CN1328478C - 降低涡轮叶尖温度的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

叙述了一种燃气轮机(10)的转子叶片，它包含一个有利于降低转子叶片工作温度的端区(60)。该端区包含自翼面(42)的端板(54)径向向外延伸的一个第一端壁(62)和一个第二端壁(64)。这些端壁自翼面前缘(48)附近延伸，而在翼面后缘(50)处相互连接。在翼面前缘处在第一和第二端壁之间界定一凹口。第二端壁的至少一部分是凹入的，以界定一端台(90)。

Description

降低涡轮叶尖温度的方法和装置
技术领域
本发明总的涉及燃气轮机转子叶片，尤其涉及降低转子叶尖温度的方法和装置。
背景技术
燃气轮机转子叶片通常包含具有前缘、后缘、压力侧和负压侧的翼面。该压力侧和负压侧在翼面前、后缘处连接。并径向跨越在翼面根部和顶部之间。为有利于减少翼面顶部和静止定子部件之间的燃烧气体的泄漏，该翼面包含一个自该翼面顶部径向向外伸出的端区。
该翼面端区包含一个自翼面前缘伸展到后缘的第一端壁和一个也自翼面前缘伸展而在翼面后缘处跟该第一端壁连接的第二端壁。该端区防止若转子叶片擦刮定子部件时对翼面造成的损害。
在运转期间，冲击转动着的转子叶片的燃烧气体将热量传入叶片翼面和端区。在高温中超时间的连续运转会使翼面端区热疲劳。为便于降低翼面端区的运转温度，至少一些已知的转子叶片包含在端壁内的一些槽，以允许燃烧气体以低温流过该端区。
为使转子叶尖的热疲劳减至最轻，至少一些已知的转子叶片包含一个靠近该端区的端台，以便于降低这些端区的运转温度。该端台被界定在翼面的压力侧内，当转子叶片旋转时它破坏燃烧气体流，从而能形成一冷却空气膜层，贴紧在翼面的压力侧。该膜层将叶片跟高温燃烧气体隔热。
发明内容
根据本发明，提供了一种制造燃气轮机转子叶片的方法，该制造方法有利于降低转子叶片顶部的工作温度，该转子叶片包含一前缘，一后缘，一第一侧壁和一第二侧壁，该第一和第二侧壁在轴向前缘和后缘处彼此连接，并在转子叶片根部和转子叶片端板之间径向延伸，所述方法包括如下步骤：形成一个第一端壁自转子叶片端板沿该第一侧壁延伸；形成一个第二端壁自转子叶片端板沿该第二侧壁延伸，这样第二端壁与第一端壁在转子叶片后缘处彼此连接，而沿转子叶片前缘在第一和第二端壁之间界定一凹口。
根据本发明，还提供了一种燃气轮机的翼面，包括：一个前缘；一个后缘；一个端板；一个径向延伸跨越在翼面根部和所述端板之间的第一侧壁；一个在前缘和后缘处连接于所述第一侧壁的第二侧壁，所述第二侧壁径向延伸跨越在翼面根部和端板之间；一个沿第一侧壁自所述端板径向向外延伸的第一端壁；一个沿第二侧壁自端壁径向向外延伸的第二端壁，所述第一端壁在后缘处连接于第二端端壁；和一个沿所述翼面前缘在第一端壁和第二端壁之间延伸的凹口。
根据本发明，还提供了一种燃气轮机，它包括若干转子叶片，每一转子叶片包括一个翼面，该翼面包括一前缘，一后缘，一第一侧壁，一第二侧壁，一第一端壁，一第二端壁和一凹口，所述翼面的第一和第二侧壁沿轴向在前、后缘彼此连接，第一和第二侧壁自叶根径向延伸到所述端板，第一端壁沿第一侧壁自端板径向向外延伸，第二端壁沿第二侧壁自端板径向向外延伸，凹口在第一端壁和第二端壁之间沿翼面前缘延伸。
在一个示例性实施例中，燃气轮机的转子叶片包含一个有利于降低转子叶片运转温度而不牺牲涡轮机空气动力效率的端区。该端区包含从一翼面端板径向向外伸展的一个第一端壁和一个第二端壁。第一端壁自翼面前缘邻近伸展到翼面的后缘。第二端壁也自该翼面前缘邻近伸展，并在该翼面后缘处跟该第一端壁连接，以界定一个顶部敞口的端腔。第二端壁的至少一部分凹下，界定一端台。一凹口自该端板延伸，在该翼面前缘处被界定在第一和第二端壁之间。
