CN1477292A - 涡轮机叶片以及燃气涡轮机 - Google Patents

Abstract

涡轮机叶片和燃气涡轮机。一种可应用于燃气涡轮机的涡轮机叶片，具有一个涡轮机叶片本体，该涡轮机叶片本体上具有薄膜冷却孔，并且其内部空间由一个肋部分隔成两个空腔。每个均具有冲击孔的中空插件分别被设置在所述空腔中，来在其间形成冷却空间。由一个连通装置来确保空腔之间的连通，以便使得与在涡轮机叶片本体中具有良好的传热性的预定侧相关的冲击冷却被打断。在肋部与设置于末边缘侧的插件之间还设置有一个分隔壁，由此在分别设置于后侧和前侧的冷却空间之间提供间隔。由此，可以明显减少涡轮机叶片本体中的冷却空气的量；并且可以尽可能地减小整个涡轮机叶片本体上的温度差。

Description

涡轮机叶片以及燃气涡轮机

技术领域

本发明涉及燃气涡轮机，并且尤其涉及涡轮机叶片，比如装配在燃气涡轮机中的运动叶片和静止叶片。

背景技术

图4沿着一个大体垂直于一根竖直或者直立轴线的平面示出了一个静止叶片(下文中称作涡轮机叶片)近似中部的横剖面，该静止叶片位于一个涡轮机单元(未示出)中的第二排(排2)。

也就是说，在图4中示出的涡轮机叶片10的典型示例包括有一个涡轮机叶片本体20和一个插件30。

在大体垂直于涡轮机叶片本体20的竖直轴线的平面中，前边缘‘L.E.’通过一根‘弯曲’的中心线‘C.L.’与末边缘‘T.E.’连接起来。一个平板状肋部22被设置成垂直于中心线C.L.，并且将涡轮机叶片20的内部分成两个空腔C1和C2。带有销翼23(pin fins)的气孔24相对于设置在末边缘T.E.侧的空腔C2布置，其中，由这些气孔24迫使空腔C2中的冷空气流向涡轮机叶片本体20的外部。

插件30呈一个中空体形状，并且带有规定数目的冲击冷却孔31。在各个空腔C1和C2中均以这样一种方式插入有一个插件30，即在插件30的外表面32与涡轮机叶片本体20的内表面25之间形成一个冷却空间C.S.。

在具有前述结构的涡轮机叶片10中，冷却空气由一个特定装置(未示出)导入插件30的内部空间中；随后，冷却空气如图5中实线箭头所示那样通过冲击孔31受迫流入冷却空间C.S.内，从而使得涡轮机叶片本体20经受冲击冷却。接着，冷却空气通过排布在涡轮机叶片本体20外壁上的多个薄膜冷却孔21(film cooling holes)进一步受迫向外流动。这将导致在冷却空气的作用下，环绕涡轮机叶片本体20的外壁形成薄膜层，从而使得涡轮机叶片本体20经受薄膜冷却。此外，冷却空气通过气孔24从末边缘T.E.中喷出。此时，通过冷却空气对销翼23进行冷却，涡轮机叶片本体20的末边缘T.E.的近侧部分得以冷却。

但是，在前述的涡轮机叶片10中，相对于设置在涡轮机叶片本体20的末端部T.E.附近的销翼23，冷却效率可能会下降。这将带来一个问题，即为了对销翼23进行冷却，必须迫使相当多的冷却空气从插件30上的冲击冷却孔31中喷出，其中，插件30被设置在空腔C2中。

由于相当多的冷却空气受迫从设置于空腔C2中的插件30上的冲击冷却孔31中喷出，相对于其它部分来说，比如设置有空腔C1的前边缘部分以及设置有销翼23和气孔24的末边缘部分，相应的部分，也就是在图4和5中所示涡轮机叶片本体20的中部，必然变得过度冷却。这将带来一个问题，即在涡轮机叶片本体20上出现不希望的温度差。

