CN1869409A - 燃气轮机旋转叶片的平台以及制造旋转叶片、密封板和燃气轮机的方法 - Google Patents

燃气轮机旋转叶片的平台以及制造旋转叶片、密封板和燃气轮机的方法 Download PDF

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由里雅则
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Abstract

燃气轮机的旋转叶片(1)具有叶片部分(2)和平台部分(3)。空腔(17)由平台部分(3)的外缘(16)、平台(3)的底部以及胫柄(4)形成。密封板(18)置于外缘(16)和胫柄(4)之间以封闭空腔(17)。在胫柄(4)内部伸展的通道(5)中的空气通过通路(20)供应到空腔(17)。空气从空腔(17)经过多个孔(22a，22b，22c，22d)流到平台部分(3)的表面。

Description

燃气轮机旋转叶片的平台以及 制造旋转叶片、密封板和燃气轮机的方法
相关申请
本申请基于2005年5月27日提出申请的美国专利申请No.11/138,449并要求享有其优先权，在此参引所述专利申请的全部内容。
技术领域
本发明涉及用于将冷却空气引入燃气轮机旋转叶片的平台的空腔中的技术。
背景技术
图9是用作燃气轮机中第一级旋转叶片的常规旋转叶片101的透视图。旋转叶片101包括平台103和叶片102。叶片102具有型面以及根部151。根部151形成在平台103之下，呈圣诞树形。并且如图10所示，根部151与转盘161的凹槽162配合。凹槽162具有与叶片根部151相反的形状。转盘161在其周边具有多个凹槽，每个叶片102装配在转盘161的每个凹槽中。在相邻的旋转叶片之间存在空腔117。空腔117由相邻叶片平台的胫柄104的弯曲所形成。来自转子侧的密封空气进入空腔117，从而防止高温燃烧气体通过相邻叶片间的间隙泄漏。
美国专利6,196,799和日本的公开专利申请No.H11-236805披露了冷却平台和叶片的常规技术。图11(a)和11(b)是美国专利6,196,799中所披露的平台103的示意图。图11(a)是平台103的平面图，图11(b)是沿图11(a)中所示的线A-A的剖视图。数字117代表在平台103之下的一侧上所形成的内部空腔。数字123代表在平台103之下的另一侧上所形成的空腔。数字122a、122b、122c和122d也代表冷却孔。这些冷却孔与空腔联系，并且每个孔都沿平台103一侧的周边钻成斜孔。
如图11(b)所示，空腔117和123由下侧的板171以及另外其它侧上的平台103的表面所界定。板171具有许多通孔172。作为冷却空气的密封空气通过这些通孔172进入空腔117和123。然后，密封空气向上倾斜地流过冷却孔122a-122d并在从冷却孔122a-122d出来之后扩散，从而冷却平台103的表面。
然而，密封空气通常用于防止泄漏高温气体的干流，使得密封气体的温度不受控制。因此，如果密封空气用于冷却旋转叶片且如果密封空气是热的话，叶片可能会破裂。此外，使用大量密封空气用于(除了主要用于)防止泄漏高温气体的干流是不适当的；因为，高流速的密封空气可使得燃气轮机旋转叶片的稳定性和可靠性变差。
反之，如果冷却空气用于冷却平台和旋转叶片，其仅用作冷却平台和叶片，而且仅在需要时才供应。并且，冷却空气的温度能受到控制，使得平台和叶片的温度能得到控制。因此，冷却空气要优于密封空气。
因此，需要不仅仅依靠密封空气来冷却具有平台的旋转叶片的技术。
燃气轮机中，冷却空气用于冷却平台和旋转叶片，以抑制金属平台和旋转叶片由于高温燃气造成的温度升高。大量的平台和叶片中存在明显差别。当平台和叶片中存在很大温差时，在两者之间会产生巨大的热应力。这种热应力会在特别是暴露于苛刻热条件下的部分上引起破裂。巨大的热应力能够产生在例如叶片以及位于平台安置处的后沿上的毂这样的部分上。
发明内容
本发明的目的是至少解决常规技术中的所述问题。
按照本发明的一个方面，燃气轮机的旋转叶片包括叶片部分和平台部分。并且旋转叶片包括：由平台部分的外缘、平台底部和胫柄形成的空腔；置于外缘和胫柄之间以封闭所述空腔的密封板；将空气从胫柄内部伸展的通道供应到空腔的通路；以及，空气从空腔流到平台部分表面所经过的多个孔。