在运转期间，当转子叶片旋转时，在各转子叶片前缘附近的高温燃烧气体移动到该翼面端区。由于这些端壁自该翼面伸展，因此在转子叶片和静止结构部件之间界定一密封间隙，这有利于减少燃烧气体的泄漏。若在静止结构部件和转子叶片之间出现擦刮，则这些端壁接触这些静止部件，而翼面则未受损伤。当转子叶片转动时，在前缘附近的低温燃烧气体流经该凹口，将较低的燃气温度导入该端腔内。转子叶片压力侧的燃烧气体也流过该端区台阶，并与薄膜冷却空气混合。结果，该凹口和台阶有利于降低端区内转子叶片的工作温度，而不消耗额外的冷却空气，从而改善了涡轮机的效率。
附图说明
图1是燃气轮机的简图；
图2是可用于图1中所示的燃气轮机的转子叶片的局部透视图；
图3是图2中所示转子叶片的另一实施例的横剖视图；
图4是可用于图1中所示的燃气轮机的转子叶片的又一实施例的局部透视图。
具体实施方式
图1是燃气轮机10的简图，该机包括一螺旋桨组件12，一高压压气机14和一燃烧室。发动机还包括一高压涡轮18，一低压涡轮20和一助力器22。螺旋桨组件12包括一排螺旋桨叶片24，自转子盘26径向向外伸展。发动机10有一进气侧28和一排气侧30。
在运转时，空气流经螺旋桨组件12，而被压缩的空气供给高压压气机14。高压压缩空气供给燃烧室16。来自燃烧室16的空气流(在图1中未示)驱动涡轮18和20，而涡轮20驱动螺旋桨12。
图2是可用于一燃气轮机，如燃气轮机10的转子叶片40的局部透视图。在一个实施例中，若干转子叶片40构成燃气轮机10的一个高压涡轮转子叶片级(未示)。每一转子叶片40包括一个空心翼面42和一个用以以已知方式将翼面42安装到一转子盘上的整体燕尾(未示)。
翼面42包含一个第一侧壁44和一第二侧壁46。第一侧壁44是中凸的，限定翼面42的负压侧，而第二侧壁46是中凹，限定翼面42的压力侧。侧壁44和46在前缘48处在前缘48下游的翼面42的轴向间隔的后缘50处彼此连接。
第一和第二侧壁44和46分别纵向或径向向外伸展，自邻近燕尾槽的叶根(未示)横跨到限定一内冷却腔(未示)的径向外边界的一端板54。该冷却腔被界定在侧壁44和46之间的翼面42内。翼面42的内部冷却作用在该技术领域内是已知的。在一个实施例中，该冷却腔包含一条以压气机放气冷却的螺旋形通道。在另一实施例中，侧壁44和46包含若干穿过这些壁的气膜冷却孔口，以有利用该冷却腔的额外冷却。在又一个实施例中，翼面42包含若干后缘孔口(未示)，用来自该冷却腔排出冷却空气。
翼面42的端区60往往被称作啸声顶，包含一个第一端壁62和一个第二端壁64，与翼面42整体形成。第一端壁62自翼面前缘48附近沿其第一侧壁44伸展到其后缘50。更具体地说，第一端壁62自端板54伸展到外缘65，形成一高度66。第一端壁高度66沿第一端壁62基本上是不变的。
第二端壁64自翼面前缘48附近沿第二侧壁46延伸，在翼面后缘50处与第一端壁62连接。更具体地说，第二端壁64与第一端壁62侧向间隔，从而以端壁62、64和端板界定一顶部敞口的端腔70。第二端壁64还自端板54径向向外伸展到外缘72，形成一高度74。在该示例性实施例中，第二端壁高度74等于第一端壁高度66。另一种方案是，第二端壁高度74不等于第一端壁高度66。
一凹口80沿翼面前缘48被界定在第一端壁62和第二端壁64之间。更具体地说，凹口80的宽度82在第一和第二端壁62、64之间延伸，高度84相应在凹口80的被端板54界定的底部86和第一与第二端壁外缘65、72之间度量。
在一个替换实施例中，凹口80并不自端板54延伸，而是分别自第一和第二端壁外缘65、72向端板54延伸一小于凹口高度84的距离(未示)，因此，凹口底部86离端板54有一距离(未示)。在另一替换实施例中，第二端壁64不与第一端壁64在翼面后缘50处连接，而一孔口(未示)在翼面后缘50处被界定在第一端壁62和第二端壁64之间。
凹口80与顶部敞口的端腔70保持流通关系，以允许燃烧气体在低温下进口腔70，使受热较少。在一个实施例中，凹口80还包括一个导壁(在图2中未示)，用来将进入顶部敞口的端腔70的气流导向第二端壁64。更具体地说，该导壁自凹口80向翼面后缘50延伸。
