CN1162346A

CN1162346A - 具有受冷却围带的燃气涡轮叶片

Info

Publication number: CN1162346A
Application number: CN 95195889
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·A·多里斯; 威廉姆·E·诺斯; 安东尼·J·马兰德拉
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1994-10-26
Filing date: 1995-10-02
Publication date: 1997-10-15

Abstract

一种燃气轮机叶片，包括一从该叶片的叶型部上向外伸出的围带。该围带由其内部的冷却空气管道冷却。一径向冷却空气供应孔把冷却空气直接从叶片根部经叶型引导到该围带。若干冷却空气管道从该冷却空气供应孔伸出而位于该围带的与相邻叶片的围带接靠的支承面旁。这些冷却空气孔之一形成在该围带的从叶型的凸起面伸出的部分中，另一冷却空气孔形成在该围带的从叶型的下凹面伸出的部分中。这些冷却空气孔伸展到该围带的边缘而从该边缘上的一开口排出冷却空气。

Description

具有受冷却围带的燃气涡轮叶片

发明背景

本发明涉及燃气涡轮的叶片，特别涉及燃气涡轮叶片围带的冷却。

燃气轮机一般包括一产生压缩空气的压缩机部。燃料然后在一个或多个燃烧器中与一部分压缩空气混合、燃烧而生成高热压缩气体。高热压缩气体然后在涡轮机部(透平)膨胀而驱动转轴。

涡轮机部一般使用许多交替排列的静止叶片和转动叶片。每一转动叶片都包括一叶型部和一固定到一转子上的根部。

由于叶片暴露在从燃烧器排出的高热气体中，因此其冷却是极端重要的。通常，从压缩机抽出一部分压缩空气经冷却或不经冷却后绕过燃烧器而直接引导到涡轮机部对叶片进行冷却。在引入涡轮机后，该冷却空气流过叶片叶型部中的径向管道。通常，该径向管道使冷却空气沿径向在叶片顶部排出。此外，从一个或多个径向管道上可伸出若干小管道而把冷却空气引导到叶型的各表面上，例如叶型的前缘和后缘或负压面和压力面。冷却空气流出叶片后即进入流过涡轮机部的高热气体中并与之混合。

在某些情况下，涡轮机叶片在其顶部有从叶型上向外伸出的围带。这些围带用来防止高热气体漏出叶片顶部。此外，若这些围带为互锁形，它们还可用来减小叶片振动。

上述叶片冷却方法足以冷却叶片的叶型部。但一般来说，尚无专门用来冷却叶片围带的冷却空气。尽管在叶片顶部从径向管道排出的冷却空气部分流过围带的径向朝外面的上方而形成一定量的气膜冷却，但经验表明，这一气膜冷却不足以充分冷却该围带。其原因在于，当冷却空气在叶片顶部流出径向管道之时，它已被加热到接近流过叶片的高热气体的温度。因此，叶片围带由于在过高温度下工作而会发生蠕变和蠕变破坏。

一种可能的解决办法是增加流过径向管道的冷却空气的数量而避免冷却空气在到达叶片顶部之时过热。但是，确保流过径向管道后热量累积较低所需的冷却空气流率的增加是很大的。这样大量提高冷却空气流量是不合乎要求的。尽管这一冷却空气在叶片顶部流出后进入流过涡轮机部的高热气体，但由于它未经在燃烧部加热，因此从冷却空气中获得的有用功不多。因此，为了提高效率，必须尽量少使用冷却空气。

因此要求提供一种使用尽量少的冷却空气冷却燃气轮机中转动叶片的围带部的方法。

发明概述

因此，本发明的总目的是提供一种使用尽量少的冷却空气冷却燃气轮机中转动叶片的围带部的方法。

简单来说，本发明的这一目的和其他目的在一涡轮叶片中实现，该叶片包括一把该叶片固定到涡轮机转子上的根部、一从该根部伸出的叶型部以及一从该叶型上向外伸出、其上有一径向朝里面的围带。第一冷却空气孔大致沿径向穿过叶型，它有一冷却空气流入口。围带中有与径向朝里面大致平行伸展的第二冷却空气孔。此外，第二冷却空气孔从第一冷却空气孔伸出而与之连通，从而流入第一冷却空气孔的冷却空气流过第二冷却空气孔。

