CN1724849A - 透平叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种透平叶片(2)，其中，从一个沿叶片纵向(L)延伸、与前缘(14)相隔距离的冷却剂通道(22)在叶身(12)前缘区(28)内分出通往出口(24)的排出通道(34)，这些出口沿至少两个平行于前缘定向的行排列，排出通道在出口区域内相对于叶片纵向倾斜定向，由此使得在每一行在叶根侧分段(38)中在出口区域内流出的冷却剂有朝向叶尖段(6)的速度分量，和每一行在与之相邻的叶尖侧分段(42)中流出的冷却剂有朝向叶根段(4)的速度分量，为了在保持冷却剂需要量特别小的同时特别可靠和均匀地冷却叶片前缘区，本发明建议，所述排出通道的定向发生改变的过渡点(40)对于每两个相邻的行沿纵向(L)彼此错开布置。

Description

透平叶片
技术领域
本发明涉及一种在燃气轮机中使用的透平叶片，它包括一个叶身，该叶身上制有一些可流过冷却剂的冷却剂通道，其中，从一个在叶身的前缘区内的基本上沿透平叶片纵向延伸、并与前缘相隔距离的冷却剂通道分出一些通往出口的排出通道。
背景技术
燃气轮机在许多领域用于驱动发电机或工作机械。其中利用燃料的能量造成透平轴的旋转运动。为此，在燃烧室内燃烧燃料，与此同时由压气机供入压缩空气。在燃烧室内通过燃烧燃料产生的高压和高温工质通过连接在燃烧室下游的透平单元流动，在那里工质膨胀作功。
在这里为了产生透平轴的旋转运动在透平轴上安装许多通常组成叶片组或叶排的工作叶片，它们通过来自流动介质的动量传输驱动透平轴。为了在透平单元内导引流动介质，通常在相邻的工作叶片排之间设置与透平机匣连接的导向叶排。透平叶片，尤其是导向叶片，通常为了恰当导引工质有一个沿叶片轴线延伸的叶身，在其一端为了将透平叶片固定在各自的支座上可成形一个横向于叶片轴线延伸的平台。但在另一个自由端也可以安置一个平台或类似平台的结构部分。
在设计此类燃气轮机时，除了要达到一定功率外，特别高的效率也是一个设计目标。效率的提高出于热力学的原因原则上通过提高出口温度达到，工质以此出口温度从燃烧室流出和流入透平单元。因此，此类燃气轮机力求而且也能达到约1200℃至1300℃的温度。
然而，当工质的温度如此高时便遭遇工质的部件和构件承受很高的热负荷。为了尽管如此仍能在高可靠性的同时保证所涉及的部件有比较长的寿命，通常规定冷却所涉及的部件，尤其是透平单元的工作和/或导向叶片。透平叶片通常设计为能冷却的，其中尤其保证有效和可靠地冷却各透平叶片热负荷特别高的前缘。
作为冷却剂通常使用冷却空气。冷却空气通常通过一些组合在叶身或叶片型面内的冷却剂通道按开式冷却的方式供给各透平叶片。冷却空气从这些冷却剂通道出发在从那里分出的排出通道中流过透平叶片各规定的区域，由此达到对流冷却叶片内部和叶片壁。这些通道的出口侧可以敞口，所以冷却空气在流过透平叶片后从也称为气膜冷却孔的出口排出，并在叶身的表面形成冷却气膜。由于这种冷却气膜，基本上防止表面处的材料与以高速流过的热工质直接和过强地接触。
为了能在叶身的前缘区特别均匀和有效地实施气膜冷却，在那里，出口通常均匀地排列成至少两个平行于前缘定向的出口行。此外，排出通道通常相对于透平叶片的纵向倾斜地定向，这样做有助于形成沿表面上流动的保护性冷却气膜。因为在制造透平叶片时出自于成本的原因所述排出通道通常最后才从外部加工出，例如通过激光钻孔或其他钻孔方法，以及尤其在叶身的前缘区有可能阻碍钻孔工具通过在端侧成形的平台或类似平台的结构部分进入，所以在排出通道的倾斜定位方面往往在位于各叶片的叶根段与叶尖段之间的大约中央的一个过渡点导致方向变换。为实现这一点，令每行在叶根侧分段中流出的冷却剂在出口区内有一个朝叶尖段的速度分量，每行在与叶根侧分段相邻的叶尖侧分段中流出的冷却剂则相反有一个朝叶根段的速度分量。换句话说：在叶根侧的分段中排出通道沿透平叶片延伸方向倾斜，反之，它们在叶尖侧的分段中逆所述延伸方向倾斜。
