CN1278018C - 围带件得到有效冷却的涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

一种空气冷却涡轮叶片，其叶顶上有一围带件，该围带件横向伸展在叶片纵向轴线上，围带件内部有用来冷却的空心空间，这些空心空间在进口端与经涡轮叶片通向叶顶的至少一个冷却空气通道连接，并在出口端开放而通入涡轮叶片周围的外部空间，其中，空心空间与围带件的形状和尺寸互相匹配，从而减轻围带件的重量。

Description

围带件得到有效冷却的涡轮叶片
本发明涉及燃气轮机，本发明特别涉及一种空气冷却涡轮叶片。
这种空气冷却涡轮叶片例如见US-A-5,482,435或US-A-5,785,496。
现代燃气轮机的工作温度极高。因此需要对现代燃气轮机中使用的涡轮叶片进行充分冷却。此时，一般特别难于有效冷却叶片的露出部位。这些部位之一是叶片的围带或围带件。冷却围带件的一种方法见上面提到的US-A-5,785,496。该专利提出(见该专利的图1A和1B)，用若干从(中部)运动叶片经围带件伸展到围带件外边缘后通向外部空间的平行冷却孔冷却围带件。在US-A-5,482,435中，只有方向相反的两个冷却孔冷却围带件。
但是，这些现有方法的缺点是：现有冷却孔在围带件内部所占据的空间较小。由于为在围带件中钻孔，围带件须保持一定厚度，而在这些孔的外部部位也得保持围带件的这一厚度或更大厚度，因此流体流过的围带体积与流体不流过的围带体积之比减小。其结果是，围带件得不到最佳冷却，由于围带件固体材料所占比例大，因此较重，从而运行中因向心力而受到很大机械负载。
为解决这一问题，例如在GB-A-2,290,833中提出，全部取消围带件内部的冷却孔，而是使冷却空气如薄膜冷却那样从一分布通道经若干小孔流出到围带件的顶面上，以此减小围带件的厚度和重量。但是，此时的一个问题是，围带件的这一表面薄膜冷却方法的有效性极大地依赖于围带件顶面上的流体条件，因此很难在各种运行状态下都获得最佳冷却。
因此本发明的目的是提供一种具有一空气冷却围带件的涡轮叶片，在该涡轮叶片中，可简单地克服上述缺点，其特点是，在大大减轻围带件的重量的同时有效冷却围带件。
为实现上述目的，本发明提出一种空气冷却涡轮叶片，其叶顶上有一围带件，该围带件横向伸展在叶片的纵向轴线上，围带件的内部有用来冷却的空心空间，这些空心空间在进口端与经涡轮叶片通向叶顶的至少一个冷却空气通道连接，并在出口端开放而通入涡轮叶片周围的外部空间，其中，空心空间与围带件的形状和尺寸互相匹配，从而减轻围带件的重量。本发明的要点在于，把在围带件内部携带冷却流体的空心空间的形状和尺寸设计成与围带件匹配，从而提高供冷却流体流动的体积在围带件总体积中所占的比例。这样，可在有效冷却的同时大大减轻围带件的重量。
本发明涡轮叶片第一优选实施例的特征在于，该空心空间包括冷却孔；冷却孔呈隧道形，围带件在冷却孔外部的厚度减小；冷却孔从内到外与叶顶运动方向平行地伸展，向上通向围带件外边缘上游的外部空间。冷却孔的隧道形设计不仅减小了围带件固体材料所占比例，同时提高了围带件的机械刚性。即使一涡轮的所有叶片的围带件依次排列在一直线上形成一环状围带，冷却空气也可在叶顶处顺畅排出。
为此，围带件的顶面上最好有凹槽，冷却孔沿横向通入凹槽中。此外，每一冷却孔中最好有一限制冷却空气质量流的节流口，各节流口位于冷却孔的进口端。某些冷却孔也可设计成扩散器。
本发明第二优选实施例的特征在于，空心空间设计成伸展在围带件宽度上的缝；这些缝从内到外与叶顶运动方向平行地伸展，向上通向围带件外边缘上游的外部空间；围带件的顶面上有凹槽；这些缝沿横向通入这些凹槽。这些宽缝提高冷却效果，同时大大减少围带件的材料。此时，这些缝中最好也有限制冷却空气质量流的节流口，节流口位于缝的进口和/或出口端。
如在该实施例的一优选变种中在这些缝中使用提高冷却空气与围带件之间热传导的部件，则该冷却特别有效。特别是，可把分布在这些缝中的销钉用作提高热传导的部件，在这些销钉周围形成冷却流体涡流，因此这些销钉进一步提高冷却流体与围带件材料之间的热传导。
本发明涡轮叶片的第三优选实施例的特征在于，该空心空间包括伸展在叶顶运动方向上的冷却孔；许多横向孔与这些冷却孔交叉；这些横向孔用封闭端与外部空间隔绝。这些交叉的冷却孔在几何构型上与其中分布有销钉的缝相当。因此热传导大大提高，围带件的固体材料、从而重量大大减少。这些交叉的冷却孔在围带件中很容易用现有方法加工。如用所谓的STEM钻孔工艺制作这些冷却孔和横向孔，这些冷却孔就可特别有利于冷却。