此外，还存在有一个问题，即当在涡轮机叶片本体20内出现温度差时，由于热膨胀的不同必然会产生热应力。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种涡轮机叶片，这种涡轮机叶片能够减少冷却空气的量，并且提高使用了这种涡轮机叶片的燃气涡轮机的总体性能。

本发明的另外一个目的在于提供一种涡轮机叶片，这种涡轮机叶片能够尽可能地减小涡轮机叶片本体内的温度差。

能够应用于燃气涡轮机的涡轮机叶片具有一个涡轮机叶片本体，该涡轮机叶片本体具有薄膜冷却孔，并且其内部由一个呈平板状的肋部分成两个空腔。所述肋部被设置成与在大体垂直于涡轮机叶片本体的竖直轴线的平面中连接在前边缘与末边缘之间的中心线大体垂直。插件被以这样一种方式分别设置在所述空腔中，即在该插件的外表面与涡轮机叶片本体的内表面之间形成冷却空间。插件均呈一个中空体形状，并且带有冲击孔。此外，连通装置，比如旁通孔或者狭缝，与所述肋部成形在一起，用以在设置于涡轮机叶片本体前边缘侧的空腔与设置在末边缘侧的空腔之间提供连通。

在前述涡轮机叶片中，被导入所述插件中的冷却空气经由冲击孔受迫流入冷却空间内。从而，涡轮机叶片本体经受冲击冷却。接着，冷却空气从薄膜冷却孔中喷出，由此环绕涡轮机叶片本体形成薄膜层。从而，涡轮机叶片经受薄膜冷却。此时，设置于前边缘侧的冷却空间中的一部分冷却空气受到导引，并且受迫流入设置于末边缘侧的冷却空间内。因此，其有助于在设置于末边缘侧的冷却空间中进行的冷却。更具体地说，通过与肋部成形在一起的连通装置传送来的冷却空气，通过设置于末边缘侧的冷却空间进行输送，并且对该冷却空间进行冷却；接着，其受迫在对销翼进行冷却的同时，从涡轮机叶片本体的末边缘中流出。

所述连通装置要么被设置在后侧，要么被设置在前侧，所述后侧和前侧中设置了连通装置的所述侧在涡轮机叶片本体中具有良好的传热性。也就是说，对于涡轮机叶片本体中较另外侧具有良好传热性的前述侧来说，冲击冷却被打断。

还有，一个分隔壁可以被设置在肋部与设置于末边缘侧的插件之间，从而在设置于涡轮机叶片本体后侧的冷却空间与设置于涡轮机叶片本体前侧的冷却空间之间形成间隔。也就是说，可以防止通过连通装置传送来的冷却空气从后侧(或者前侧)的冷却空间进入前侧(或者后侧)的冷却空间。换句话说，可以防止前侧(或者后侧)的冲击冷却被通过连通装置从涡轮机叶片本体后侧(或者前侧)传送来的冷却空气所打断。

因此，可以明显减少在涡轮机叶片本体内传送的冷却空气的量。此外，可以尽可能地减小整个涡轮机叶片本体上的温度差。也就是说，可以可靠地提高使用了前述涡轮机叶片的燃气涡轮机的总体性能。