当结合附图阅读时，从以下本发明的详细说明中，本发明的其它目的、特点和优点将明确地阐明并将变得显而易见。
附图说明
图1(a)是按照本发明第一实施例的旋转叶片的剖视图，图1(b)是沿图1(a)中所示的线A-A的剖视图；
图2是沿图1中所示的线B-B的剖视图；
图3是图2中用虚线C所示部分的剖面的放大视图；
图4是从按照第一实施例平台的底部透视所得的相关部分的半剖图；
图5是图4中部分D-D的局部放大剖视图；
图6是显示按照本发明第二实施例的密封板的局部放大剖视图；
图7(a)-7(g)是按照本发明第三实施例的各种密封板的平面图；
图8(a)-8(c)是显示按照本发明第二实施例将密封板安装到空腔上的方法的示意图。具体地，图8(a)是密封板平面图，图8(b)是安装部分的剖视图，而图8(c)是显示在图8(b)的剖面C-C中形成相关部分的步骤的局部放大视图；
图9是常规燃气轮机旋转叶片的透视图；
图10是显示按常规燃气轮机旋转叶片的平行布置的叶片安装部分的空腔的示意图；以及
图11(a)和11(b)是显示常规燃气轮机旋转叶片的平台的冷却结构的示意图。
具体实施方式
以下将参看附图说明本发明的示范实施例。本发明不限于这些实施例。
图1(a)是按照本发明第一实施例的旋转叶片1的剖视图，图1(b)是沿图1(a)中所示的线A-A的剖视图。
旋转叶片1包括形成型面的叶片2、与叶片2的根部相连的平台3以及位于平台3之下的胫柄4。叶片2的内部局部是空的，使得冷却空气首先从通向置于叶片2之下的转子(未显示)的叶片根部(象圣诞树的形状，此处未显示)供应到冷却空气通道5。然后，冷却空气供应到都布置在叶片2内部的前沿通道6和蛇形流体通道7、8，以冷却叶片内部。在冷却通道9中，部分冷却空气从后沿10吹出用来冷却后沿10，而剩余的冷却空气从叶片顶部11吹出进入气体通道。
此外，前沿通道6允许冷却气体从位于叶片2前沿的流出孔流过，而剩余的冷却空气从叶片顶部11排出进入气体通道。另外，如图1(b)所示，在叶片2的叶片头部12、叶片凸出部分13和叶片凹入部分14处，其中的表面具有多个流出孔15。冷却空气从这些流出孔15流出，从而冷却叶片2的表面。
图2是平台3的剖视图。如图3详示，在平台3之下，外缘16在图3的下部具有下端16a，空腔17由下端16a和胫柄4形成。空腔17用密封板18密封。为牢固地保持所述密封板18，胫柄4和外缘16分别设有凹槽19a和凹槽19b，密封板18安置在所述两个凹槽之间，而密封板18的外缘通过焊接、钎焊等固定。
空腔17的冷却通路20是连通从任何冷却空气通道5延伸到叶片内部的路线，并冷却特别容易受到空腔17中热量累积的影响、从而易于遭受热损伤的部分21。来自冷却通路20的冷却空气流过多个冷却孔22a、22b、22c和22d，然后从平台3流出以冷却其上的表面。在这种情况下，一个优选实施例可形成为空气从每个冷却孔22a、22b、22c和22d径向流出。当冷却孔22a、22b、22c和22d沿周边分布而不是集中在一侧时，冷却变得更有效。
平台中的另一空腔23未配置密封板，其适于使用密封空气。另外，平台的外缘冷却通道24与通道25相连通。此外，尽管还设有其它冷却通道26和27，但是这些通道配置得与按照本发明的平台3中的空腔不同。亦即，空腔23不由密封板18阻隔。
图4是从平台3的底部透视所得的相关部分的半剖图。图4显示密封板18已安装到适当的位置上的情况。密封板18具有四个凸块18a、18b、18c和18d。然而，凸块18a、18b、18c和18d的数目并不限于四个。
图5是显示沿图4中所示的线D-D的剖视图。密封板18已安装在空腔17中。密封板18插在胫柄14的凹槽19a和平台3的外缘16上的凹槽19b之中，使得密封板18由于凸块18a和18b的作用安装到适当的位置上。密封板18的周边通过焊接或钎焊固定。如果凹槽19a和19b布置成使得密封板18和胫柄4形成预定的角度(其中，优选地为90 °～135°)，由于工具能易于在离胫柄4很近的距离上使用，焊接或钎焊的可加工性得到增强，从而能容易安装密封板18。
