理解地详细描述。

附图说明

附图示出：

图1示出根据第一实施例的涡轮叶片的侧视图，

图2示出根据图1的涡轮转子叶片的冷却图解，

图3示出根据第一实施例的涡轮转子叶片的纵剖面，

图4示出根据图3的涡轮转子叶片沿着剖面线A-A的横截面，

图5-图7示出根据图3的涡轮转子叶片沿着剖面线B-B、C-C或D-D的纵剖面，

图8示出根据图1的涡轮转子叶片沿着剖面线E-E的横截面以及

图9以示意图示出固定式的燃气轮机。

在图中，设有相同的附图标记的所有技术特征具有相同的技术效果。

具体实施方式

以下根据涡轮叶片10阐述本发明，所述涡轮叶片构造为涡轮转子叶片。然而，本发明也可以涉及涡轮导向叶片。

作为本发明的第一实施例，图1以侧视图示出涡轮叶片10。优选地以精密铸造方法制造的涡轮叶片10包括仅部分示出的叶根12。叶根12可以以已知的方式和方法设计成燕尾形或冷杉形。在其上连接有平台13，从所述平台开始，在翼展方向R上，叶身18从根侧的端部20延伸至叶片尖端22。当涡轮转子叶片10装入在轴向穿流的燃气轮机中时，翼展方向和燃气轮机的径向方向相同。在相对于翼展方向R横向定向的翼弦长度S上，叶身18从前缘24延伸至后缘26。在后缘26中，排出孔46、56沿着翼展方向分布。后缘翼展HSP关于待在根侧的端部处检测的翼弦长度SL的长宽比HSP/SL根据所述实施例是1.9并且优选地处于1.5与3之间的范围中。

在平台13的侧向面处，排出开口28同样通入。排出孔46、56以及排出开口28与涡轮转子叶片10的内部冷却系统处于流动连接。

涡轮转子叶片10的和尤其叶身18的冷却系统在图2中示意性示出为冷却图解。第一冷却剂流M1和第二冷却剂流M2能够分开地输送给涡轮转子叶片10。第一冷却剂流M1穿流第一冷却路径30，第一冷却路径由多个冷却剂通路31、32、33、34、36a、36b、38、40、44组成。在图2中未示出的用于冷却剂流M1的入口的下游跟随有供给通路31，供给通路经由多个贯穿开口33与第一冷却剂通路32处于流动连接。第一冷却剂通路32用于旋流冷却叶身18的前缘24和直接连接在其上的前缘区域39。在叶片尖端22的区域中，第一冷却剂通路32过渡到第二冷却剂通路34中，第二冷却剂通路为了冷却叶片尖端22从前缘24经由叶片尖端22的比较大的翼弦长度朝向后缘26延伸。在叶片尖端中，第三排出孔67可以设置用于冷却之后阐述的刮擦边缘。第二冷却剂通路34还包括两个在第二冷却剂通路34的第二半部中才开始的冷却通道臂36a、36，冷却通道臂同样如第二冷却剂通路34的下游侧端部那样与第三冷却剂通路38连接。第三冷却剂通路经由反向部段40与第二后缘冷却剂通路44在流动技术上连接。然后，穿流第一冷却路径30的冷却剂流M1可以经由多个第二排出孔46在涡轮转子叶片的后缘26处离开涡轮转子叶片10。平行于第一冷却路径30和在流动技术上优选地完全与其分离地设置有第二冷却路径50，第二冷却路径在图2中未进一步示出的入口的下游具有曲折冷却剂通路52。曲折冷却剂通路52为了冷却中间区域48(图1)根据所述实施例包括两个在翼展方向上延伸的通道部段55a、55b，所述通道部段经由设置在其间的反向部段57a彼此连接。在第二通道部段55b的下游设置的端部上连接有第二反向部段57b，第二反向部段使第二通道部段55b与第一后缘冷却剂通路54在流动技术上连接。然后，穿流第二冷却路径50的冷却剂流M2可以经由多个第一排出孔46在涡轮转子叶片的后缘26处离开涡轮转子叶片10。两个后缘冷却剂通路44、54用于冷却后缘区域59(图1)。

