CN1436275A - 冷却式透平叶片的结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流过冷却流体的透平叶片(1)，它具有多个沿工作流体(3)流出方向(2)相邻地排列的流动通道(4、5、6)，这些流动通道(4、5、6)在沿径向处于内部的叶根(10)处的一些流入孔(7、8、9)和与叶根相对的沿径向更靠外的一些流出孔(11、12、13)之间按这样的方式延伸，即，使合成的冷却流体流(14)的径向流分量(15)实际上主要沿径向向外定向，其中，设有一个沿流出方向(2)看位于前部的流动通道(4)，它的流出孔(11)加工在透平叶片(1)的掠擦边缘(16)内。此外还设有至少一个后缘通道(5、6)，其内部所合成的冷却流体流(14)另外有局部的横向流分量(17)，并且该后缘通道的流出孔(12、13)加工在透平叶片(1)的后缘(18)内。

Description

冷却式透平叶片的结构

本发明涉及一种按照权利要求1前序部分所述的流过冷却流体的透平叶片。

这种流过冷却流体的透平叶片有内部流动通道，它们通过内壁彼此隔开。透平叶片被工作流体绕流。这种透平叶片例如是燃气轮机的涡轮叶片，工作流体则相应地是燃气。透平叶片相对于入流的工作流体有所倾斜，所以通常沿透平周向会形成一个分力。因此，工作流体的流出方向基本上是工作流体绕流透平叶片的方向。

上述类型的透平叶片涉及安装在透平后部区段内的透平叶片。在那里工作流体已膨胀和冷却到只需对透平叶片进行少量冷却的程度。这意味着只需要较小的通过透平的冷却流体流量。由于流量小，所以在受少量冷却的透平叶片中用于冷却流体的流动通道蛇曲形结构的工作并不能令人满意。由于冷却流体缓慢的流动速度，所以蛇曲形流动通道的起始区被过度冷却而其末端区则过热，也就是说其末端区只受到过低程度的冷却。由于透平旋转产生离心力，在上述透平叶片中的冷却流体的流速也有可能太小。

因此，这种透平叶片仅简单地让冷却流体沿其径向长度流过。在简单流动时，也就是说在流动通道中实际上没有相对于冷却流体流径向方向的反向点时，不会产生上述问题。对此已知有带径向钻孔或直的径向通道的透平叶片，这些径向通道从一个沿径向处于内部的叶根延伸到沿径向更靠外的一些加工在掠擦边缘(Anstreifkante)内的流出孔。因此合成的冷却流体流有所期望的局部的(即，在流动通道的任一位置处的)实际上主要只沿径向向外的径向流分量。

由于型芯和壁厚受制造工艺限制有最小尺寸，因而在这种透平叶片中的流量和冷却效果是非常不均匀的。所以沿流出方向应厚度变大的后缘区，基于上述由于制造工艺决定的最小尺寸，通常不再被径向流动通道穿过。其结果是导致后缘过热。此外，尤其由于上述最小尺寸，在透平后部区域内大多为大尺寸的透平叶片的几何结构受到限制。

本发明的目的是提供一种透平叶片，它尽管有小的冷却流体流量，但仍能在其几何结构方面满足相关的技术要求，而且还能允许尤其在其边缘区有基本上均匀的冷却。

本发明的目的通过权利要求1所述的特征达到。

本发明提供的优点是，它允许尤其在边缘区内均匀冷却透平叶片。在这里，后缘通道的区域是特殊的问题，在此区域内有流动技术方面的要求，例如需要透平叶片厚度变小。

上述优点采取下列措施达到：设有一个或多个后缘通道，它们的冷却流体流在预定的位置有局部的横向流分量，以及，在透平叶片的后缘内加工有一些流出孔。通过利用后缘作为冷却流体的流出区，对于受少量冷却的透平叶片来说开创了多种多样迄今不能实施的设计可能性。

这样，后缘通道至少部分地可以经加工在后缘内的流出孔导出其冷却流体，且因此对于那些沿流出方向看位于后缘通道前面的通道也提供了更多的空间。尤其在掠擦边缘上的以前为后缘通道设置的流出孔，从现在起可用于引出来自位于后缘通道前面的那些流动通道的冷却流体。

因此获得了一种三重利用效果：即，第一次有可能使透平叶片后缘高效和均匀地冷却，与此同时还允许有一种薄的后缘(为了更有利的空气动力学)。此外，使后缘通道中的冷却流体能自然地流出，并由此允许位于后缘通道之前的前部冷却通道在其几何结构和尤其在其流出特性方面也能满足相关的技术要求。

