CN1379165A - 涡轮叶片和涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮机叶片,特别是用于燃气轮机(10)的涡轮机叶片,它具有一叶片翼型(20)和至少一个用于固定在一个设置在上方的构件(11、12)上的平台(18、19)。按照本发明,各平台(18、19)与叶片翼型(20)的纵轴线(21)之间成一钝角(22、23)。通过这种结构设计,使涡轮机叶片作为单晶体来制造变得容易。

Description

涡轮叶片和涡轮机
                          技术领域
本发明涉及一种涡轮叶片，特别是用于燃气轮机的涡轮叶片。本发明还涉及一种采用这种涡轮叶片的涡轮机。
                          背景技术
这样一种涡轮叶片及其铸造方法例如在US 5599166和US 5820774中曾予以公开。这种公知的涡轮叶片的平台在涡轮机的圆周方向上向叶片翼型的两侧伸出，并垂直于叶片翼型的纵轴线。
由于这种公知的涡轮叶片在进一步提高功率和效率以及减小污染的过程中不再能承受热边界条件和机械边界条件。因此，力求更改材料结构，使涡轮叶片可由一种单一的连续结晶体构成。为了实现这种单晶体的增长，必须满足一定的要求，例如一定的凝固温度。必须尽可能避免突然出现的凝固截面的改变和/或凝固方向的改变。
在这种公知的涡轮叶片中，由于凝固截面和凝固方向的变化，特别是在从平台到叶片翼型的过渡段，形成一种单晶体是非常困难的。铸模必须这儿或那儿受到加热或冷却。一种替换方式或者辅助方式是，必须设置晶粒镦粗器(Kombeihalter)。这两种可能性的作用很难预料，并且受到铸造和凝固过程中的波动的影响。废品率显著提高。
                        发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题是提供一种涡轮机叶片，基于其特殊结构，这种叶片的构造比迄今作为单晶体来制造更简单，而且比单晶体的废品少得多。
上述技术问题按照本发明可通过这样一种涡轮叶片来解决，该涡轮叶片具有一个叶片翼型和至少一个平台，该平台用于固定在一个其上方的构件上，各平台与叶片翼型的纵轴线成钝角相接。
因此，凝固方向不必再像公知的叶片那样突然改变90度角。按照本发明，只需要一个小于90度角的偏转。由此进一步支持将涡轮叶片作为单晶体来构造。这种涡轮叶片自然也就可以构成单晶体。
优选使至少一个平台在圆周方向上伸出。
比较有利的是设置两个平台，它们设置在叶片翼型的两个相对端。两平台中的一个称为底板，另一个则称为顶板。第一个平台用于固定在涡轮机壳体或转子上，并用于遮盖两涡轮叶片之间的间隙。第二个平台则用于使叶片翼型的端部彼此连接。
优选的是，所述至少一个平台设计成直线形，或者局部或全部设计成拱形。在相邻涡轮叶片的平台之间可以设置一个平缓的或者带角的过渡段。从而实现对各边界条件的最佳适应。平台可以只在一个过渡区域朝叶片翼型弯曲，而在其余部分基本上直线延伸。通过这一结构设计实现了只有很小损失的尽可能均匀的横截面。
按照第一种有利的结构设计，所述两个平台向叶片翼型两侧伸出。它们可以相对于叶片翼型的纵轴线来对称设置。该纵轴线可以像公知的结构中那样穿过涡轮机转子的旋转轴线。
按照第二种优选的结构设计，所述至少一个平台只向叶片翼型的一侧伸出。由于平台的单侧伸出，避免了凝固方向的多次改变。凝固可以开始于叶片翼型的一个自由端，并继续到平台的端部；也可以开始于平台的一自由端，然后经过叶片翼型一直到达必要时设置的第二平台的自由端。因此，在仅仅采用一个平台时，只出现一次凝固方向的变化。通过这种结构设计还可以更容易地将涡轮叶片构造成单晶体。
按照这一结构设计，当在叶片翼型的两相对端采用两个平台时，这两个平台分别向叶片翼型的不同的特别是彼此相对的两侧伸出。在圆周方向上，例如底板向左伸出，而顶板则向右伸出。这种结构减小了侧凹咬边(Hinterschneidung)，从而简化了制造。致力于将涡轮叶片作为单晶体来构造有利地得到了向不同侧伸出的所述平台的支持，因为这样就不再需要凝固方向换向。