但是，排出通道的这种配置也会带来一些缺点。如果变换这些排出通道的方向和与之相关联地改变它们相对于沿纵向延伸的、与前缘对应的冷却剂通道的分支角度按一种位置地点上看突然的方式进行，则在过渡点处，在前缘与冷却剂通道之间可能有比较大的区域未被排出通道穿过，并因而也没有对流冷却。这种缺失必要时必须通过有针对性地增大冷却空气的用量来补偿。若排出通道的方向转换代之以比较连续地渐进式进行，则在过渡区难以形成沿叶身表面流动的冷却气膜，因为冷却空气在那里几乎垂直于表面从气膜冷却孔排出并因而有一个从气膜冷却孔脱离出去的趋势。在这种情况下也必须增加冷却空气的供给，这仍意味着可供使用的压缩空气质量流量的损失以及燃气轮机效率的降低。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题是提供一种上述类型的透平叶片，对于该透平叶片通过采取简单的措施在保持冷却空气的需求量特别小的同时可达到特别可靠和均匀的前缘区冷却。
上述技术问题按本发明通过这样一种透平叶片来解决，该透平叶片包括一叶根段、一叶尖段和一叶身，该叶身上制有一些可流过一种冷却剂的冷却剂通道，其中，从一个在叶身的前缘区内的基本上沿透平叶片纵向延伸、并与前缘相隔距离的冷却剂通道分出一些通往一些出口的排出通道，在此，这些出口排列成至少两行基本上平行于前缘定向的出口行，以及，所述排出通道在其各自出口的区域内相对于所述透平叶片的纵向以这样的方式倾斜地定向，即，使得在每一行出口位于叶根侧的一分段中的各出口的区域内流出的冷却剂有一个朝向透平叶片叶尖段的速度分量，以及在每一行出口的与上述叶根侧分段相邻的叶尖侧分段中流出的冷却剂有一个朝向叶根段的速度分量，按照本发明，所述排出通道的定向发生改变的过渡点，对于每两行相邻的出口行沿所述透平叶片纵向彼此错开布置。
本发明考虑问题的出发点是，从在叶身前缘区内的出口排出的、用于形成有效冷却气膜的冷却剂，应当有尽可能大的平行于表面的速度分量。
因此，应当保持业已证明是可靠的倾斜于纵向延伸的排出通道定位。此外，鉴于在制造叶身时发生的涉及制造加工工具入口和方向的限制，所以对于通入出口中的排出通道沿其中设有出口的每一行按所述方式作方向变换也是期望的。另一方面应避免在叶片壁内有排出通道比较激烈地减小的概率密度区。为此应当排除下列可能性，即，属于相邻行的间隙或空隙按排出通道通常比较规则的分布模式处于直接并列的位置。
这一点这样达到：各两个相邻行所属的过渡点沿纵向彼此错开布置。也就是说，这种错移正好导致属于各两个相邻行的排出通道地点上的交错，并因而促使在所有行的总体性方面沿叶身的整个前缘区排出通道比较均匀的分布。因此在此区域内同样保证叶片内部比较良好和有效的对流冷却，从而避免由于过热使材料局部过负荷。与已知的设计相比，对冷却剂的需求量可以保持为较小，冷却剂较小的需求量导致对一个配备有此类透平叶片的燃气透平的功率有利的后果。
排出的冷却剂在前缘附近对于有效的气膜冷却特别有利的流动特性再加上构成边界的叶片壁良好的对流冷却，可通过在整个前缘区内的出口按本发明的一项有利的进一步发展以这样的方式大体均匀地分布达到，即，令它们位于一个假想的绕叶身前缘弯曲的规则格网的角点或阵点上。这导致冷却剂特别均匀地覆盖叶片表面。
所有出口行的叶根侧和叶尖侧分段的排出通道相对于纵向的定位角大小优选大体相同。在这里可以调整为一个对于气膜冷却的效果为最佳的值，此值由试验或计算是已知的。
相邻气膜冷却孔行逐段交错的设计方案可以在任意多个并列行中使用。但因为叶身在前缘附近的曲率半径往往比较小，所以只能在前缘区安置少量的出口行。不过前缘的一种均匀的和在冷却剂消耗量方面特别节省的冷却，按一种优选的具有三行出口的设计就能够达到。在此方案中，属于两外侧的出口行的过渡点沿纵向恰当地设在相同位置并因而相对于中间行对称布置。