在本发明的一实施例中，叶型还包括前缘和后缘以及凸起面和下凹面。凸起面和下凹面都从前缘伸展到后缘。围带的第一部分从凸起面向外伸出，围带的第二部分从下凹面向外伸出。该围带还包括一与径向朝里面大致平行伸展的第三冷却空气孔。此外，第三冷却空气孔从第一冷却空气孔伸出而与之连通，从而流入第一冷却空气孔的冷却空气流过第三冷却空气孔。第二冷却空气孔位于围带的第一部分，而第三冷却空气孔位于围带的第二部分。在本发明的某些实施例中，围带上有与邻接叶片的围带抵靠的支承面，第二和第三冷却空气孔位于这些支承面旁。

附图的简要说明

图1为第3排装有本发明涡轮机叶片的一涡轮机的一部分的局部简化的纵向剖面图。

图2为图1所示该第3排涡轮机叶片的纵向剖面图。

图3为沿图2中III-III线的围带的俯视图。

图4为沿图2中IV-IV线剖取的叶片的根部的剖面图。

图5为沿图2中V-V线剖取的叶片的叶型部的剖面图。

图6为沿图2中VI-VI线剖取的叶片的围带部的剖面图。

图7为沿图3中VII-VII线剖取的叶片的围带部的剖面图。

图8为沿图3中VIII-VIII线剖取的叶片的围带部的剖面图。

对优选实施例的说明

参看各附图，图1为一燃气轮机的一部分的纵向剖面图。该燃气轮机的主要部件为一压缩机部1、一燃烧部2和一涡轮机(透平)部3。如图所示，燃气轮机中心有一转子4穿过这三个部分。压缩机部由围住交替排列的一排排静止叶片12和转动叶片13的圆筒7和8构成。静止叶片12固定在圆筒8上，而转动叶片13固定在装在转子4上的圆盘上。

燃烧部2包括一近似为圆柱形的壳体9，该壳体与圆筒8的后端和一围住转子4的一部分的壳体22形成一室14。该室14中有许多燃烧器15和管道16。管道16把燃烧器15连接到涡轮机部3。诸如馏出油或天然气之类的液态或气态燃料35从燃料喷嘴34喷入燃烧器15中后在其中燃烧而生成高热压缩气体30。

涡轮机部3包括一围住一内圆筒11的外圆筒10。内圆筒11围住一排排静止叶片和转动叶片。静止叶片固定在内圆筒11上，而转动叶片固定在转子4的构成涡轮机部的一部分的圆盘上。

工作时，压缩机部1抽入四周空气加以压缩。压缩机部1中的压缩空气5进入室14后分配给各燃烧器15。在燃烧器15中，燃料35与压缩空气混合并燃烧而生成高热压缩气体30。高热压缩气体30经管道16流到涡轮机部3的一排排静止叶片和转动叶片，高热气体在这里膨胀而产生驱动转子4的动力。膨胀气体然后从涡轮机3排出。

压缩机1的压缩空气5的一部分19从室14抽出后用管道39送到壳体9。因此，压缩空气19绕过燃烧器15而用作转子4的冷却空气。需要时，冷却空气19可用外部冷却器36冷却。经冷却的冷却空气32然后从冷却器36经管道41送到涡轮机部3。管道41把冷却空气32送到壳体22上的开37，从而冷却空气进入围住转子4的一冷却空气歧管24。冷却空气32经管道38流出歧管24后流过转子4中的一系列气道而流到各排转动叶片。下面结合第三排转动叶片18详述本发明，图2-8示出该排中的一叶片。

如图2和5所示，每一第三排涡轮机叶片18由一叶型部21和一根部20构成。叶型部21有一前缘25和一后缘26。叶型21的相对两边在前缘25与后缘26之间伸展有下凹压力面42和凸起负压面43。叶片根部20上有许多与转子4上的凹槽啮合的齿(未示出)，从而把叶片18紧固在转子上。

如图2所示，叶型21的顶端45上有一围带46。如图3、7和8所示，围带46从叶型21上向外伸出。围带46上有暴露在流过涡轮机部3的高热压缩气体30中的径向朝外的端面66和径向朝里的端面67。如图2所示，围带46位于一随着围带从叶型21的后缘26向前缘25的伸展而向里倾斜的平面中。如图3所示，每一围带46上都有支承面56和57与相邻叶片的围带接靠而防止叶片振动。一挡板48从围带46上沿径向向外伸出而用来防止高热气体30在叶片排处漏出。