下面结合附图详细说明本发明各实施例，附图中：
图1为本发明涡轮叶片第一优选实施例的平面图，该围带件中有隧道形冷却孔(用虚线表示)；
图2为燃气轮机内部图1涡轮叶片的顶部与相对壳体壁的侧视图；
图3与图1类同，但示出具有宽缝和均布在该缝中的销钉的本发明第二优选实施例；
图4与图2类同，示出图3叶片的侧视图；
图5与图1类同，但示出具有交叉冷却孔和横向孔的本发明第三优选实施例；
图6与图2类同，示出图5叶片的侧视图。
图1为本发明涡轮叶片第一优选实施例的平面图。涡轮叶片10包括实际叶型23(垂直于图面伸展)和一围带件11，该围带件在叶顶上位于叶型23侧部，与其他叶片(未示出)的围带件一起形成一连续、环状、机械稳定的围带。叶型23内部的一部分为空心，其中有一个或多个冷却空气通道18(图1中用虚线表示)把冷却空气从叶根向上输送到叶顶(例如见US-A-5,482,435的图2)。围带件11的顶面(图2中22)上有两根与叶顶运动方向平行伸展的凸肋12和13，这些凸肋与燃气轮机的相对壳体壁20一起形成一经间隙与周围连通的空腔21(图2)。
在围带件11的内部，在凸肋12、13之间有多个从中部与凸肋平行伸展的冷却孔16、16’和17、17’(图1和2中用虚线表示)。这些冷却孔的构型可相同，也可不同。在图1实施例中，冷却孔16、17的孔径不变，而冷却孔16’、17’设计成横截面在流体方向上变宽的扩散器。
冷却孔16、16’和17、17’的进口与冷却空气通道18连接，冷却空气(或其他冷却流体)从该通道流入这些冷却孔。如图1所示，冷却孔16、17不一直伸展到围带件11的侧端或边缘，而是分别通入形成在围带件11的顶面上的细长凹槽14或15中。从而即使(相邻的)两围带件机械接触也能确保冷却空气总是在冷却孔中流动。当然，凹槽14、15也可不连续，而是冷却孔16、16’和17、17’各自与其独立凹槽连接。此外，需要时冷却孔16、16’和17、17’的伸展方向也可不互相平行，而是稍稍成一角度，以在围带件11的整个面积上获得最佳冷却效果。
此外，向叶顶流动的冷却空气对围带中的空腔(图2)“充气”。这造成围带件11与壳体壁20之间的间隙中的压力提高，从而有助于防止高热气体24的质量流的渗入。此外，该区域中的混合温度也降低，从而围带件11顶面22中的热负载也减小。此外，最好每一冷却孔16、16’和17、17’在进口端即在叶型23的冷却空气供应部位中有一节流口19。这可特别限制冷却空气质量流，从而大大提高冷却效果。
但是，在图1和2实施例中，按照本发明减轻围带件11的重量的一个决定性因素是冷却孔16、16’和17、17’设计成隧道形。如图2侧视图所示，这意味着，围带件11在冷却孔16、16’和17、17’外部的厚度减小。因此围带件的材料、从而重量大大减少。同时，所要冷却的材料量减少。最后，隧道形冷却孔16、16’和17、17’在围带件顶面上形成肋状突起，这些肋状突起大大提高了围带件11的机械刚性。
图3和4实施例示出减轻重量的另一种形式。在该实施例中，用在围带件11内部，从中部冷却通道18向上伸展到侧部凹槽14和15后通向外部的宽缝25或26取代叶型两边的许多冷却孔。由于其宽度连续，因此缝25、26使得重量大大减轻，确保在整个宽度上均匀冷却。这里，每一缝中也有限制冷却空气质量流的节流口19和19’，节流口可位于缝25、26的进口端(节流口19)和/或出口端(节流口19’)。如用均匀分布在缝中的销钉27(阵列)提高热传导，则可进一步提高缝25、26的冷却效果。销钉27增强了冷却气流的漩涡运动，增加了热传导面积。此外，如它们在缝中从一壁伸展到另一壁，叶片的机械稳定性得到加强。为了使冷却效果最佳，阵列中的销钉的数量和布置可改变。
图5和6示出本发明范围内的又一种重量减轻。这里，在围带件11中生成由平行冷却孔16、17(钻孔轴线29)和与冷却孔16、17交叉的横向孔28(钻孔轴线30)构成的一矩阵，其重量减轻和冷却效果与图3和4装有销钉的缝相当。冷却孔16、17和横向孔28一以及图1和2中的冷却孔一最好用详情见US-A-5,306,401的所谓的STEM钻孔工艺制作。因此，可(通过改变进刀量)在冷却孔16、17和横向孔28内生成起伏、例如提高涡流的起伏或凸肋。由于冷却孔的形状最佳，因此冷却效果大大提高。冷却孔16、17和横向孔28用钻孔后封闭的端部31和32与外部隔绝。这里，冷却孔16、17最好也有节流口19并通向在顶面上开口的侧部凹槽14、15。