第二端壁64在自翼面第二侧壁46上至少部分地内凹。更具体地说，第二端壁64自翼面第二侧壁46凹向第一端壁62，以界定一个径向向外面向的第一端台90，它大致在前缘48和后缘50之间延伸。更具体地说，端台90包含一前缘94和一后缘96。前缘94和后缘96各自变尖，与第二侧壁46齐平。端台前缘94在翼面前缘48下游一段距离，而端台后缘96在翼面后缘50上游一段距离。
内凹的第二端壁64和端台90在其间界定一大致L形沟槽102。在该示例性实施例中，端板54通常是不穿孔的，而仅包含若干在端台90上穿通端板54的孔口106。孔口106沿端台90轴向间隔，在沟槽102和翼面内冷却腔之间保持流通关系。在一个实施例中，端区60和翼面42均涂以隔热涂层。
在运转期间，啸声端壁62和64处在普通的静止定子罩(未示)接近处，在其间界定一密封间隙(未示)，这有利于减少燃烧气体的泄漏。端壁62和64自翼面42径向向外延伸。因此，若在转子叶片40和定子罩之间出现擦刮，则仅端壁62和64接触该罩，而翼面62未受损伤。
因为流经涡轮机流通的燃烧气体呈现抛物线分布，因此接近涡轮叶尖区前缘48的燃烧气体的温度低于接近涡轮机叶尖区后缘50的温度。由于较冷的燃烧气体流入凹口80，因此叶尖区60的热负荷下降了。更具体地说，流入凹口80的燃烧气体比从转子叶片压力侧经端隙漏到转子叶片负压侧44的气体有更高的压力和较低的温度。结果，凹口80有利于降低端区60内的工作温度。
此外，由于燃烧气体流过翼面第一端台90，因此沟槽102使翼面压力侧46不连续，这使燃烧气体自翼面第二侧壁46分离，从而有利于减少其热传导。另外，沟槽102形成一冷却空气区，以积聚和构成紧贴侧壁46的气膜。第一端台孔口106将冷却空气自翼面内冷却腔排出，在端区60上构成一气膜冷却层。随着叶片转动，在接近叶片中心线(未示)的前缘48处的转子叶片40的外边的燃烧气体在径向流动中会沿着第二侧壁46向靠近后缘50的翼面端区60迁移，使前缘顶端的工作温度低于后缘顶端的工作温度。第一端台90在迁移的径向流动中用作反向台阶，对贴着侧壁46积聚的冷却空气膜提供保护。结果，端台90有利于改善气膜的冷却作用，从而降低侧壁46的工作温度。
图3是可用于燃气轮机，如燃气轮机10的转子叶片120的另一实施例的横剖视图。转子叶片120基本上类似于图2中所示的转子叶片40，并且与转子叶片40的部件相同的转子叶片120中的部件在图3中采用与图2中使用的同样标号标记。相应地，转子叶片120包含翼面42(示于图2)，在前后缘48、50之间延伸的侧壁44和46(示于图2)和凹口80。此外，转子叶片120包含第二端壁64和第一端台90。相应地，转子叶片120包含一第一端壁122。在第一和第二端壁122和64之间定界凹口80。
第一端壁122自邻近的翼面前缘48沿第一侧壁44延伸，在翼面后缘50处与第二端壁连接。更具体地说，第一端壁122跟第二端壁64侧向间隔，以界定顶部敞口的端腔70。第一端壁122自端板54径向向外伸展一个高度(未示)到外缘126。在该示例性实施例中，该第一端壁高度等于第二端壁高度74。或者，该第一端壁高度不等于第二端壁高度。
第一端壁122自翼面第一侧壁44至少部分地凹入。更具体地说，第一端壁122自翼面第一侧壁44向第二端壁64凹入，以界定一径向面向外的第二端台130，它大致在翼面前、后缘48、50之间延伸。更具体地说，端台130包含前缘134和后缘136。前缘134和后缘136各自变尖，与第一侧壁44齐平。端台前缘134距翼面前缘48下游一段距离138，而端台后缘136距翼面后缘50上游一段距离140。
内凹的第一端壁122和第二端壁130在其间界定一大致L型沟槽144。在该示例性实施例中，端板54通常是大穿孔的，并包含若干在第一端台90处穿过端板54的孔口106，和若干在第二端台130处穿过端板54的孔口146。孔口146沿第二端台130轴向间隔，并在沟槽144和翼面内冷却腔之间保持流通关系。在一个实施例中，端区62和翼面42均涂以隔热涂层。