从图2和4中可看得最清楚，叶片根部20中有两个空腔50和51。这些空腔供上述引到转子4的冷却空气32的部分80和81流入。空腔50和51伸入叶型21中并终止于叶型高度的约三分之一处。冷却空气孔54从每一空腔沿径向向上伸展到叶片顶端45。(虽然图中示出四个冷却空气圆孔54，但应看到，也可使用更多数量的冷却空气小孔或若干直径更大的气道)。如图3所示，冷却空气孔54穿过围带46而在围带的径向朝外面67处形成供冷却空气80和81排出的出口。

工作时，空腔50和51分别把冷却空气80和81分配给各冷却空气孔54。与以往一样，冷却气流80和81沿径向向上流过孔54而冷却叶型21。但是，如上所述，冷却空气80和81由于在流过孔54到达叶片顶端45时温度升高而无法用来充分冷却围带46。

因此，按照本发明，在叶片18中另设一围带冷却空气孔52。从图2和5中可看得最清楚，冷却空气供应孔52位于叶型21的最厚部而在压力面42与负压面43之间的中心处。冷却空气供应孔52的进口68在叶片根部的底面上位于空腔50与51之间。冷却空气供应孔52的一部分44沿径向向上穿过根部20。冷却空气供应孔52其余部分沿径向向上穿过叶型部21到达围带46。从图7和8中可看到，冷却空气供应孔52终止于围带46。

冷却空气供应孔52的直径应足够大，以便把足够大流量的冷却空气82经叶片叶型21送到围带46而使冷却空气不至于过热，因为过热的冷却空气82无法冷却围带46。围带冷却空气供应孔52的直径最好至少约为0.8cm(0.32英寸)。

如图6-8所示，两围带冷却空气孔60和61从冷却空气供应孔52向外伸出而沿围带46的宽度从冷却空气供应孔52伸到围带的边缘。冷却空气孔60和61相对于冷却空气供应孔52形成一个角，围带46在冷却空气孔60和61延伸的方向延伸时相对于冷却空气供应孔也形成一个角，上述两角大致相等。这样，围带的冷却空气孔60和61大致平行于围带46的向内和向外的端面66和67并且位于此两端面的中间，以便与围带处在同一平面内。在优选实施例中，围带的冷却空气孔60和61中的每一个的直径约为0.30cm(0.12英寸)。

如图6和7所示，冷却空气孔60位于围带46的与叶型21的下凹压力面42相对的部分上，其出口64位于把径向朝内和径向朝外的端面66和67连接起来的边缘70上。如图6和8所示，冷却空气孔61位于围带46的与叶型21的凸起负压面43相对的部分上，其出口65位于把径向朝里的和径向朝外的端面66和67连接起来的第二边缘71上。

围带冷却空气孔应布置在最需要它进行冷却的位置上。因此，在优选实施例中，冷却空气孔60和61的方向做成使冷却空气流过围带的靠近图3所示的供相邻两围带互相接靠的支承面56和57的部位，因为在这些部位应力特别大。尽管图中只示出两冷却空气孔60和61，但因看到，按照本发明，可使用更多冷却空气孔把冷却空气引导到围带46的其他部位。

工作时，如图2所示，冷却空气82进入围带冷却空气孔52的进口68后沿径向向上流到围带46。由于冷却空气供应孔52的直径很大并且由于冷却空气供应孔52位于叶型21的中心，因此冷却空气82由叶型的传热所造成的温升很小。在冷却空气供应孔52的顶部，如图6所示，冷却空气82被冷却空气孔60和61分成两股气流83和84。冷却空气孔60沿着围带46的平面在其宽度上引导冷却空气83而冷却围带从叶型21的压力面42伸出的部分，然后从围带的边缘70上的出口64排出。冷却空气孔61沿着围带46的平面在其宽度上引导冷却空气84而冷却围带从叶型21的负压面43伸出的部分，然后从围带的边缘71上的出口65排出。

尽管上面结合燃气轮机的第三排叶片说明了本发明，但本发明也可用于其他类型涡轮机的其他排转动叶片。因此，只要不背离本发明的范围和基本特征，本发明可以其他特别形式实施，因此应以示出本发明范围的后附权利要求而不是上述说明为准。

Claims

1，一种涡轮机叶片，它包括：

a)一把所述叶片固定到涡轮机转子上的根部；

b)一从所述根部伸出的叶型部，第一冷却流体孔基本沿径向穿过所述叶型，所述第一冷却流体孔有一冷却流体流入口；

c)一从所述叶型上向外伸出、其上有一径向朝里的端面的围带，所述围带中有与所述径向朝里的端面大致平行伸展的第二冷却流体孔，所述第二冷却流体孔从所述第一冷却流体孔伸出而与之连通，从而流入所述第一冷却流体孔中的所述冷却流体的至少第一部分流过所述第二冷却流体孔。