这意味着，例如前部的冷却通道可以沿掠擦边缘与迄今的情况相比设置更大的流出长度。因为后缘通道一方面更多地沿流出方向朝后缘转移以及另一方面通过其弯曲的形状向后缘侧偏让，所以位于它们前面的前部流动通道可以占据所让出的空间。在前部的流动通道基于后缘通道内局部的横向流分量同样可以弯曲成，使它们也有局部的横向流分量。因此在透平叶片的冷却容积范围内形成了另一种能更充分地利用冷却空气的空间利用状况。

由此第一次做到即使是透平后部区域内的透平叶片(亦即受少量冷却的透平叶片)也能在几何结构设计方面只受到极少的限制，甚至根本就不受什么限制。例如一项众所周知的要求(出自于强度和浇铸方面的原因)是，透平叶片的厚度从叶根起沿径向逐渐变小。由于采用了后缘流出孔，故其余的尤其是处于前部和中部的流动通道可平行于流出方向地扩展其这个方向上的尺寸。因此，通过一个流动通道平行于流出方向的展宽和使该流动通道能利用多个开设在掠擦边缘上的流出孔，对叶片厚度沿径向的变小进行了相应的补偿。由此，透平在实现有尽可能高的效率的情况下，透平叶片凭借一个细长的型面仍然能使流动通道实际上有不变的内部横截面积。这一点只有采用本发明才能做到，因为附加的空间只有通过现在在掠擦边缘上释放出一些流出孔以及使流动通道有弯曲的走向才能获得。此外，与钻孔的叶片不同，可以实现一种对于优化空气动力学(边缘区域效应)所期望的弧形型面形状，而且与迄今的几何结构相比其后缘有被冷却的可能性。

在从属权利要求中描述了本发明优选的结构设计。

流动通道可成形为使得存在沿流出方向和反方向的横向流分量。但优选地只是或主要存在沿流出方向的横向流分量。横向流分量造成迄今不存在的后缘流动。此外，通过利用上述横向流分量，冷却流体自动被引向后缘内的流出孔。

优选地，后缘通道和/或处于前部的流动通道至少区段性地，尤其通过其沿径向靠外的区段，由径向向流出方向弯曲。

为避免死区和在总体上减小流阻，从而有效地充分利用全部可供使用的冷却容积，规定弯曲段修圆。因此弯曲段在没有棱边的情况下弯曲延伸。

可以设置多个后缘通道。尤其是沿流出方向看处于最后面的后缘通道可实际上只设有加工在后缘内的流出孔。以本发明的思想为基础，亦即利用横向流分量和在后缘内设流出孔，这是一种最有效的方案并且除后缘的流出孔处尽可能少，优选地根本不设置或布设其他流出孔。

因此，最后面的那个后缘通道也可以终止在由掠擦边缘沿径向向内有一径向距离处。也就是说，按照本发明，该通道在掠擦边缘内完全不需要流出孔。由此第一次可以尤其在考虑到透平效率的情况下，使透平叶片特别有效地造型。

除此之外还可设置一个沿径向贯通的后缘通道，它不仅有加工在掠擦边缘中的流出孔，而且有加工在后缘中的流出孔。这样一个沿径向贯通的后缘通道可以说构成了一个在前部的流动通道与一个只具有加工在后缘中的流出孔的后缘通道之间的过渡区。通过这样一个沿径向贯通的后缘通道实现了一种柔和的过渡。由此可以有效地利用可供使用的冷却容积。

于是例如此最后面的那个后缘通道可以有沿径向更靠内部地加工在后缘内的流出孔，以及，沿径向贯通的后缘通道有沿径向更靠外部地加工在后缘上的流出孔。在最后面那个后缘通道与沿径向贯通的后缘通道之间可设一开口，它是两个流动通道在叶片内部区域中的一个通孔。将所有流动通道隔开的位于各流动通道之间的壁在此开口处中断。这种相通连接是为了按照型芯的位置能够进行浇铸。

如上面已说明的那样，本发明可以使局部合成的有效内部横截面在忽略考虑到流动通道的流动阻力实际上所具有的横截面偏差的情况下，实际上沿流动通道的全长有同样大小。横截面偏差优选地小于上述内部横截面的20％，尤其小于其10％。

由一个流动通道的所有流入孔合成的总的有效横截面积优选地等于由该流动通道的所有流出孔合成的总的横截面积，其中，所述各总的横截面积与相关流动通道的内部横截面积相应。

本发明的透平叶片是受少量冷却的透平叶片，也就是说其流动通道无需设计为蛇曲形结构。这种透平叶片可应用在透平机的后部区段中和/或应用于受少量冷却的透平/透平叶片中。

下面借助附图表示的实施方式进一步说明本发明，附图中：

图1是按本发明带叶根的透平叶片的透视图，其中，位于内部的流动通道被遮盖示出；

图2是图1所示透平叶片的纵剖面图。

在这些附图中相同的附图标记表示相同的结构特征。下面同时参见图1和图2说明本发明。

透平叶片1被工作流体3(该工作流体3在图1中仅仅示例性地被示出了一部分)沿流出方向2绕流，由此作功和推动透平。透平叶片1被冷却流体31(该冷却流体在图2中同样示例性地仅仅示出了一部分)沿流动通道4、5、6流过。由此冷却透平叶片1。冷却流体31例如可以是(冷却)空气。