图3示出根据图1的涡轮转子叶片10的内部结构的纵剖面，所述涡轮转子叶片与根据图2的冷却图解对应地构造。为此，涡轮转子叶片10包括一排不同设置的壁和肋，所述壁和肋使各个冷却路径和冷却剂通路彼此分离。在叶根12中设有用于两个冷却剂流M1和M2或用于两个冷却路径30、50的两个入口80。在两个入口80之间设置有使两个侧壁14、16彼此连接的前部支撑肋66v，前部支撑肋对于第一部段使第一冷却路径30与第二冷却路径50分离。前部分离肋49v还使供给通路31与第一冷却剂通路32分离，其中在前部分离肋49v中设置有多个贯穿开口33(细节参见4)。在图3中，在多个贯穿开口中，然而仅仅示出贯穿开口的口部。如从图3中得知的那样，与在靠进尖端的区域中相比，在靠近平台的区域中设有更大密集度的贯穿开口33。前部分离肋49v中的贯穿开口33的位置和定向选择成，使得在第一冷却剂通路32中可以产生比较强烈涡旋的冷却剂流动。涡旋的冷却剂流动应理解为，其旋流式或类似于螺旋线或螺旋从根侧的端部20朝向叶片尖端22构成。因此，涡旋的冷却剂流动在前部分离肋49v中偏离中心地和尤其与抽吸侧壁16(或压力侧壁)的内壁齐平地设置，必要时甚至朝向叶片尖端22在倾斜的情况下，以便在穿流第一冷却剂通路32时至少部分地补偿涡旋的减弱。

在第一冷却剂通路32的外端部上连接有用于冷却叶片尖端22的底部37的第二冷却剂通路34，其中第二冷却剂通路34通过分离壁60与曲折冷却剂通路52分离。在第二冷却剂通路34的靠近后缘的端部上连接有第三冷却剂通路38，第三冷却剂通路从叶片尖端22朝向根侧的端部22延伸，然而大约仅延伸直至叶身18的一半高度，其中叶身18的高度能在后缘26处检测。在其上连接有另一反向部段40，借助于所述另一反向部段，可以给第二后缘冷却剂通路44输送第一冷却剂流M1。第三冷却剂通路38通过对应构造的后分离肋49h与第二后缘冷却剂通路54大部分分离。

在第二后缘冷却剂通路44中，能够由冷却剂M1绕流的基座53多排相继设置。在所示出的实施例中，基座更确切地说跑道形构造有比较窄的贯穿通路，以便导致尽可能高的压力损耗。第一冷却路径30在设置在后缘26中的第二排出孔46中终止，通过第二排出孔，通过所属的入口80输送的冷却剂流M1的至少大部分可以从涡轮转子叶片10中离开。

用于引导第二冷却剂流M2的第二冷却路径50基本上包括曲折冷却剂通路52和第一后缘冷却剂通路44。曲折冷却剂通路可以划分成四个相继的部段，所述四个相继的部段中的第一部段称为第一通道部段55a。以连接在其上的方式先后跟随有第一反向部段57a、第二通道部段55b和第二反向部段57b。第二反向部段使曲折冷却剂通路52与第二后缘冷却剂通路54连接，第二后缘冷却剂通路类似于第一后缘冷却剂通路44构造有多排设置的跑道形的基座53。

曲折冷却剂通路52的两个通道部段55a、55b沿着翼展方向R在叶身18的大部分上延伸。如在图4中附加地示出的那样，第一通道部段55a和第二通道部段55b是基本上U形的，具有各一个在抽吸侧设置的通道臂55as、55bs，压力侧的设置的通道臂55ad、55bd以及使所涉及的通道臂连接的连接臂55av、55bv。因此，第一通道部段55a由压力侧的侧壁14、由前部支撑肋66v、由抽吸侧的侧壁16和在内部设置的挤压体70——在横截面中根据图4——包围。第二通道部段55b由压力侧的侧壁14、由后部支撑肋66h、由抽吸侧的侧壁16和在内部设置的挤压体70包围。挤压体70自身围绕空腔72并且经由接片71在压力侧的侧壁14或抽吸侧的侧壁16处支撑。接片71几乎在叶身18的整个高度上延伸并且一方面用于在涡轮转子叶片10中整体式紧固挤压体70并且另一方面用于分离两个通道部段55、57。参考图2可看出，挤压体72在其径向外端部处在后缘侧截短。所述措施改进涡轮转子叶片10的机械完整性和尤其其耐振性。

两个后缘冷却剂通路44、54由主要在翼弦方向S上延伸的分离肋64至少大部分、当不是这种情况时甚至完全彼此分离。根据所述实施例，分离肋64在后缘26的归一化叶身高度的55％的高度上终止。优选地，分离肋64设置在归一化高度的45％与75％之间的高度上。