2，按权利要求1所述的涡轮机叶片，其中，所述围带上有一接靠相邻叶片的围带的支承面，所述第二冷却流体孔位于所述支承面旁。

3，按权利要求1所述的涡轮机叶片，其中，所述叶型有一顶部，所述围带位于所述顶部上。

4，按权利要求1所述的涡轮机叶片，其中，所述围带中进一步包括若干与所述径向朝里的端面大致平行伸展的另外的冷却流体孔，所述另外的冷却流体孔从所述第一冷却流体孔伸出而与之连通，从而流入所述第一冷却流体孔中的所述冷却流体流过所述另外的冷却流体孔。

5，按权利要求1所述的涡轮机叶片，其中，所述叶型还包括前缘和后缘以及凸起面和下凹面，所述凸起面和下凹面都从前缘伸展到后缘；所述围带的第一部分从所述凸起面向外伸出，所述围带的第二部分从所述下凹面向外伸出。

6，按权利要求5所述的涡轮机叶片，其中，所述围带进一步包括与所述径向朝里的端面大致平行伸展的第三冷却流体孔，所述第三冷却流体孔从所述第一冷却流体孔伸出而与之连通，从而流入所述第一冷却流体孔中的所述冷却流体的第二部分流过所述第三冷却流体孔。

7，按权利要求6所述的涡轮机叶片，其中，所述第二冷却流体孔位于所述围带的所述第一部分，而所述第三冷却流体孔位于所述围带的所述第二部分。

8，按权利要求1所述的涡轮机叶片，其中，所述围带有一边缘面，所述第二冷却流体孔在所述边缘面上有一出口，从而流过所述第二冷却流体孔的所述冷却流体从所述出口排出所述围带。

9，按权利要求8所述的涡轮机叶片，其中，所述围带有一径向朝外面，所述边缘面把所述径向朝里的端面和所述径向朝外的端面连接在一起。

10，按权利要求1所述的涡轮机叶片，其中，所述第二冷却空气孔的直径至少约为0.8cm。

11，一种用于燃气轮机的涡轮机叶片，它包括：

a)一把所述叶片固定到涡轮机转子上的根部；

b)一从所述根部伸出的叶型部；

c)一从所述叶型上横向伸出并位于一平面中的围带；以及

d)冷却所述围带的部件，所述围带冷却部件包括(i)把冷却流体从所述根部引导到所述围带的冷却流体第一引导部件，以及(ii)引导所述冷却流体沿着一基本位于所述平面中的路径流过所述围带的冷却流体第二引导部件。

12，按权利要求11所述的涡轮机叶片，其中，所述冷却流体第一引导部件包括基本沿径向穿过所述叶型的第一管道。

13，按权利要求11所述的涡轮机叶片，其中：

a)所述冷却流体第一引导部件包括所述叶型中的第一管道；以及

b)所述冷却流体第二引导部件包括若干第二管道，所有第二管道均在所述围带中，所述第二管道之一从所述第一管道以第一方向伸出而另一所述第二管道从所述第一管道以第二方向伸出，所述第二方向与所述第一方向不同。

14，按权利要求13所述的涡轮机叶片，其中，所述围带上有若干表面，所有所述第二管道伸展到所述表面之一。

15，按权利要求13所述的涡轮机叶片，其中，所述围带包括一径向朝外的端面、一径向朝里的端面和一连接所述径向朝里的端面与径向朝外的端面的边缘面，每一所述第二管道在所述边缘面上都有一出口。

16，按权利要求11所述的涡轮机叶片，其中，所述冷却流体第二引导部件包括把冷却流体从所述根部引导到所述围带而冷却流体在其间没有损耗的部件。

17，一排涡轮机叶片，每一所述叶片包括：

a)一把所述叶片固定到涡轮机转子上的根部；

c)一从所述叶型上向外伸出的围带，所述围带包括(i)一与所述排中的所述叶片中一相邻叶片接靠的支承面，所述围带的第一部分位于所述支承面旁，以及(ii)第二冷却流体孔，所述第二冷却流体孔与所述第一冷却流体孔连通并穿过所述围带的所述第一部分，从而流入所述第一冷却流体孔的所述冷却流体流过所述第二冷却流体孔而冷却所述围带的所述第一部分。