这种透平叶片1有一叶根10，它插入透平轮盘上(图中未表示)一个相应的槽内并固定在那里。图中所示出的流入孔7、8、9与透平轮盘内相应的孔对齐。冷却流体31通过它们供入流动通道4、5、6中。

流动通道4、5、6在沿径向位于内部的叶根10处的一些流入孔7、8、9和与叶根10相对的沿径向更靠外的流出孔11、12、13之间延伸。这种延伸相对于径向20无反向点，也就是说实际上不反向。因此冷却流体31在每个流动通道4、5、6内仅简单地流过透平叶片1的径向长度。在流动通道内的任一位置处，所合成的冷却流体14局部实际上仅仅有沿径向向外(没有沿径向向内)定向的径向流分量15(见图2)。因此所有径向流分量15均表示为从透平旋转中心出发向外。当一个透平叶片1的流动通道具有实际上主要沿径向向外定向的径向流分量15时，这个透平叶片1就属于受少量冷却的透平叶片并因而适用于实施本发明。

在图示的实施方式中由内壁30隔开的流动通道4、5、6按这样的方式弯曲，即，使合成的冷却流体流14除了上述径向流分量15外还有局部的横向流分量17。

为了看得清楚起见，在图2中将流动通道4、5中合成的冷却流体流14分别示意性地分解为一个径向流分量15和一个横向流分量17。径向流分量15全都表示为沿径向向外。因此，此冷却流体流14相对于径向20实际上无反向。这一点在本实施方式中适用于全部流动通道4、5、6。

存在一个沿流出方向看过去处于最后面的后缘通道6。如流动通道4、5那样，它通过修圆的弯曲段21从径向20向排出方向2弯曲。因此，流动通道6的走向朝后缘18的方向弯曲。

由于此弯曲，在任何地点处的横向流分量17都指向排出方向2。因此，在后面的这个后缘通道6内的冷却流体31被供给后缘18内沿径向更靠内的那些流出孔13。

在这些图中分别表示了两个后缘通道5、6。这两个后缘通道5、6通入后缘18内的流出孔13、23中。沿径向贯通的后缘通道5通入沿径向更靠外地加工在后缘18内的流出孔23，且与此同时还通入加工在掠擦边缘16内的流出孔12。为了使沿径向更靠外的那些流出孔23能被供给沿径向贯通的后缘通道5中的冷却流体31，沿流出方向2看过去位于最后面的那个后缘通道6终止在由掠擦边缘16沿径向向内一个径向距离22处。因此流出孔23保持不由最后面的那个后缘通道6来供给冷却流体31。

后缘通道5、6通过一个开口24相互连通，该开口设在沿径向贯通的后缘通道5的中央(仅就径向而言)和最后面的那个后缘通道6沿径向的外端处。

沿流出方向2看过去位于前部的流动通道4沿流出方向2的尺寸(亦即宽度)沿径向20向外而发生扩散。这个位于前部的流动通道4同时还弯曲地延伸，由此形成局部的横向流分量17。将流动通道4、5、6彼此隔开的内壁30沿透平叶片1全部径向长度实际上等厚。因此，位于前部的流动通道4在其走向上依随着后缘通道5、6并因此紧靠着它们，所以透平叶片1的内腔实际上完全被流动通道4、5、6贯穿。

在本发明中的创新还在于，后缘通道5、6除了留下外壁厚度外实际上贯穿透平叶片1的后缘18区。此壁厚以及被浇铸的透平叶片型芯的尺寸(亦即空腔的尺寸)受生产过程的技术参数限制。由于冷却空气通道也穿过后缘18，所以总体上使得透平叶片1包括后缘18在内被均匀地冷却。

尤其由图1的透视图可清楚地看出，透平叶片1的厚度沿径向20向外以及与此同时沿流出方向2看过去逐渐变窄。但在这种情况下流动通道4、5、6的内部横截面25应基本不变，更确切地说实际上沿一个流动通道4、5、6的全长26应基本相同。这一点通过本发明第一次在透平机后部区段中的透平叶片1上实现。由此，在任一径向高度处形成的局部的有效内部横截面25除了涉及流动通道4、5、6的流阻可以忽略不计的横截面偏差外沿流动通道4、5、6的全长26实际上同样大小。在图1中以流动通道4为例表示了这一点。

