CN1436919A - 用于高压涡轮、具有改善热行为的后缘的动叶片 - Google Patents

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Abstract

一种用于涡轮机的高压涡轮的动叶片，所述叶片具有至少一个冷却回路，该回路包括至少一个在叶片(10)顶端(16)和基部(14)之间径向延伸的内腔(24)；至少一个在所述内腔的径向端部而将冷却空气送入冷却回路的空气入口；多个以基本上垂直于叶片纵轴线(X－X)的方式、在叶片基部和顶端之间通向所述内腔且通向所述叶片下凹侧(16A)的槽(26)；和位于最接近叶片基部的槽(28)和形成用于流经高压涡轮的燃气流的内壁的平台(22)的顶面(22A)之间的连接区(30)，且所述动叶片还包括与所述后缘(20)一致的、通向所述内腔且通向所述连接区的附加冷却空气排出槽(32，34)。

Description

用于高压涡轮、具有改善热行为的后缘的动叶片
技术领域
本发明涉及用于涡轮机的高压涡轮的动叶片领域，尤其涉及用于从高压涡轮的动叶片排出冷却空气的槽。
背景技术
通常，涡轮机具有在燃烧前混合空气和燃料的燃烧室。燃烧生成的气体在燃烧室内向下游流动，然后送入高压涡轮。高压涡轮具有一或多排动叶片，它们沿周向间隔地位于涡轮转子周围。高压涡轮的动叶片承受温度非常高的燃气。这些温度达到了远超过接触所述气体的叶片所能承受而不损坏的值，结果是寿命有限。
为了解决这一问题，已知这种叶片可以设有用于降低温度的内部冷却回路。通过这种回路，通常经其基部导入叶片中的冷却空气沿着叶片内加工的内腔所形成的路径流经叶片，然后经叶片后缘，如欧洲申请EP0945594所述，或叶片下凹侧，如美国专利US4601638所述，朝通向叶片表面的槽喷出。更准确地说，这些冷却空气排出槽通常以基本上垂直于叶片纵轴的方式分布在叶片基部和顶端之间。
还已知装有冷却回路的高压涡轮叶片是通过模制制成的。在铸造金属之前，冷却回路槽的位置通常由模具内互相平行放置的型芯占据。为了避免铸造过程中使型芯变弱，最接近叶片基部的冷却空气排出槽通常大于其他槽的尺寸，如上述美国专利的图3所示。
遗憾的是，实际上，位于所述槽和支撑叶片的平台之间的连接区冷却非常差，尤其是由于较大的槽尺寸和叶片转动时产生的离心力，而经所述槽排出的空气易于朝叶片顶端偏转。这样导致后缘有很大的温度梯度，由于传导而导致连接区附近开裂，这种开裂对叶片的寿命尤其不利。
发明内容
因此，本发明通过提出一种用于高压涡轮的动叶片而设法减缓这一缺陷，该叶片具有避免开裂的新形状。本发明还设法防止叶片总机械强度减弱，所述叶片是承受非常高的机械应力的一部分。最后，本发明还设法提供一种用于涡轮机的高压涡轮，该涡轮装有这种改善热行为的动叶片。
为此，本发明提供了一种用于涡轮机的高压涡轮的动叶片，所述叶片具有至少一个冷却回路，该回路包括至少一个在叶片顶端和基部之间径向延伸的内腔；至少一个在所述内腔的径向端部而将冷却空气送入冷却回路的空气入口；多个以基本上垂直于叶片纵轴的方式、在叶片基部和顶端之间通向所述内腔且通向所述叶片下凹侧的槽；和位于最接近叶片基部的槽和形成用于流经高压涡轮的燃气流的内壁的平台顶面之间的连接区，所述叶片的特征在于，它还包括与所述后缘一致的、通向所述内腔且通向所述连接器的附加冷却空气排出槽。
结果，经所述附加槽排出的冷却空气在连接区整个表面上导至所述后缘附近，从而避免出现裂纹。叶片基部的这种特定形状使其可以降低所述区域的局部温度约10％，同时保持通过在所述下凹侧具有排气槽而获得的空气动力学性能。在这种情况下，对于叶片的最接近槽来说，不再需要具有大于其他槽的尺寸，因为现在是附加槽承受由于金属铸造造成的压力作用。此外，因为所述最接近槽已经恢复到正常尺寸，消除了由于离心力而偏转的冷却空气造成的问题，所以减小了流速方面造成的损失。最后，叶片承受各种机械应力的能力不会由于这种特殊形状降低。
优选的是，所述附加槽为从下组形状中选取的形状：椭圆形、矩形、三角形、和倒T形；且它可以通过铸造直接获得。
此外，这种附加槽可以具有不同于其进气道截面的出口截面。
优选的是，所述附加槽的底部纵向端位于紧接所述平台的所述顶面上方。
下面参照附图的描述给出本发明的其他特征和优点，其中附图示出了不具有限制性的实施例。
附图说明
附图中：
图1是本发明的用于高压涡轮的动叶片的透视图；
图2是比图1的比例更大的局部图，示出了用于排出冷却空气的附加槽的第一实施例，该槽位于叶片基部和平台之间的连接区；
图2A和2B是所述附加冷却空气排出槽的两个变体实施例的、具有平台的连接区附近的后缘端视图；
图2C是图2A的AA平面剖视图；
图3是比图1的比例更大的局部图，示出了用于排出冷却空气的附加槽的第二实施例；以及
图4是现有技术的叶片中叶片基部和在所述基部与平台之间的连接区的示意图。
具体实施方式
图1是本发明的动叶片10的透视图，例如用于涡轮机的高压涡轮。这种叶片具有纵轴线X-X，且它通过通常为杉树形的根部12固定在高压涡轮的转子盘(未示出)上。它通常包括基部14A、顶端14B、凹壁16A、凸壁16B、前缘18和后缘20。根部12在平台22处连接在叶片基部14A上，其中所述平台形成用于流经高压涡轮的燃气流的内壁。
这种叶片承受温度非常高的燃气，所以需要冷却。为此，按照公知的方式，动叶片10具有至少一个内部冷却回路，例如由在叶片基部14A和顶端14B之间径向延伸的至少一个内腔24构成。该内腔经其径向端部之一通过空气入口(未示出)送入冷却空气。所述空气入口通常位于叶片根部12。还设有多个槽26，所述槽通向内腔24，且在所述示例中，通向叶片的下凹侧16A，从而排出所述内腔中流动的冷却空气。由于可以提高空气动力学性能，所以这种排出槽直接穿过叶片凹壁16A的布置方式优于在所述后缘上的布置(这需要叶片有较大的厚度)。冷却空气排出槽26通常以基本上垂直于叶片纵轴线X-X的方式分布在叶片基部14A和顶端14B之间。尤其是，最接近叶片10的基部14A的槽28紧接叶片基部14A和挨着燃气流的平台22的顶面22A之间的连接区30上方形成。
图2的透视图和图2A至2C更清楚地示出了所述连接区的叶片后缘20的形状，且包括最接近叶片10的基部14A的槽28。
根据本发明，设有附加槽，该附加槽通向内腔24，且还通向与后缘20一致的所述连接区。该附加槽32可以通过这部分连接区的对流实现冷却，并通过最接近叶片基部的槽和作为后缘延伸部分的一部分平台的传导实现冷却。这样，通过使这一邻近地区的温度更均匀，可以消除所有热点，从而改善叶片的热行为。经这一附加槽排出的冷却空气覆盖后缘附近连接区的整个表面，它降低局部温度约10％，而不改变通过使用下凹侧的排出槽实现的空气动力学性能。因此，叶片基部和平台之间的连接区附近产生裂纹的危险消除了，从而延长了叶片的寿命。在这种情况下，不再需要使最接近叶片基部的槽28具有大于其他槽26的尺寸，如图4的现有技术所示，且因为它可以是正常尺寸，所以避免了由于离心力造成冷却空气在该槽附近偏转所带来的问题，同样避免了合成流速方面的损失。
附加槽可以是各种形状，所述形状由所需的机械和热尺度标准确定。类似地，进气道和出口孔可以具有不同的截面。因此，图2示出了具有细长形状的进气道和出口孔的附加槽，优选的是椭圆形(也可以设想使用矩形截面)。在图2A中，出口截面仍然是椭圆形，但内部进气道大致呈三角形，即在出口孔任一侧张开，从而对连接区进行更好的冷却，同时也可以提供良好校准的出口流速。根据叶片承受的热应力和机械力，这种角度变化的张开可以是非对称的，且可以仅朝一侧，如图2B所示。
在图3中还示出了附加槽的一种变体，其中进气道是与出口孔34的形状一致的倒T形。
优选的是，这种槽通过与叶片本身同时铸造而直接制成(与随后机加工出相反)，且它穿过叶片直到内腔24，同时恒定地保持在紧接平台顶面上方(即，其纵向底端32A或34A在所述顶面22A上方)。结果，是附加槽承受金属铸造压力的作用，而不是如现有技术那样最接近叶片基部的槽28承受，所以避免了叶片由于机加工而变弱的危险。

