CN1261673C

CN1261673C - 叶片冷却

Info

Publication number: CN1261673C
Application number: CN99125857.6A
Authority: CN
Inventors: 哈特穆特·亨莱
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 1998-11-30
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2019-11-30
Also published as: EP1006263A1; CN1255581A; US6328532B1; DE59810560D1; EP1006263B1

Abstract

本发明的装置用于引导在涡轮机、尤其是燃气轮机的内冷却叶片中的冷却流体。叶片内部具有至少一个冷却通道。位于叶片的槽中的至少一个塞块直接与叶片的顶壁和/或至少一个侧壁邻近。至少一个流动通道设置在塞块中，该通道由位于塞块中的凹槽和直接相邻的顶壁和/或侧壁形成。流动通道通过至少一个开口与冷却通道连通。冷却流体通过流动通道经由在顶壁和/或侧壁中的通道开口流出到叶片周围的主流中。

Description

叶片冷却

技术领域

本发明涉及在涡轮机、尤其是燃气轮机的内冷却叶片的冷却通道中引导冷却流体流动的装置。

背景技术

涡轮机、尤其是燃气轮机的效率可通过增加作为确定循环过程参数的流体压力和温度而得以改进。

现今在涡轮机的操作过程中、尤其是在涡轮进口区的标准流体温度已经远远高于各部件的材料可允许的温度。在这种情况下，尤其是涡轮叶片装置直接暴露于热的流体流中。通常，通过材料的热传导使涡轮叶片散热不足以避免叶片的过高温度。材料的温度太高首先会使材料的机械强度值降低。在循环过程中，裂纹会在部件中形成。另外，如果发生超过材料熔化温度的情况，那么部件的局部甚至是整体都会发生毁坏。为避免发生这种致命的后果，有必要进行附加的冷却，尤其是对涡轮机的涡轮叶片额外进行冷却。

现今主要使用的通过冷却流体、通常是冷却空气来冷却叶片的传统冷却方法称为对流冷却。在这种方法中，冷却流体被引导通过各叶片，各叶片被设计成是中空的或具有流体通道。由于冷却流体的温度比叶片材料的温度低，因此在冷却通道中强制对流的作用下，叶片材料和冷却流体之间发生了热传递。通过有效的冷却，材料的温度被降到低于叶片材料所允许的最大温度。

在冷却通道的端部，冷却流体主要经叶片壁上的一个或多个开口流出而汇入主流。但是，冷却流体也通常在冷却通道的端部被导入另一个内部腔室，并从经过那里进入另一个冷却通道或汇入主流。

气膜冷却是另一种叶片的冷却方法。在这种方法中，被供应到冷却通道中的冷却流体、通常是冷却空气通过叶片上的开口吹出，吹到叶片的表面上。在循环过程中，冷却流体在叶片壁和热的流动流体之间形成一个分离层，其类似于一个流体薄膜。因此，在主流的热流体和叶片之间没有直接的热传递发生。

上述两种方法均存在的缺点是叶片不能在各处都被均匀地冷却。在对流冷却中，热传递直接取决于冷却通道中的流动条件。冷却流体的较高流速使热传递。而在这种方法中，尤其是叶片尖端的区域通常存在着缺点，因为这里、尤其是沿着封闭叶片的顶壁存在着冷却流体的流速非常低的区域或者弱冷却区域。至今仅仅是通过采用叶片中冷却通道的复杂形状来补偿这些缺点。而这种叶片的制造非常复杂从而使成本高昂。另外，由于叶片是通过铸造来制造的，因此通常会在叶片壁上留有一个或多个开口，这些开口是在铸造过程中为固定铸造型芯所必需的。

发明内容

因此，本发明的一个目的是沿着叶片的顶壁和/或侧壁引导涡轮机的内冷却叶片中的冷却流体，以增加其冷却效果。

为了实现上述目的，提出一种涡轮机的叶片，包括一冷却通道，该冷却通道位于叶片内部，一冷却流体从中穿过，该冷却通道包括一进给开口和至少一个另外的开口，其特征在于，至少一个塞块设置在叶片的至少一个槽中，以引导冷却流体，以及所述塞块和所述槽被布置成垂直于或基本垂直于叶片高度方向，位于槽中的塞块直接邻近于叶片的顶壁和/或至少一个侧壁、或者至少部分地一体形成在顶壁和/或侧壁中，至少一个流动通道设置在塞块中，至少一个流动通道设置在塞块中，所述流动通道与所述冷却通道连通。