附图说明

本发明的这些以及其它目的、方面和实施例，将参照下面的附图更为详细地进行描述，其中：

图1是一个横剖视图，沿着一个大体垂直于一根竖直轴线的平面示出了涡轮机中位于第二排(排2)的涡轮机叶片的近似中部；

图2是图1中所示涡轮机叶片的一个横剖视图，用于说明冷却空气的流动；

图3是一个横剖视图，示出了图1中所示涡轮机叶片的一个变型示例，该变型示例在设置于末边缘侧的肋部与插件之间设置有一个分隔壁；

图4是一个横剖视图，沿着一个大体垂直于一根竖直轴线的平面示出了一个涡轮机中位于第二排(排2)的涡轮机叶片的近似中部；而

图5是图4中所示涡轮机叶片的一个横剖视图，用于说明冷却空气的流动；

具体实施方式

下面将参照附图通过示例更为详细地对本发明进行描述，其中，那些与图4和5中相同的部件由相同的附图标记指代。

图1是一个横剖视图，沿着大体垂直于一根竖直轴线的平面示出了一个涡轮机(未示出)中位于第二排(排2)的静止叶片(下文中称作涡轮机叶片)的近似中部。

也就是说，在图1中示出的涡轮机叶片100包括有一个涡轮机叶片本体120和两个插件30。

在大体垂直于涡轮机叶片本体20的竖直轴线的平面中，前边缘‘L.E.’通过一根‘弯曲’的中心线‘C.L.’与末边缘‘T.E.’连接起来。涡轮机叶片本体120上具有多个薄膜冷却孔121和一个平板状肋部122，该肋部122被设置成大体垂直于中心线C.L.并且将涡轮机叶片120的内部空间分隔成两个空腔C1和C2。具有销翼23的气孔24相对于设置在末边缘T.E.侧的空腔C2布置，其中，由这些气孔24迫使空腔C2中的冷却空气流向涡轮机叶片本体20的外部。

靠近肋部122，一个连通装置140被设置在涡轮机叶片本体120的后侧126，用以在设置于前边缘L.E.侧的空腔C1与设置于末边缘T.E.侧的空腔C2之间提供连通。

插件30呈一个中空体形状，并且设置有多个冲击冷却孔31。在各个空腔C1和C2中以这样一种方式插入有一个插件30，即在插件30的外表面32与涡轮机叶片本体120的内表面125之间形成一个冷却空间C.S.。

在具有前述结构的涡轮机叶片100中，冷却空气由一个特定装置(未示出)导入插件30的内部空间中；随后，冷却空气如同图2中实线箭头所示那样通过冲击孔31受迫流入冷却空间C.S.内，从而使得涡轮机叶片本体20经受冲击冷却。接着，冷却空气通过涡轮机叶片本体120上的薄膜冷却孔121进一步受迫向外流动。这将导致在冷却空气的作用下，环绕涡轮机叶片本体120的外壁形成薄膜层，从而使得涡轮机叶片本体120经受薄膜冷却。此外，冷却空气通过气孔124从涡轮机叶片本体120的末边缘T.E.中喷出。此时，通过冷却空气对销翼123进行冷却，涡轮机叶片本体120的末边缘T.E.的附近部分得以冷却。

还有，设置于前边缘L.E.侧的冷却空间C.S.中的一部分冷却空气经由连通装置140被导入设置于末边缘T.E.侧的冷却空间C.S.内。接着，其通过气孔124流向涡轮机叶片本体120的外部。

在前述结构中，设置于前边缘L.E.侧的冷却空间C.S.中的一部分冷却空气用于对销翼123进行冷却。因此，就可以减少在现有技术中从设置于末边缘T.E.侧的插件上的冲击孔31中过量喷出的冷却空气的量。从而，可以提高燃气涡轮机的总体效率。这样可以防止前述部分，即涡轮机叶片本体120的中部，相对于其它部分来说被过度冷却。由此，可以可靠地尽可能减小整个涡轮机叶片本体120上的温度差。