图5至图7示出涡轮转子叶片10的尖端根据图3中的三个剖面线B-B、C-C和D-D的剖面图。在叶片尖端72的外端部处，不仅在抽吸侧而且也在压力侧设有刮擦边缘78。还可看出，挤压体70在其径向外端部处不封闭，而是朝向第一反向部段57a敞开。就此而言，然而第二冷却剂流M2的流入是可行的。然而，因为叶根12处的对于创建空腔72或挤压体70需要的开口74a通过在那里在铸造之后安装的盖板76a(图1)封闭，空腔72缺少排出开口。因此，所述空腔不能够被穿流，而是构造为死水空间。因此提出，当需要情况匹配时，所述死水空间的内构造必要时已经在设计阶段中借助于设置其他结构如肋、支柱等改变。特别的优点在于，仅仅匹配涡轮叶片的固有频率，而不影响其他特性如空气动力学或热交换。

图5至图7还示出，分离壁60随着逐渐靠近后缘26如何构成越来越尖的挤压楔62，所述挤压楔与两个侧壁14、16的内面结合地分别侧向限界两个冷却通道臂36a和36b。借助于越来越尖的挤压楔62可以补偿挤压体70的截短，使得此外冷却剂流M2的靠近侧壁的引导在截短区域中从而其充分冷却高效可行。如果不强制需要挤压体的截短，则可以减小挤压楔的尺寸。必要时可以甚至完全放弃。

图8在向叶片尖端22——即向外——朝向的视角中示出叶片尖端22的下游半部根据图3中的剖面线E-E的横截面。

根据未进一步示出的第二实施例可以替代或附加于供给通路31设有叶根侧的通道部段，所述通道部段可以是第一冷却剂通路32直至叶根12的下侧的延长部。在所述叶根侧的通道部段中，可以设有对应地合适的涡旋产生器、例如螺旋肋，所述涡旋产生器使冷却剂流M1在穿流叶根侧的通道部段时旋流式涡旋。这种情况下，第一冷却剂通路32通过前部支撑肋66v与连接通道55av分离，使得在前部支撑肋66v中设置的贯穿开口33可以有利于涡旋脉冲的补充或增强。就此而言，可以必要时有意义的是，两个冷却剂流M1和M2被引导通过涡轮叶片10，不完全彼此分离，而是在非常小的程度上允许交换，其方式为：在非常少的部位处，具有优选地小直径的各个孔使两个否则在流动技术上分离的冷却路径彼此连接。

图9仅仅示意性示出具有压缩机110、燃烧室120和涡轮单元130的燃气轮机100。根据所述实施例，用于产生电流的发电机150耦联在燃气轮机的转子140上。压缩机110构造成，使得其在ISO标准条件下运行中可以产生压缩的周围环境空气VL相对于抽吸的周围环境空气L的19：1或更大的压力比。然后，在燃烧室120中，压缩的空气VL与燃料F混合并且燃烧成热气体HG。燃烧室120和涡轮单元130构造成，使得在燃烧室120的出口处或在涡轮单元130的入口处流动的热气体HG在ISO标准条件下具有至少1300℃的温度，其中第一涡轮级或第二涡轮级的转子叶片和导向叶片以在此描述的方式和方法构造。在涡轮单元130中膨胀的热气体HG作为烟气RG离开所述涡轮单元。

总体上，借助本发明提出具有叶根12和叶身18的涡轮叶片10，叶身沿着翼展方向R从根侧的端部20延伸至叶片尖端22且沿着相对于翼展方向R横向设置的翼弦方向S从前缘24延伸至后缘26，其中在叶身18的内部构造有用于第一冷却剂流M1的第一冷却路径30和用于第二冷却剂流M2的第二冷却路径50，其中第一冷却路径30包括：第一冷却剂通路32，所述第一冷却剂通路设计用于旋流冷却前缘24；以及连接到第一冷却剂通路32上的第二冷却剂通路34，所述第二冷却剂通路在叶片尖端22下方从前缘24朝向后缘26延伸，其中第二冷却路径50包括：曲折冷却剂通路52，其用于冷却叶身18的在翼弦方向上在前缘区域39后方设置的中间区域48；以及第一后缘冷却剂通路54，其用于至少部分地冷却叶身18的在翼弦方向上在中间区域48后方设置的、直至到达后缘的后缘区域59，其中第一后缘冷却剂通路54与在后缘26中设置的多个第一排出孔56在流动技术上连接。为了提供具有进一步降低的冷却剂消耗的涡轮叶片提出，第一冷却剂通路32和/或曲折冷却剂通路52设计用于局部闭合的冷却并且第一冷却路径30包括：连接到第二冷却剂通路34上的第三冷却剂通路38，所述第三冷却剂通路主要径向向内延伸；以及连接到第三冷却剂通路38上的第二后缘冷却剂通路44，所述第二后缘冷却剂通路构造用于冷却后缘区域59的叶片尖端侧的区域并且与在后缘26中设置的多个第二排出孔46在流动技术上连接。