根据本发明的目的，至少一个塞块被设置在叶片的至少一个槽中，以引导冷却流体。除位于叶片内部的至少一个冷却通道外，叶片还具有至少一个进给开口，用于将冷却流体供应到冷却通道中，叶片具有至少另一个开口。槽和塞块沿叶片的纵向延伸而仅占叶片的一部分。在这种情况下，塞块至少部分地伸入叶片的至少一个冷却通道中。由于塞块所具有的结构，冷却通道具有局部改变的通路，从而在冷却通道中对冷却流体具有具有局部改变的引导。已经发现，热交换和由此产生的先前在叶片壁区域的部件冷却缺点通过在叶片槽中的本发明的塞块的结构而得以改进。

槽和塞块最好具有矩形或类似长条切口形的截面。在这种情况下，所述的截面应是垂直于塞块推入方向的截面。作为优选方案，槽和塞块的尺寸应做成彼此间为过盈配合。因此，塞块通过强制联锁插入槽中。塞块最好被钎焊。而且，槽中的塞块最好布置成垂直于叶片的高度方向。

槽和塞块都从叶片的抽吸侧延伸到压力侧。因此，尤其是槽的制造可采用简单的机加工制成。塞块的外轮廓最好与槽所在位置的叶片型面的轮廓相适应。因此，可避免叶片壁轮廓上的类似紊流点的过渡。这种类似紊流点的过渡将对涡轮机的主流产生较高的流量损失。

在优选的实施例中，至少塞块具有一个台阶或一个连续缩减的截面。这种情况下，塞块的截面最好沿塞块推入槽中的方向减小。槽最好以相同的方式形成，从而塞块可通过强制联锁插入槽中。尤其是对于转子叶片，最好以这样的方式布置台阶，即塞块的截面朝与转子转动方向相反的方向减小，从而塞块和槽之间的强制联锁被设置在截面减小的区域。已经发现，采用这样的结构可以一种非常有效的方式防止槽中的塞块变松，这是由于在转子加速的过程中作用在塞块上的惯性力和流动的流体的流体动态压力作用的结果。

根据本发明的槽和塞块最好以这样的方式布置，即位于槽中的塞块直接邻近于叶片的顶壁和/或至少一个侧壁，或者至少部分地一体形成在顶壁和/或侧壁中。另外，塞块最好布置成具有至少一个位于塞块中的流动通道。为此，一个凹槽最好以这样的方式布置在塞块中，即该凹槽与叶片上相邻的顶壁和/或相邻的侧壁形成该流动通道。该流动通道经至少一个开口与冷却通道连通，并最好具有至少一个出口。在这种情况下，流动通道的流动截面通常小于冷却通道。流动通道的出口最好设计成在相邻的顶壁和/或相邻的侧壁中的一通道开口。冷却通道没有另外的出口，因此所有进入冷却通道的冷却流体都流过流动通道。如果在冷却通道有另外的出口，冷却流体的主流将被分散开。如果在叶片内有多个冷却通道或冷却通道被分隔成分通道，流动通道的出口最好开向另一个冷却通道或冷却通道的另一个分通道。已经发现，通过这种流动通道，冷却流体会特定地沿相邻的顶壁和/或相邻的侧壁被引导。这就可对叶片壁区域进行特殊冷却，该区域在现有技术中的冷却效果很差或根本无法被冷却。另外，还注意到，在这样一种流动通道中被引导的冷却流体的冷却效果得以增加。这是由于在流动通道内的冷却流体的流速高于叶片中冷却通道中冷却流体的流速，从而使热交换得以增加。

在优选的实施例中，那些使流过流动通道的冷却流体的紊流程度增加的紊流部件被设置在流动通道中。因此，冷却流体与侧壁之间的热交换得以增加，从而改进了冷却效果。例如，流动通道中的简单的横向网可被用作这样的紊流部件。

而且，最好这样布置槽和塞块，即位于槽中的塞块直接邻近于顶壁和/或至少一个侧壁，或者至少部分地一体形成在顶壁和/或侧壁中，并在循环过程中至少部分地封闭冷却通道的至少一个开口。尤其是当冷却通道除进口和出口之外还具有另外的一个或多个开口且这些开口都太大而冷却流体从中通过的速度太快时，上述这种结构是很有利的。这种开口例如可以是由于铸造技术的要求而在安装型芯时形成的。