在运转时，啸声端壁122和64与普通静止定子罩(未示)相处甚近，并在其间界定一密封间隙(未示)，以利减少燃烧气体泄漏。端壁122的以与上述端壁62同样的方式起作用，并自翼面42径向向外延伸。因此，若在转子叶片40和定子罩之间出现擦刮，则仅端壁122和64接触该罩，而翼面42未受损伤。
此外，随着转子叶片40转动和燃烧气体流过翼面端台90和130，沟槽102和144使翼面压力侧46和负压侧44相应产生不连续，这使燃烧气体相应地自翼面侧壁46和44分离，从而有利于减少其热传导。沟槽144的功能与沟槽102相似，便于气膜冷却流通。
图4是可用于燃气轮机，如燃气轮机10(示于图1)的转子叶片200的一个替代实施的部分局部透视图。转子叶片200基本上类似于图2所示的转子叶片，并且，与转子叶片40的部件相同的转子200中的部件在图4中采用与图2中使用的相同标号标记。因此，转子叶片200包含翼面42，分别在前、后缘48、50之间延伸的侧壁44和46和凹口80。此外，转子叶片200包含第一端壁62、凹口80和第二端壁202。相应地，在第一和第二端壁62和202之间界定凹口80。
第二端壁202自邻近的翼面前缘48沿翼面第一侧壁44延伸到翼面后缘50。更具体地说，第二端壁202自端板54延伸一个高度(未示)至外缘204。该第二端壁高度沿第二端壁202基本上是不变的。第二端壁202与第一端壁62侧向间隔，界定顶部敞开的端腔70。在该示例性实施例中，该第二端壁高度等于第一端壁高度66。或者，该第二端壁高度不等于第一端壁高度66。
凹口80包含一个自第一端壁62向翼面后缘延伸的导壁210。更具体地说，导壁210自第一端壁62弯曲延伸，界定凹口80的弧形入口212。
导壁210的长度214要选得能将进入顶部敞口端腔70的气流导向第二端壁202。
上述转子叶片是价廉而高度可靠的。该转子叶片包含一个界定在第一和第二端壁的前缘之间的前缘凹口。这些端壁在转子叶片后缘处相互连接，并界定一端腔。在该示例性实施例中，这些端壁中的一个是凹入的，以界定一端台，在运转期间，随着转子叶片的转动，这些端壁防止转子叶片擦刮静止结构件。当燃烧气体流过该转子叶片时，该转子叶片凹口有利于减少该端腔的受热，而不增加冷却空气的需要量和不牺牲该转子叶片的空气动力效率。此外，该端台使流过翼面的燃烧气体不连续，有利于对端台的空气冷却层的形成。结果，转子叶片内较低的工作温度有利于以廉价而可靠的方式延长该转子叶片的有效寿命。
虽然就各种特定的实施例说明了本发明，然而，业内人士会理解到可通过修改未实施本发明而处在权利要求书的精神和范围内。

Claims (20)

1.一种制造燃气轮机(10)转子叶片(40)的方法，该制造方法有利于降低转子叶片顶部(60)的工作温度，该转子叶片包含一前缘(48)，一后缘(50)，一第一侧壁(44)和一第二侧壁(46)，该第一和第二侧壁在轴向前缘和后缘处彼此连接，并在转子叶片根部和转子叶片端板(54)之间径向延伸，所述方法包括如下步骤：
形成一个第一端壁(62)自转子叶片端板(54)沿该第一侧壁(44)延伸；
形成一个第二端壁(64)自转子叶片端板(54)沿该第二侧壁(46)延伸，这样第二端壁与第一端壁在转子叶片后缘处彼此连接，而沿转子叶片前缘在第一和第二端壁之间界定一凹口(80)。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，还包括如下步骤：形成一个导壁(210)自转子叶片凹口(80)朝后向转子叶片后缘(50)延伸，使进入该凹口的流体能借助于该导壁被导向第二端壁(64)。
3.如权利要求1的方法，其特征在于，所述形成第一端壁(62)的步骤还包括如下步骤：使第一端壁的至少一部分从第一侧壁(44)向着第二端壁(64)凹下，以界定一径向面向外的第二端台(130)，该第二端台在转子前、后缘之间延伸。