Claims (22)

1.一种用于燃气轮机的涡轮叶片（10），

所述涡轮叶片具有叶根（12）以及包括压力侧的侧壁（14）和抽吸侧的侧壁（16）的叶身（18），所述侧壁（14，16）沿着翼展方向（R）从根侧的端部（20）延伸至叶片尖端（22）且沿着相对于所述翼展方向（R）横向设置的翼弦方向（S）从前缘（24）延伸至后缘（26），

其中在叶身（18）的内部构造有用于第一冷却剂流（M1）的第一冷却路径（30）以及与所述第一冷却路径（30）基本上分离的用于第二冷却剂流（M2）的第二冷却路径（50），

其中所述第一冷却路径（30）包括：- 第一冷却剂通路（32），以及

- 连接到所述第一冷却剂通路（32）上的第二冷却剂通路（34），所述第二冷却剂通路在所述叶片尖端（22）下方从所述前缘（24）朝向所述后缘（26）延伸，

其中所述第二冷却路径（50）包括

- 曲折冷却剂通路（52），其用于冷却所述叶身（18）的在翼弦方向上在前缘区域（39）后方设置的中间区域（48）以及

- 第一后缘冷却剂通路（54），其用于至少部分地冷却所述叶身（18）的在翼弦方向上在所述中间区域（48）后方设置的、直至到达后缘的后缘区域（59），

其中所述第一后缘冷却剂通路（54）与在所述后缘（26）中设置的多个第一排出孔（56）在流动技术上连接，

其中所述第一冷却剂通路（32）和/或所述曲折冷却剂通路（52）是无排出孔的

并且所述第一冷却路径（30）包括

- 连接到所述第二冷却剂通路（34）上的第三冷却剂通路（38），所述第三冷却剂通路径向向内延伸以及

- 连接到所述第三冷却剂通路（38）上的第二后缘冷却剂通路（44），所述第二后缘冷却剂通路构造用于冷却所述后缘区域（59）的叶片尖端侧的区域并且与在所述后缘（26）中设置的多个第二排出孔（46）在流动技术上连接，

其特征在于，所述第一冷却剂通路设计用于旋流冷却所述前缘（24），

其中所述曲折冷却剂通路（52）包括在翼展方向上延伸的至少两个通道部段（55a，55b）和至少两个反向部段（57a，57b），其中在所述冷却剂流中进一步处于下游的反向部段（57b）与所述第一后缘冷却剂通路（54）直接在流动技术上连接，以及

其中所述两个通道部段（55a，55b）借助于挤压体（70）和借助于两个所述侧壁（14，16）在所述叶身（18）的横截面观察中基本上分别C形构造有抽吸侧的通道臂（55as，55bs）、压力侧的通道臂（55ad，55bd）和使两个所述通道臂连接的连接臂（55av，55bv）并且相对于彼此设置成，使得所述两个通道部段几乎完全包围所述挤压体（70）。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片（10），

其中在所述叶片尖端（22）中设置有用于冷却剂的一个或多个排出孔（67），所述一个或多个排出孔与所述第二冷却剂通路（34）在流动技术上连接。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片（10），

其中所述第一冷却路径（30）包括用于所述第一冷却剂通路（32）的供给通路（31），所述供给通路

- 直接在所述第一冷却剂通路（32）旁边设置

- 至少在所述叶身（18）的翼展的大部分上延伸

- 经由多个贯穿开口（33）与所述第一冷却剂通路（32）在流动技术上连接，其中所述贯穿开口（33）具有用于给在所述第一冷却剂通路（32）中流动的第一冷却剂流（M1）施加涡旋的机构。