附图说明

下面通过参照附图对本发明进行详细说明，可以对本发明有更全面的了解并使本发明所具有的优点变得更加清晰。其中：

图1为在叶片顶端区域具有一槽和一位于槽中的塞块的叶片立体图。

图2为叶片的剖视立体图，示出了叶片的槽和位于槽中并邻近于叶片顶壁的塞块，两流动通道插入塞块中。

图3为流动通道和图2中流动通道出口的放大图。

图4为叶片的侧视剖面图，示出了邻近叶片顶壁的塞块，该塞块具有一流动通道，冷却流体从该通道流出，汇入主流。

图5为叶片的侧视剖面图，示出了被一分隔壁再分隔开的组合冷却通道，和邻近叶片顶壁的塞块，该塞块具有一流动通道，冷却流体流出冷却通道的第一分通道从流动通道进入冷却通道的第二分通道。

具体实施方式

现在参照附图，其中相似的标号代表几幅附图中相同或相应的部件。图1示出了一涡轮机的内冷却叶片110，其具有一个根据本发明的槽121和根据本发明布置在槽中的塞块120。所示叶片110被设计成在塞块120区域无遮蔽物。位于叶片110中的冷却通道在图1中未示出。槽121和塞块120的有利结构是大致垂直于叶片的高度方向118，设置在叶片的顶端区域。在所示的实施例中，槽121和塞块120被布置在叶片上的叶片最大厚度区域，并且仅沿叶片的纵向在叶片的一部分上延伸。但是，塞块和槽也可布置在叶片上不同于所示叶片位置的位置上。如上所述的槽121和塞块120的截面为矩形。在本实施例中所述的截面是指垂直于塞块的推入方向的截面。槽121和塞块120的尺寸被适当地做成过盈配合。而且，塞块通过钎焊方式固定在槽中。从而可以简单而且成本合算的方法将塞块固定在槽中。塞块120的外轮廓形状与槽所在位置处的叶片型面轮廓相适应。因此，可避免在叶片的型面轮廓上产生紊流点式(turbulence-point-like)的过渡。

在图2中，根据本发明的在叶片210的槽221中的塞块220的结构通过叶片210立体剖视图示出。叶片210被设计成内部是中空的。叶片210除具有一压力侧壁和一抽吸侧壁211之外还具有一封闭叶片内部空腔的顶壁212。叶片内部的空腔在这里是作为叶片210的一个单个的冷却通道213。冷却流体230通过在叶片根部的一个进给开口(图中未示)被送入叶片中。

图2中所示的塞块220位于在叶片顶部区域大体垂直于叶片的高度方向的槽221中。在叶片的纵向上，槽221和塞块220仅在叶片210的一部分上延伸，而槽221和塞块220均在叶片的厚度方向上从叶片的压力侧到抽吸侧连续地延伸。塞块220在叶片外侧的轮廓与叶片210的型面轮廓相适应，因此与压力侧和抽吸侧的叶片的型面轮廓相适应。槽221和塞块220被制成截面互相匹配并通过过盈配合装配在一起。在这里，塞块220的顶部直接邻近于顶壁212在叶片内侧的表面。另外，在本发明所示的实施例中，塞块220有多个凹槽，从而在塞块220顶部互相彼此分离布置的两个凹槽与顶壁212一起形成了两个流动通道222。流动通道222经位于塞块220的前端面上的另一开口223与叶片210的冷却通道213连接。从而，冷却流体230可流出冷却通道213而进入流动通道222。尽管所示的流动通道222和开口223被制成矩形凹槽，但是对凹槽的设计可根据原理自由地选择。为了使来自冷却通道213的冷却流体230从流动通道222流出，在顶壁212或侧壁211上为每一流动通道设置有作为通道开口的出口224。

图3以一个放大的视图示出了在叶片侧壁211上的通道开口224的结构。通道开口224在这里被制成一个孔，并相对于侧壁211的表面成一个角度设置。在本实施例中，通道开口在流动通道222的封闭端与其连通。通道开口224的设置角度应使排放的流体相对于在叶片周围流动的主流具有尽可能小的位移角。如果在叶片210中的冷却流体230的静态压力高于在叶片周围流动的主流的静态压力，从冷却通道213向流动通道222流动的冷却流体230将通过通道开口224流入主流。从而，穿过流动通道和通道开口形成了一个连续的冷却流体流。在循环过程中，热交换发生在冷却流体230和靠近流动通道222的叶片壁(顶壁212和/或侧壁211)之间，从而对相邻的侧壁进行特殊的冷却。另外，由于流动通道222的流动截面小于冷却通道213的流动截面，因此冷却流体230会以增加的流速流过流动通道。这种较高的流速会使热传递有额外的增加，从而改进叶片壁的冷却。