Claims (6)

1.一种用于涡轮机的高压涡轮的动叶片，所述叶片具有至少一个冷却回路，该回路包括至少一个在叶片(10)顶端(16)和基部(14)之间径向延伸的内腔(24)；至少一个在所述内腔的径向端部而将冷却空气送入冷却回路的空气入口；多个以基本上垂直于叶片纵轴线(X-X)的方式、在叶片基部和顶端之间通向所述内腔和通向所述叶片下凹侧(16A)的槽(26)；和位于最接近叶片基部的槽(28)和形成用于流经高压涡轮的燃气流的内壁的平台(22)的顶面(22A)之间的连接区(30)；所述叶片的特征在于，它还包括与所述后缘(20)一致的、通向所述内腔和通向所述连接区的附加冷却空气排出槽(32，34)。
2.如权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述附加槽呈现为从下组形状中选取的形状：椭圆形、矩形、三角形、倒T形。
3.如权利要求2所述的叶片，其特征在于，所述附加槽具有不同于其进气道截面的出口截面。
4.如权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述附加槽直接通过铸造制成。
5.如权利要求1至4任一所述的叶片，其特征在于，所述附加槽的纵向底端(32A，34A)位于紧接所述平台的所述顶面上方。
6.一种涡轮机的高压涡轮，其特征在于，它包括多个如前述任一权利要求所述的动叶片。
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