4.根据权利要求3所述的涡轮叶片（10），

其中可在翼展方向（R）上确定的贯穿开口（33）的密集度在所述根侧的端部（20）处最大，并且朝向所述叶片尖端（22）逐步地或连续地减小。

5.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片（10），

其中在每个后缘冷却剂通路（44，54）中设有多个以图案布置的基座（53）。

6.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片（10），

其中设有扩展所述第二冷却剂通路（34）的两个冷却通道臂（36a，36b），所述冷却通道臂以在翼弦方向上增加的延伸径向向内扩宽并且通入到所述第三冷却剂通路（38）中。

7.根据权利要求6所述的涡轮叶片（10），

其中在所述第二冷却剂通路（34）与所述曲折冷却剂通路（52）之间设置有分离壁（60），所述分离壁（60）使两个侧壁（14，16）彼此连接并且在翼弦方向（S）上延伸，其中随着逐渐靠近所述后缘（26），所述分离壁（60）构成挤压楔（62），所述挤压楔（62）与所述两个侧壁（14，16）的内面相结合地侧向限界所述两个冷却通道臂（36a，36b）。

8.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片（10），

其中在所述第三冷却剂通路（38）与所述第二后缘冷却剂通路（44）之间设有在翼展方向（R）上延伸的后分离肋（49h）。

9.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片，

其中所述后缘（26）具有100%的归一化高度，在所述后缘的根侧的端部（20）处以0%开始且在所述叶片尖端（22）处以100%终止，并且其中两个所述后缘冷却剂通路（44，54）由在翼弦方向（S）上延伸的分离肋（64）彼此分离，所述分离肋设置在所述归一化高度的45%与75%之间的高度上。

10.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片，

其中所述挤压体（70）在横截面观察中围绕空腔（72）并且经由接片（71）支撑在两个所述侧壁（14，16）处。

11.根据权利要求10所述的涡轮叶片（10），

其中所述曲折冷却剂通路（52）由至少一个将压力侧的侧壁（14）与所述抽吸侧的侧壁（16）连接的支撑肋（66h，66v）限界，所述支撑肋从根侧的端部朝向所述叶片尖端延伸并且其中设有元件，所述元件减小冷却剂从所述抽吸侧的通道臂（55as，55bs）中通过所述连接臂（55av，55bv）到所述压力侧的通道臂（55ad，55bd）中的横向流动。

12.根据权利要求10所述的涡轮叶片（10），

其中所述空腔（72）不能够由冷却剂（M）穿流并且不具有用于冷却剂（M）的排出开口。

13.根据权利要求10所述的涡轮叶片（10），

所述涡轮叶片被铸造并且其中在铸造所述涡轮叶片之后在所述叶根（12）中存在的开口（74a）由独立制造的盖板（76a）封闭，所述开口与所述空腔（72）直接连接。

14.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片，所述涡轮叶片被铸造。

15.根据权利要求13所述的涡轮叶片（10），

其中在铸造涡轮叶片之后在所述叶根（12）中存在的开口（74a）由独立制造的盖板（76a）封闭，所述开口与所述第一后缘冷却剂通路（54）直接连接。

16.根据权利要求3所述的涡轮叶片（10），

其中对于每个冷却路径（30，50）设有一个或多个入口（80），所述入口与所述第一冷却剂通路（32）或所述供给通路（31）或与所述曲折冷却剂通路（52）或所述曲折冷却剂通路的通道部段（55a）直接在流动技术上连接。

17.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片（10），

所述涡轮叶片具有后缘翼展HSP关于待在所述根侧的端部处检测的翼弦长度SL的叶身长宽比HSP/SL，所述叶身长宽比是3.0或更小。

18.根据权利要求1所述的涡轮叶片（10），

其中所述涡轮叶片（10）用于轴向穿流的燃气轮机。

19.根据权利要求1所述的涡轮叶片（10），

其中所述涡轮叶片（10）用于燃气轮机的高压涡轮级。

20.根据权利要求11所述的涡轮叶片（10），

其中所述曲折冷却剂通路（52）由两个将压力侧的侧壁（14）与所述抽吸侧的侧壁（16）连接的支撑肋（66h，66v）限界。

21.根据权利要求11所述的涡轮叶片（10），

其中所述元件是湍流器或

所述元件是设置在所述支撑肋（66v，66h）上或在所述挤压体（70）的限界所述连接臂（55av，55bv）的内面处的湍流器。

22.一种根据上述权利要求中任一项所述的涡轮叶片（10）在固定式的燃气轮机的第一涡轮级或第二涡轮级中的应用，所述燃气轮机具有在ISO额定运行中出现的至少1300°C的涡轮入口温度和/或具有在ISO额定运行中出现的19：1或更大的压缩机压力比。