有利地，属于中间行的过渡点在这种情况下相对于所述两外侧行错开三个出口。按这种选择，一方面在前缘区排出通道比较恰当地穿过叶片壁，另一方面彼此的错移还足够小，使得在交错区内沿互相相反的方向排出的气流仅小量地相互混杂。
这种气膜冷却孔的最佳配置方案应用在用于燃气轮机中的导向叶片中是特别有利的，因为这种导向叶片不仅在叶根侧的端部而且在叶尖侧的端部均被可能大体积和实心的平台封闭，它们尤其妨碍用于制造排出通道的钻孔工具的进入。
采用本发明获得的优点尤其在于，通过错开所述排出通道相对于纵向的定向的过渡转换点，提供了一种可用低成本制造的透平叶片，它在负荷特别大的前缘区内，不仅在表面通过均匀的冷却气膜，而且在内部区中通过冷却空气在近似均匀和没有较大尺寸的空隙地分布的排出通道内对流，防止了在运行期间由于燃气轮机内过热而造成过负荷。由此可以节省冷却空气，其结果是提高燃气轮机效率。
附图说明
下面借助附图详细说明本发明的实施例。其中：
图1表示一透平叶片的局部剖切的侧视图；
图2表示图1所示透平叶片的局部横截面；
图3表示图1所示透平叶片的局部纵剖面；以及
图4表示对于图1所示透平叶片的前缘的局部剖视图。
在所有的图中相同的部分采用同一附图标记。
具体实施方式
按图1的透平叶片2设计为此处未进一步表示的燃气轮机的导向叶片。它包括叶根段4和叶尖段6和附属于它们的平台8、10及位于它们之间沿纵向L延伸的叶身12。成型的叶身12有一个同样基本上沿纵向L延伸的前缘14和后缘16以及位于它们之间的侧壁18。透平叶片2通过叶根段4固定在透平内机匣上，在这里，附属的平台8形成一个构成在燃气轮机内工质流路边界的壁元件。与透平轴对置的叶尖侧平台10形成流动工质的另一个边界。按另一方案，透平叶片2也可以设计为工作叶片，它以类似的方式通过一个也称为叶根的根侧平台8固定在透平轴上。
冷却剂K通过一些设在叶根段4下端的进口20进入叶片内部。但还已知一些方案，其中冷却剂K的输入通过叶尖侧平台10进行。通常冷却剂K涉及冷却空气。在冷却剂K在透平叶片2内部流过一个或多个与进口20连接的冷却剂通道22后，它从一些在叶身22区域内也称为气膜冷却孔的与冷却剂通道22对应的出口24排出。叶身12不同的区域在这里鉴于不同类型的热和机械负荷以及在叶片内部各自的位置状况，对于气膜冷却孔的布局和设计提出了完全不同的要求。尤其是与叶身12前缘14直接连接且弯度比较大的前缘区28，基于比较大的负荷需要一种高效的冷却。
图2表示成型叶身12前部区，它有比较强烈弯曲的包括前缘14在内的前缘区28，压力面30和吸力面32与之连接。从一个基本上沿透平叶片2纵向延伸与前缘14相隔距离的冷却剂通道22，分出一些横截面较小的排出通道34，它们穿过叶片壁36并通入在前缘区28内的出口24或气膜冷却孔。通过冷却剂K流过排出通道34，达到冷却叶片壁36毗邻的区域。除了叶片内部的这种对流冷却，还在叶身12表面上产生通过从出口24流出的冷却空气引起的气膜冷却效果。在这里，在此表面上通过以比较小的速度沿表面流动的冷却空气，在一定程度上形成一个气垫或保护膜，它阻止叶片表面与有高流速的工质直接接触。