图4以侧视剖面图示出了穿过内冷却叶片的一个截面，该叶片具有位于槽321中的本发明另一种结构的塞块320。该截面穿过叶片的中央并且穿过叶片的顶壁312(以截面示出)，示出了在叶片内部的冷却通道313的详细结构。

槽321被布置成部分槽321位于顶壁312内。插入槽321中的塞块320同样也相应地装配在顶壁312中。与槽321相同，塞块320相应地具有一个矩形截面。塞块320通过强制联锁被置于槽321内。但是，根据原理，塞块和槽也可设计成其他截面形状，例如椭圆形、梯形、菱形或多边形，尽管这些截面在各种情况下必须互相匹配。另外，在所示的本实施例中的塞块具有两个凹槽，它们在图4中以穿过中心的截面示出。在本实施例中，位于塞块顶部上的凹槽与相邻的顶壁312一起形成了一个流动通道322，该通道位于顶壁的下侧与顶壁平行。该流动通道322经开口323与冷却通道313连通，开口323是由位于塞块320的端壁上的第二凹槽形成的。该开口323同样是由塞块上的一个孔制成的。而且，通道开口324是由一孔以一角度设置在顶壁312上形成的。该通道开口324在流动通道322的端部与流动通道322连通，该端部将冷却通道封闭。冷却流体330流出冷却通道313，经位于塞块320中的流动通道322进入通道开口324，并从那里流到顶壁312的顶面上，从而流入在叶片周围流动的主流中。通过被导入流动通道中的冷却流体330，邻近流动通道322的叶片壁进行了特殊的冷却。而且，由于流动通道322的上游结构和在流动通道322中产生的压力损失，通道开口324可具有一个与没有上游流动通道的结构相比较大的截面。这种结构使得在涡轮机的操作过程中减小了由杂质粒子产生的通道开口阻塞的危险。

本发明的另一实施例在图5中以穿过内冷却叶片的一个截面示出。在图中，所示的冷却通道被一分隔壁417分隔成两个分通道415、416。如图5所示的本实施例中的这种在叶片的槽421中的塞块420的结构与图4中的结构相对应。在这种情况下，这种对应并不限制本发明在图4和图5中的结构，它们可以彼此互相自由和独立地选择。与图4不同，本实施例中的冷却流体430并不汇入主流，而是通过塞块420使冷却流体430从冷却通道中的第一分通道415转向流入第二分通道416。为此，位于塞块420中的流动通道422通过开口423分别与分通道415、416连通。在这种情况下，从第一分通道415流出的冷却流体430在流动通道422中沿着顶壁412进入第二分通道416，从而形成对顶壁412的特殊冷却。

很显然，根据上述内容，本发明还可作出各种修改和变型。因此，需要知道的是，在本发明可在技术方案的范围内进行实施，并不受限于文中的具体描述。

Claims

1.一种涡轮机的叶片(210)，包括一冷却通道(213)，该冷却通道位于叶片内部，一冷却流体(230)从中穿过，该冷却通道(213)包括一进给开口和至少一个另外的开口(224)，其特征在于，至少一个塞块(220)设置在叶片的至少一个槽(221)中，以引导冷却流体(230)，以及所述塞块(220)和所述槽(221)被布置成垂直于或基本垂直于叶片高度方向(118)，位于槽中的塞块直接邻近于叶片的顶壁和/或至少一个侧壁、或者至少部分地一体形成在顶壁和/或侧壁中，至少一个流动通道设置在塞块中，所述流动通道与所述冷却通道连通。

2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述叶片是燃气轮机叶片。

3.根据权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，塞块(220)和槽(221)具有矩形或类似长条切口形的截面。

4.根据权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，塞块(120)和槽(121)具有一个台阶或一个连续缩减的截面。

5.根据权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，塞块和槽从叶片的抽吸侧向压力侧连续地延伸，塞块的外轮廓与叶片的型面相适应。

6.根据权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，塞块至少部分地封闭冷却通道的至少一个开口。

7.根据权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，所述流动通道(222)经至少一个开口(223)与冷却通道(213)连通，且该流动通道(222)具有至少一个出口(224)。

8.根据权利要求7所述的叶片，其特征在于，流动通道(222)通过设置在塞块中的一个凹槽形成，并且通过叶片上相邻的顶壁(212)和/或相邻的侧壁(211)形成。

9.根据权利要求7所述的叶片，其特征在于，出口(224)为在叶片上相邻的顶壁(212)和/或相邻的侧壁(211)中的通道开口。

10.根据权利要求7所述的叶片，其特征在于，紊流元件被设置在流动通道中。