按照本发明的涡轮机叶片尤其可以设计成静叶片。采用单晶体形式的静叶片可以减小静叶片的壁厚。而壁厚的减小可以降低冷却介质的消耗。
本发明还涉及一种涡轮机，特别是一种带有壳体和装在壳体中的转子以及多个具有上述第二种设计结构的涡轮机叶片的涡轮机。按照本发明，各涡轮机叶片的叶片翼型的纵轴线与转子的旋转轴线隔开一定距离。这样，涡轮机叶片不再平行于涡轮机半径。更确切地说，各涡轮机叶片的叶片翼型的纵轴线与涡轮机的一半径之间成一角度，该角度优选为8至18度。这一角度的大小取决于所述至少一个平台相对于叶片翼型的纵轴线倾斜的大小。
                          附图说明
下面结合在附图中简要地示出的实施例详细地描述本发明，附图中：
图1是一个涡轮机的纵剖面简图；
图2是按照现有技术的一个涡轮机沿着图1中的II-II线的断面图；
图3是按照现有技术的一个单独的涡轮叶片的视图；
图4是按照现有技术的涡轮叶片的凝固方向的简图；
图5至7是按照本发明的涡轮叶片对应于图2至4的视图；
图8至10是本发明的另一实施例的类似于图5的视图；
图11是按照图10中的箭头XI的方向对涡轮叶片的视图。
                    具体实施方式
图1示出一个燃气轮机10的纵剖面简图，该燃气轮机具有一壳体11和一个转子12。壳体11带有静叶片13，转子12带有动叶片14。热烟气沿着箭头方向15穿过燃气轮机10，导致转子12绕旋转轴线16在箭头17的方向上旋转。
图2至4示出按照现有技术的一种设计。特别如在图2和图3中所示出的那样，设置有多个静叶片A，它们均匀地布置在燃气轮机10的圆周上。各静叶片A具有一个用于固定在壳体11上并覆盖住两静叶片A之间间隙的底板B、一个顶板C以及一个在两者之间的叶片翼型D。叶片翼型的纵轴线E穿过转子12的旋转轴线16。各底板和顶板B、C都是成直角F地从叶片翼型D上伸出。为了便于说明，以点划线G、H表示由底板B和顶板C构成的圆。
在铸造公知的静叶片A时的凝固方向在图4中简要地示出。从静叶片A朝向转子12的一端出发，必须首先是顶板C凝固。在此，凝固方向改变180度。接着，在形成叶片翼型D时凝固方向再重新转过90度。在向底板B过渡时，必须使凝固方向成直角地分别向圆周方向的左右两侧分开转向。因此，公知的静叶片A只能通过成本很高的措施才能被制成单晶体。当然，废品率也很高。
在图5至7中详细示出一个按照本发明的静叶片13和一个按照本发明的涡轮机结构。与现有技术中相似，设置有多个均匀地分布在燃气轮机10的圆周上的静叶片13。各静叶片13具有一个底板18、一个顶板19和一个位于二者之间的纵轴线为21的叶片翼型20。纵轴线21与转子12的旋转轴线16隔开一定距离。纵轴线21与一个半径27之间成一角度26，在图示实施例中，这一角度大约为8度。
底板18、顶板19在圆周方向上均只向叶片翼型20的一侧伸出。在图6中，底板18向左，顶板19则向相反侧，即向右侧伸出。这两块板18和19分别与叶片翼型20的纵轴线21之间成钝角22、23。由底板18和顶板19构成的圆在图中还以点划线24和25示出。
底板18和顶板19都伸展到相邻静叶片13的叶片翼型20上。它们的自由端相应地形状适配。可以将它们直接锚固在相邻的叶片翼型20上。也可以将板18和19设计成可在一定的圆周上变形。最大的允许变形由一个合适的、图中未示出的止挡件所限制。
在图示实施例中，底板18设置在叶片翼型20的抽吸侧，而顶板19则设置在压力侧。
图7中示意性地示出了按照本发明的静叶片13的凝固方向。在按照本发明的叶片结构中，凝固方向不再出现突然的直角变化。也无需像公知的叶片那样出现凝固方向的分开。因此，按照本发明的静叶片13可以简单并且成本低廉地设计成废品率明显减少的单晶体。它无论是从耐热上考虑还是从机械强度上考虑都比公知的叶片明显地经久耐用。