前述连通装置140可以是多个旁通孔，这些旁通孔沿着肋部122的厚度方向贯穿该肋部122，并且沿着涡轮机叶片本体120的竖直轴线(垂直于图纸)排布。

根据涡轮机叶片本体120的传热性，可以合适地为所述旁通孔选取所需的尺寸、形状和排布方式。

可选择地，连通装置140可以是至少一个狭缝，这些狭缝沿着肋部122的厚度方向贯穿该肋部122，并且沿着涡轮机叶片本体120的竖直轴线(垂直于图纸)排布。

类似于前述的旁通孔，也可以根据涡轮机叶片本体120的传热性(或者导热性)合适地为所述狭缝选取所需的尺寸、形状和排布方式。

前述连通装置140最好要么被设置在后侧126，要么被设置在前侧127，其中后侧126和前侧127中设置连通装置140的前述侧的传热性较好。

通过将连通装置设置在具有良好传热性的前述侧，可以在具有良好传热性的前述侧阻断冲击冷却。也就是说，可以减小具有良好传热性的前述侧与另外侧之间的温度差。

本发明并非必须局限于这样一种方式，即对于涡轮机叶片本体120来说，连通装置140只能要么被设置在传热性较好的后侧126，要么被设置在传热性较好的前侧127。相反，可以将连通装置同时设置在涡轮机叶片本体120的后侧126和前侧127。此时，必须以这样一种方式为所述旁通孔或者狭缝合适地选取所需的尺寸、形状和排布方式，即与具有良好传热性的前述侧相比，另外侧的冲击冷却将不会受到干扰(或者打断)。

一种解决方案是，与另外侧相比，在具有良好传热性的前述侧设置更多的旁通孔或者狭缝，

通过合适地调整旁通孔的尺寸(或者直径)或者狭缝的尺寸，可以获得相同的效果。

由于前述结构，具有良好传热性的前述侧的冲击冷却将受到干扰；因此，可以减小具有良好传热性的前述侧与另外侧之间的温度差。

最好，如图3中所示，在肋部122与设置于末边缘T.E.侧的插件30之间还设置有一个分隔壁150，其中，由该分隔壁150将位于涡轮机叶片本体120后侧126的冷却空间C.S与位于涡轮机叶片本体120前侧127的冷却空间C.S.分隔开。

也可以与肋部122或者设置于末边缘T.E.侧的插件30一体成形分隔壁150。可选择地，分隔壁150也可以与肋部122或者插件30独立成形。

还有，根据需要，分隔壁150可以被制成一个公知的密封隔墙(a sealdam)形状。

在如图3中所示具有分隔壁150的前述结构中，通过连通装置140传送来的冷却空气仅通过设置于涡轮机叶片本体120后侧的冷却空间C.S.受迫流向气孔124。也就是说，分隔壁150阻止了通过连通装置140传送来的冷却空气进入设置于涡轮机叶片本体120后侧126的冷却空间C.S.。因此，可以防止在设置于前侧127的冷却空间C.S.中的冲击冷却被通过连通装置140传送来的冷却空气所打断。

本发明并非必须用于第二排(排2)中的静止叶片。因此，其可以根据需要应用于其它排中的静止叶片以及燃气涡轮机中的运动叶片。

此外，本发明并非必须应用于涡轮机叶片的前述结构，即具有两个由一个肋部分隔开的空腔。因此，本发明可以应用于其它类型的涡轮机叶片，这些涡轮机叶片具有由两个或者更多肋部分隔开的三个或者更多空腔。

顺便说说，一个燃气涡轮机包括一个涡轮机、一个用于压缩助燃空气(combustion air)的压缩机以及一个用于将助燃空气与燃料混合在一起进行燃烧的燃烧腔室，由此产生出高温燃气，其中，该涡轮机被设计成能够使用涡轮机叶片的前述示例。

如此前所描述的那样，本发明具有多种技术特征和效果，下面将对它们予以描述。

(1)本发明中的涡轮机叶片被以这样一种方式设计而成，即设置于肋部前边缘侧的冷却空间中的一部分冷却空气受到导引，并且受迫流入设置于肋部末边缘侧的冷却空间内。因此，其有助于在设置于肋部末边缘侧的冷却空间中进行的冷却。由此，可以减少用于在设置于肋部末边缘侧的冷却空间中进行冷却的冷却空气的量。

(2)此外，通过与肋部成形在一起的连通装置传送来的冷却空气被传送、以至对设置于肋部末边缘侧的冷却空间进行冷却；接着，其在对设置于涡轮机叶片末边缘中的销翼进行冷却的同时，从涡轮机叶片本体中喷出。由此，可以减少受迫流入设置于肋部末边缘侧的冷却空间内的冷却空气的量。这有助于提高燃气涡轮机的总体性能。还有，可以尽可能地减小整个涡轮机叶片本体上的温度差。