Claims (6)

1、一种空气冷却涡轮叶片(10)，其叶顶上有一围带件(11)，该围带件(11)横向伸展在叶片的纵向轴线上，围带件(11)的内部有用来冷却的空心空间(16、16’、17、17’；25、26；28)，这些空心空间(16、16’、17、17’；25、26；28)在进口端与经涡轮叶片(10)通向叶顶的至少一个冷却空气通道(18)连接，并在出口端开放而通入涡轮叶片(10)周围的外部空间，其中，空心空间(16、16’、17、17’；25、26；28)与围带件(11)的形状和尺寸互相匹配，从而减轻围带件(11)的重量，空心空间包括伸展在叶顶运动方向上的冷却孔(16、17)；许多横向孔(28)与冷却孔(16、17)交叉，其特征在于，横向孔(28)用封闭端(31、32)与外部空间隔绝。
2、按权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，冷却孔(16、17)向上开放而通入围带件(11)外边缘上游的外部空间中。
3、按权利要求1或2所述的涡轮叶片，其特征在于，围带件(11)的顶面上有凹槽(14、15)；冷却孔(16、17)沿横向通入凹槽(14、15)。
4、按权利要求1或2所述的涡轮叶片，其特征在于，每一冷却孔(16、17)中有限制冷却空气质量流的节流口(19)；每一节流口(19)位于冷却孔(16、17)的进口端。
5、按权利要求1或2所述的涡轮叶片，其特征在于，冷却孔(16、16’；17、17’)和横向孔(28)用所谓的STEM钻孔工艺制作。
6、按权利要求1或2所述的涡轮叶片，其特征在于，围带件(11)的顶面上有相间距、互相平行伸展的凸肋(12、13)，这些凸肋(12、13)与燃气轮机的相对壳体壁(20)一起形成一空腔(21)；空心空间(16、16’；17、17’)通入该空腔(21)。
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