4.如权利要求3的方法，其特征在于，所述形成第二端壁(64)的步骤还包括如下步骤：使第二端壁的至少一部分从第二侧壁(46)向着第一端壁(62)凹下，以界定一径向面向外的第一端台(90)，该第一端台在转子的前、后缘之间延伸。
5.如权利要求1的方法，其特征在于，所述凹口(80)自端板(54)延伸。
6.一种燃气轮机(10)的翼面，包括：
一个前缘(48)；
一个后缘(50)；
一个端板(54)；
一个径向延伸跨越在翼面根部和所述端板之间的第一侧壁(44)；
一个在前缘和后缘处连接于所述第一侧壁的第二侧壁(46)，所述第二侧壁径向延伸跨越在翼面根部和端板之间；
一个沿第一侧壁自所述端板径向向外延伸的第一端壁(62)；
一个沿第二侧壁自端壁径向向外延伸的第二端壁(64)，所述第一端壁在后缘处连接于第二端端壁；和
一个沿所述翼面前缘在第一端壁和第二端壁之间延伸的凹口(80)。
7.如权利要求6的翼面(42)，其特征在于，所述凹口(80)包括一个自所述凹口向所述翼面后缘(50)延伸的导壁(210)，所述导壁(210)自第一端壁(62)弯曲延伸，以界定一个凹口(80)的弧形入口(212)。
8.如权利要求7的翼面(42)，其特征在于，所述导壁(210)的外形能将进入凹口(80)的气流导向第二端壁(64)。
9.如权利要求6的翼面(42)，其特征在于，所述第一端壁(62)自第一侧壁(44)至少部分地向内凹入，以界定第一端台(90)。
10.如权利要求9的翼面(42)，其特征在于，第二端壁(64)自第二侧壁(46)至少部分地向内凹入，以界定第二端台(130)。
11.如权利要求6的翼面(42)，其特征在于，第一端壁(62)和第二端壁(64)的高度相等。
12.如权利要求6的翼面(42)，其特征在于，第一端壁(62)自端板(54)伸展第一距离(98)，第二端壁(64)自端板伸展第二距离(100)。
13.如权利要求12的翼面(42)，其特征在于，凹口(80)自端板(54)伸展第一距离(98)或第二距离(100)中的至少一个距离。
14.一种燃气轮机(10)，它包括若干转子叶片(40，120，200)，每一转子叶片包括一个翼面(42)，该翼面包括一前缘(48)，一后缘(50)，一第一侧壁(44)，一第二侧壁(46)，一第一端壁(62)，一第二端壁(64)和一凹口(80)，所述翼面的第一和第二侧壁沿轴向在前、后缘彼此连接，第一和第二侧壁自叶根径向延伸到所述端板(54)，第一端壁(62)沿第一侧壁(44)自端板径向向外延伸，第二端壁(64)沿第二侧壁(46)自端板径向向外延伸，并在所述后缘(50)处同所述第一端壁(62)连接，凹口在第一端壁和第二端壁之间沿翼面前缘延伸。
15.如权利要求14的燃气轮机(10)，其特征在于，所述转子叶片翼面第一侧壁(44)是中凸的，而转子叶片翼面第二侧壁(46)是中凹的。
16.如权利要求15的燃气轮机(10)，其特征在于，转子叶片翼面凹口(80)包括一个自凹口向转子叶片后缘(50)延伸的导壁(210)，该导壁的外形能将进入口的气体导向第二端壁(64)。
17.如权利要求15的燃气轮机(10)，其特征在于，转子叶片第一端壁(62)相对于转子叶片第一侧壁(44)至少部分地向内凹入，以界定第一端台(130)。
18.如权利要求17的燃气轮机(10)，其特征在于，转子叶片第二端壁(64)相对于转子叶片第二侧壁(46)至少部分地向内凹入，以界定第二端台(90)。
19.如权利要求15的燃气轮机(10)，其特征在于，所述转子叶片凹口(80)自转子叶片端板(54)向外延伸。
20.如权利要求15的燃气轮机(10)，其特征在于，所述转子叶片第一端壁(62)和转子叶片第二端壁(64)具有相同的高度。
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