(3)前述连通装置可以是预定数目的旁通孔，这些旁通孔被制成沿着肋部的厚度方向贯穿该肋部。可以方便地制造出在肋部中具有旁通孔的涡轮机叶片。此外，可以根据涡轮机叶片本体的传热性合适并且自由地为旁通孔选取所需的尺寸、形状和排布方式。

(4)可选择地，连通装置可以是至少一个狭缝，这些狭缝被制成沿着肋部的厚度方向贯穿该肋部。可以方便地制造出在肋部中具有狭缝的涡轮机叶片。此外，可以根据涡轮机叶片本体的传热性合适并且自由地为狭缝选取所需的尺寸、形状和排布方式。

(5)涡轮机叶片可以被设计成有意地干扰或者打断在后侧或者前侧的冲击冷却，其中，所述后侧和前侧中冲击冷却被干扰的前述侧在涡轮机叶片本体中具有良好的传热性。因此，可以可靠地减小涡轮机叶片本体的后侧与前侧之间的温度差。换句话说，可以减小整个涡轮机叶片本体上的温度差；由此，可以避免在涡轮机叶片中产生热应力。

(6)在前述内容中，涡轮机叶片可以具有一个特性，即涡轮机叶片本体的后侧和前侧中之一具有良好的传热性。此时，与涡轮机叶片本体中的另外侧相比，在具有良好传热性的前述侧的冲击冷却被明显干扰或者打断。因此，可以减小涡轮机叶片本体的后侧与前侧之间的温度差。换句话说，可以减小整个涡轮机叶片本体上的温度差；由此，可以避免在涡轮机叶片中产生热应力。

(7)可以对涡轮机叶片进一步加以改进，来在肋部与设置于该肋部末边缘侧的插件之间设置一个分隔壁。由于该分隔壁的存在，可以防止在前侧的冲击冷却被可能从后侧流向前侧的冷却空气所打断。此外，可以防止在后侧的冲击冷却被可能从前侧流向后侧的冷却空气所打断。

(8)具有前述涡轮机叶片的燃气涡轮机相应地被以这样一种方式设计而成，即设置于肋部前边缘侧的冷却空间中的一部分冷却空气受到导引，并且受迫流入设置于肋部末边缘侧的冷却空间内，这有助于在肋部末边缘侧的冷却空间的冷却。这有助于提高该燃气涡轮机的总体性能，因为可以减少受迫流入被设置在涡轮机叶片中肋部的末边缘侧的冷却空间内的冷却空气的量。

(9)具有经过改进的涡轮机叶片的燃气涡轮机相应地被以这样一种方式设计而成，即通过与肋部成形在一起的连通装置传送来的冷却空气被传送通过设置于肋部末边缘侧的冷却空间，并且对该冷却空间进行冷却，随后，其在对设置于涡轮机叶片末边缘中的销翼进行冷却的同时，从涡轮机叶片本体中喷出。因此，可以减少受迫流入被设置在涡轮机叶片中肋部的末边缘侧的冷却空间内的冷却空气的量。这有助于提高该燃气涡轮机的总体性能，因为可以尽可能地减小整个涡轮机叶片本体上的温度差。

由于在不脱离本发明的技术构思或者关键特征的条件下可以以若干种形状实施本发明，因此该实施例仅用于说明目的而并非是限定性的，本发明的保护范围由所附权利要求加以限定，而并非由此前的描述加以限定，并且所有落入权利要求的界限或范围之内的变化，或者落入这些界限或范围的等效的变化，均应包含于权利要求之中。

Claims (13)

1、一种涡轮机叶片，包括：

涡轮机叶片本体；

多个薄膜冷却孔，这些薄膜冷却孔被排布在涡轮机叶片本体的外壁上；

至少一个平板状的肋部，被设置成与在一个大体垂直于涡轮机叶片本体的竖直轴线的平面中连接在前边缘与末边缘之间的中心线大体垂直，从而使得涡轮机叶片本体的整个内部空间被所述至少一个肋部分隔成至少两个空腔；