为了一方面能实现均匀地对流冷却叶片壁36以及另一方面有利于形成连续的冷却气膜，在本实施例中出口24沿三个平行于前缘14的行排列成，使它们形成一种规则的格网模式。此外，排出通道34相对于透平叶片2的纵向L倾斜，所以在它们用于流出冷却剂K的出口24的区域内相对于叶片表面形成一个平缓的排出角。这同样导致有利于形成保护性冷却气膜。如由按图3的沿出口24中间行的纵剖面可以看出的那样，涉及两个不同的分段存在排出通道34的斜度。在图示出口24行的一个叶根侧分段38中，排出通道34倾斜为使得从出口24流出的冷却剂K有一个朝向透平叶片2叶尖段6的速度分量。在一个相邻的过渡点40，排出通道34的定向改变，从而使得从该行的叶尖侧分段42流出的冷却剂K有一个朝叶根段4方向的速度分量。这种定向的变换是由于在制造透平叶片2时平台8、10限制钻孔工具的进入引起的，并导致在除此之外被排出通道34均匀穿过的叶片壁36内一个较大的空隙44。上述这些情况适用于在叶身12前缘区内28所设的三个出口24行中的每一行。
透平叶片2专门设计为在冷却剂K需求量保持为特别小的同时能非常可靠地冷却前缘区28。为此，所述的过渡点40按相邻气膜冷却孔行逐段交错排列的方式彼此错开定位。在图4中表示对于前缘14的局部剖切透视图，其中，属于中间行的在那里排出通道34的定向发生变化的过渡点40，相对于两个在外部的行沿纵向L错移。在本实施例中，所述移动的量是三个阵点。因此，分别属于两个相邻行的有关排出通道34的空隙44也以这样的程度彼此错开布置，即，使得在整个交错区46总体上保证排出通道34比较合理地穿过叶片壁36并因而也保证比较有效的对流冷却。因为在另一方面所述各过渡点40的彼此错移量不选择成比为此所需要的最小错移量大许多，所以在表面上流动的冷却气膜基于在此区域内的这种反向的气流造成的涡流也限制在一个不可避免的最低值上。
由此创造了排出通道34及附属出口24的一种不仅在叶片壁36的对流冷却方面而且在表面上的气膜冷却方面均为最佳的布局，与已知的方案相比，这种设计的特征在于降低了冷却剂K的消耗并因而提高了配备此类透平叶片2的燃气轮机的效率。

Claims (7)

1.一种透平叶片(2)，它包括一叶根段(4)、一叶尖段(6)和一叶身(12)，该叶身(12)上制有一些可流过一种冷却剂(K)的冷却剂通道(22)，其中，从一个在叶身(12)的前缘区(28)内的基本上沿透平叶片(2)纵向(L)延伸、并与前缘(14)相隔距离的冷却剂通道(22)分出一些通往一些出口(24)的排出通道(34)，在此，这些出口(24)排列成至少两行基本上平行于前缘(14)定向的出口行，以及，所述排出通道(34)在其各自出口(24)的区域内相对于所述透平叶片(2)的纵向(L)以这样的方式倾斜地定向，即，使得在每一行出口(24)位于叶根侧的一分段(38)中的各出口(24)的区域内流出的冷却剂(K)有一个朝向透平叶片(2)叶尖段(6)的速度分量，以及在每一行出口(24)的与上述叶根侧分段(38)相邻的叶尖侧分段(42)中流出的冷却剂(K)有一个朝向叶根段(4)的速度分量，其特征为：所述排出通道(34)的定向发生改变的过渡点(40)，对于每两行相邻的出口(24)行沿所述透平叶片(2)纵向(L)彼此错开布置。
2.按照权利要求1所述的透平叶片(2)，其特征为：所述前缘区(28)内的出口(24)大致处于一个规则的格网的阵点上。
3.按照权利要求1或2所述的透平叶片(2)，其特征为：所有出口(24)行的叶根侧及叶尖侧分段(38、42)中的排出通道(34)相对于所述透平叶片(2)纵向(L)的定位角大小大致相同。
4.按照权利要求3所述的透平叶片(2)，它包括至少三行出口(24)，其特征为：属于在外侧的两行出口(24)行的过渡点(40)沿纵向(L)设在相同的位置上。
5.按照权利要求4所述的透平叶片(2)，其特征为：属于在中间的出口(24)行的过渡点(40)相对于所述两外侧出口(24)行错开三个出口(24)。
6.按照权利要求1至5之一所述的透平叶片(2)，其特征为：该透平叶片(2)设计为导向叶片。
7.一种燃气轮机，其特征为：它的至少一个透平叶片(2)按照权利要求1至6之一所述来设计。
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