图1中示出的横截面面积块25简单地用阴影线表示。它们分别标志在流动通道内部一个同样大小的面积。为了清楚表示这一状况，这些面积没有按正确的比例画出。面积块25沿径向20有横截面偏差27地增大。该横截面偏差27优选小于内部横截面25的20％，尤其小于其10％。即使在位于前部的流动通道4沿径向的外部区域中透平叶片1的厚度变窄，此内部横截面积25(没有具体表示)也应保持不变。为了达到此目的，位于前部的流动通道4沿径向20向外展宽。

图中表示了后缘通道5、6相应的面积块25。可以看出，透平叶片1的厚度整体上沿工作流体流出方向2逐渐变小。但沿其中一个流动通道4、5、6观察，沿各流动通道4、5、6的径向20，亦即基本上沿延伸方向，内部横截面25的大小实际上保持不变。这适用于在透平叶片1内部冷却流体31从叶根10到流出孔11、12、13、23的整个流程。

因此，由流动通道4、5、6的流入孔7、8、9合成的总的有效横截面积28等于流出孔11、12、13、23总的横截面积29。除了上面提及的偏差外，此总横截面积28、29与相关流动通道4、5、6的内部横截面积25相应。

Claims (14)

1.一种流过冷却流体的透平叶片(1)，其具有多个沿工作流体(3)流出方向(2)相邻地排列的流动通道(4、5、6)，这些流动通道在沿径向处于内部的叶根(10)处的一些流入孔(7、8、9)和与叶根相对的沿径向更靠外的一些流出孔(11、12、13)之间延伸，该透平叶片内有一个相对于径向(20)实际上不反向的冷却流体流(14)，以及，该透平叶片还具有一个沿所述流出方向(2)看处于前面的流动通道(4)，它的流出孔(11)加工在该透平叶片(1)的掠擦边缘(16)内，其特征在于：该透平叶片具有至少一个后缘通道(5、6)，其内部的冷却流体流(14)在一些预定的位置处有局部的横向流分量(17)，并且在该后缘通道处有一些流出孔(12、13)加工在透平叶片(1)的后缘(18)内。

2.按照权利要求1所述的透平叶片，其特征为：有沿流出方向(2)的横向流分量(17)。

3.按照权利要求1或2所述的透平叶片，其特征为：一个后缘通道(5、6)和/或一个位于前部的流动通道(4)至少区段性地，尤其以其沿径向处于外部的区段(19)，从径向(20)向流出方向(2)偏转。

4.按照权利要求3所述的透平叶片，其特征为：有修圆的偏转弯曲段(21)。

5.按照权利要求1至4之一所述的透平叶片，其特征为：设有多个后缘通道(5、6)。

6.按照权利要求1至5之一所述的透平叶片，其特征为：沿流出方向(2)看过去处于最后面的后缘通道(6)只有加工在后缘(18)内的流出孔(13)。

7.按照权利要求6所述的透平叶片，其特征为：所述最后面的后缘通道(6)终止在由掠擦边缘(16)沿径向向内一个径向距离(22)处。

8.按照权利要求1至7之一所述的透平叶片，其特征为：设有一个沿径向贯通的后缘通道(5)，它不仅有加工在掠擦边缘(16)中的流出孔(12)，而且还有加工在后缘(18)中的流出孔(23)。

9.按照权利要求6、7和8所述的透平叶片，其特征为：所述最后面的那个后缘通道(6)具有沿径向位于内部的加工在后缘(18)中的一些流出孔(13)；而所述沿径向贯通的后缘通道(5)具有沿径向更靠外部地加工在后缘(18)上的一些流出孔(23)。

10.按照权利要求9所述的透平叶片，其特征为：所述最后面的那个后缘通道(6)通过一个开口(24)与所述沿径向贯通的后缘通道(5)连通。

11.按照权利要求1至10之一所述的透平叶片，其特征为：所述局部形成的有效内部横截面(25)除了涉及流动通道(4、5、6)的流动阻力可忽略的横截面偏差(27)外，实际上沿流动通道(4、5、6)的全长(26)为同样大小。

12.按照权利要求11所述的透平叶片，其特征为：所述横截面偏差(27)小于内部横截面(25)的20％，尤其小于其10％。

13.按照权利要求1 1和12所述的透平叶片，其特征为：由一个流动通道(4、5、6)的所有流入孔(7、8、9)合成的总的有效横截面积(28)与由该流动通道的所有流出孔(11、12、13、23)合成的总的横截面积(29)相同；并且所述各总的横截面积(28、29)与所述内部横截面积(25)相对应。

14.按照权利要求1至13之一所述的透平叶片被用于透平机的后部区段中和/或用在受少量冷却的透平机中。