多个插件，每个插件均呈一个中空体形状，并且具有多个冲击孔，其中，这些插件各个均以这样一种方式设置于所述空腔中，即在插件的外表面与涡轮机叶片本体的内表面之间形成一个冷却空间，并且被导入插件内的冷却空气通过所述冲击孔受迫流入所述冷却空间内，从而使得涡轮机叶片本体经受冲击冷却，同时冷却空气通过涡轮机叶片本体上的薄膜冷却孔喷出，来环绕涡轮机叶片本体形成薄膜层，使得涡轮机叶片本体经受薄膜冷却；以及

一个连通装置，该连通装置与所述肋部成形在一起，用以在设置于前边缘侧的空腔与设置于末边缘侧的空腔之间提供连通。

2、根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其特征在于：所述连通装置包括多个旁通孔，这些旁通孔被制成沿着所述肋部的厚度方向贯穿该肋部。

3、根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其特征在于：所述连通装置包括至少一个狭缝，这些狭缝被制成沿着所述肋部的厚度方向贯穿该肋部。

4、根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其特征在于：所述连通装置要么被设置在后侧，要么被设置在前侧，其中所述后侧和前侧中设置连通装置的所述侧在涡轮机叶片本体中具有良好的传热性，并且所述连通装置还被设置成大体平行于涡轮机叶片本体的竖直轴线。

5、根据权利要求2所述的涡轮机叶片，其特征在于：所述连通装置要么被设置在后侧，要么被设置在前侧，其中所述后侧和前侧中设置连通装置的所述侧在涡轮机叶片本体中具有良好的传热性，并且所述连通装置还被设置成大体平行于涡轮机叶片本体的竖直轴线。

6、根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其特征在于：所述连通装置在后侧和前侧被设置成大体平行于涡轮机叶片本体的竖直轴线，并且所述连通装置被设置成能够明显影响在具有良好传热性的后侧或者前侧的冲击冷却。

7、根据权利要求2所述的涡轮机叶片，其特征在于：所述连通装置在后侧和前侧被设置成大体平行于涡轮机叶片本体的竖直轴线，并且所述连通装置被设置成能够明显影响在具有良好传热性的后侧或者前侧的冲击冷却。

8、根据权利要求4或5所述的涡轮机叶片，还包括有一个分隔壁，该分隔壁被设置在所述肋部与设置于末边缘侧的所述插件之间，由此在后侧的冷却空间与前侧的冷却空间之间提供间隔。

9、根据权利要求6或7所述的涡轮机叶片，还包括有一个分隔壁，该分隔壁被设置在所述肋部与设置于末边缘侧的所述插件之间，由此在后侧的冷却空间与前侧的冷却空间之间提供间隔。

10、一种使用了根据权利要求1至3中任一项所述的涡轮机叶片的燃气涡轮机，包括：

具有所述涡轮机叶片的涡轮机；

用于压缩助燃空气的压缩机；以及

用于将助燃空气与燃料混合起来进行燃烧的燃烧腔室，由此产生出高温燃气。

11、一种使用了根据权利要求4或5所述的涡轮机叶片的燃气涡轮机，包括：

具有所述涡轮机叶片的涡轮机；

用于压缩助燃空气的压缩机；以及

用于将助燃空气与燃料混合起来进行燃烧的燃烧腔室，由此产生出高温燃气。

12、一种使用了根据权利要求6或7所述的涡轮机叶片的燃气涡轮机，包括：

具有所述涡轮机叶片的涡轮机；

用于压缩助燃空气的压缩机；以及

用于将助燃空气与燃料混合起来进行燃烧的燃烧腔室，由此产生出高温燃气。

13、一种使用了根据权利要求8或9所述的涡轮机叶片的燃气涡轮机，包括：

具有所述涡轮机叶片的涡轮机；

用于压缩助燃空气的压缩机；以及

用于将助燃空气与燃料混合起来进行燃烧的燃烧腔室，由此产生出高温燃气。

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