图8和9示出类似于图5的本发明的另两个实施例。在图8中示出静叶片33，各静叶片分别具有一叶顶平台38a、38b和一叶根平台39a、39b。两平台38a、38b、39a、39b向叶片翼型20两侧伸出，并相对于纵轴线21对称设置。平台38a、38b、39a、39b设计成拱形。相邻接的部段38a、38b相互平缓地过渡连接。它们与纵轴线21之间分别成一钝角22、23。
由于平台38a、38b、39a、39b的拱形结构，所以它们都能够以钝角22、23伸出，尽管所有纵轴线21与转子12的旋转轴线16相交。
图9示出另一实施方式。在这种静叶片43中也设置拱形的平台48a、48b、49a、49b。在一个静叶片43的各部段48a、48b、49a、49b之间都有一直线的过渡段50、51。各部段48a、49a也都分别与纵轴线21成钝角22、23。由于像图8中那样对称布置，部段48b、49b也都同样分别与纵轴线21形成钝角22、23。与图8中相同，纵轴线21与旋转轴线16相交。
在图10和11中示出静叶片43的第三种实施方式。平台48a、48b、49a、49b具有一第一拱形区52a、52b和一另外的基本上直线延伸的区域53a、53b。两区域52a、53a或者52b、53b之间的过渡段在图11中以虚线54简要地示出。
区域53a、53b的曲率小于区域52a、52b的曲率。优选使区域53a、53b成为一半径为16的圆柱段。在涡轮机10运行时，在动叶片14的自由端与区域53a、53b之间只形成一最小间隙。这样，动叶片14上的流体损失会减至最小。
区域52a、52b的长度选择应该使凝固方向从叶片翼型20出发并可向区域52a、52b方向偏转。接着，再次向区域53a、53b方向偏转。偏转角55与角22、23一样，均大于90度。因此，可以很好地控制凝固方向的变化。区域52a、52b、53a、53b的横截面大致相同，因此，只需要一次凝固方向的改变。
本发明在制造静叶片13、33、43的过程中避免了凝固方向的突然变向和横截面的突然变化。因此，静叶片13、33、43可以设计得比迄今的单晶体更简单。

Claims (11)

1.一种涡轮机叶片，特别是用于燃气轮机(10)的涡轮机叶片，它具有一个叶片翼型(20)和至少一个用于固定在一个置于其上的构件(11、12)的平台(18、19、38、39、48、49)，其特征在于：各平台(18、19、38、39、48、49)与叶片翼型(20)的纵轴线(21)分别成一钝角(22、23)。
2.如权利要求1所述的涡轮机叶片，其特征在于：在叶片翼型(20)的两个相对端设置两个平台(18、19、38、39、48、49)。
3.如权利要求1或2所述的涡轮机叶片，其特征在于：所述至少一个平台(18、19、38、39、48、49)设计成直线形，或者局部或全部设计成拱形。
4.如权利要求1至3中任一项所述的涡轮机叶片，其特征在于：所述平台(38、39、48、49)向叶片翼型(20)的两侧伸出。
5.如权利要求4所述的涡轮机叶片，其特征在于：所述平台(38、39、48、49)相对于叶片翼型(20)的纵轴线(21)对称设置。
6.如权利要求1至3中任一项所述的涡轮机叶片，其特征在于：所述至少一个平台(18、19)只向叶片翼型(20)的一侧伸出。
7.如权利要求2和6所述的涡轮机叶片，其特征在于：所述平台(18、19)向叶片翼型(20)不同的，特别是相对的两侧伸出。
8.如权利要求1至7中任一项所述的涡轮机叶片，其特征在于：所述涡轮机叶片(13、33、34)设计成单晶体。
9.如权利要求1至8中任一项所述的涡轮机叶片，其特征在于：所述涡轮机叶片(13)为静叶片。
10.一种涡轮机，特别是燃气轮机(10)，它具有一个壳体(11)和一个装在壳体(11)内的转子(12)以及多个如权利要求6或7所述的涡轮机叶片(13)，其特征在于：各涡轮机叶片(13)的叶片翼型(20)的纵轴线(21)与转子(12)的旋转轴线(16)相互隔开一定距离。
11.如权利要求10所述的涡轮机，其特征在于：各涡轮机叶片(13)的叶片翼型(20)的纵轴线(21)与涡轮机(10)的一半径线(27)成8至18°的角(26)。
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