由于燃气在旋转叶片1的平台表面上流动，该表面暴露于高温之下。当叶片2的根部和平台3的连接部分暴露于高温之下时，上述连接部分温度升高。然而，平台3的表面变热最为显著。与平台3的顶面和叶片的根部相比，平台3的底面和胫柄4处于较低的温度。相应地，平台3上可能出现热应力，造成张力从而引起破裂。因此，有必要均匀地冷却这些元件，使其不被加热到超出其热特性的温度。鉴于此，在本发明中，空腔17在平台3的底部形成以获得来自该部分的冷却效果。
图6是显示按照本发明的第二实施例的密封板18的安装形式的示意图，其中弯曲形的密封板18安装在平台外缘下部16a和胫柄凹槽19a之间。当要形成大容积的空腔并且平台3的下端不容易开槽时，上述配置是合适的。
图7(a)-7(g)是按照本发明第三实施例的各种类型的密封板的平面图和侧面图。图7(a)显示一个平的密封板。图7(b)显示具有沿密封板的整个长度延伸的窄长凹槽18-1的密封板。图7(c)显示具有沿密封板的长度延伸的宽而长的凹槽18-2的密封板。图7(d)显示具有两个短而窄的凹槽18-3和18-4的密封板。图7(e)显示在每侧都具有窄长凹槽18-5或18-6的密封板。图7(f)显示在一个表面或两个表面上具有多个独立的凸出球形或椭圆形凹痕18-7的密封板。图7(g)显示用多块通过焊接、钎焊等彼此连接起来的板18-8和18-9所形成的密封板。密封板上的凹槽用于防止密封板由于受热延长而导致的变形。因此，密封板能制造得更薄。
图8(a)-(c)是用于说明按照本发明的第四实施例安装密封板18的示意图。图8(a)是在四个周边部分上具有凸块18a、18b、18c和18d的平的密封板18的平面图。参看作为四个凸块的典型之一18b，在凸块大致的中心设有孔，在其前端设有凹口18b-1。图8(b)是密封板18的局部放大图，其中其一端插入平台下端上的凹槽19b里。具体地，凸块18b安装到平台3的外缘16的一端。随后，通过互锁外缘16和凸块18b提供部分密封。接着，如图8(c)所示，图8(c)是图8(b)中剖面C-C的局部放大图，凸块上的凹口18b-1的端部展开，以确保密封板18插入凹槽。然后，焊接或钎焊密封板18的周边以将其固定。
在按照本发明的燃气轮机的旋转叶片中，由平台的外缘及其底部以及旋转叶片的胫柄构成空腔，形成该空腔的部分易受到平台上热应力影响而导致损坏，而通过密封板阻隔的空腔置于平台的外缘和胫柄之间。随着用于冷却旋转叶片内部的冷却空气通过胫柄内部供应到空腔，并从空腔吹出到变得非常热的平台表面，有可能防止损坏和破裂而不引起关于其它部分的温度变化。当象常规技术那样使用密封空气时，在达到密封空气的预定目的的同时，大量空气不能用于冷却。因此，与常规技术相比，从燃气轮机旋转叶片的内部冷却通道供应的冷却空气具有充分的冷却性能，从而可非常有效地用于冷却。
此外，在本发明中，当空腔形成时，在与空腔相邻的平台外缘和胫柄的合适部分上都设置凹槽之后，通过焊接或钎焊能可靠地固定密封板。
本发明具有的另一优点是：它是固定上述密封板的一种更可靠的方法，亦即，密封板凸块的互锁，使得所述板的可使用性因此得以增强。
按照本发明的燃气轮机的平台能改善冷却性能，从而延长使用寿命，并可在其成形方法中增强可使用性。
对于本领域技术人员，容易发现另外的优点和修改。因此，本发明在其更广的方面并不限于在此显示和说明的特定的细节和有代表性的实施例。相应地，在不背离如所附权利要求及其等价物所限定的总体发明概念的精神或范围的情况下，可进行各种修改。

Claims (17)

1.一种燃气轮机的旋转叶片，旋转叶片(1)包括叶片部分(2)和平台部分(3)，所述旋转叶片包括：
由平台部分(3)的外缘(16)、平台(3)的底部和胫柄(4)形成的空腔(17)；
置于外缘(16)和胫柄(4)之间以封闭所述空腔(17)的密封板(18)；
将空气从在胫柄(4)内部伸展的通道(5)供应到空腔(17)的通路(20)；以及
空气从空腔(17)流到平台部分(3)的表面所经过的多个孔(22a，22b，22c，22d)。
2.按照权利要求1所述的旋转叶片，其中，至少密封板(18)的一端要么固定到设于平台部分(3)的外缘(16)的下端(16a)上的第一凹槽(19b)，要么固定到设于胫柄(4)上的第二凹槽(19a)。
3.按照权利要求1或2的旋转叶片，其中，孔(22a，22b，22c，22d)钻成使得空气从平台部分(3)的表面按远离旋转叶片的方向径向流动。
4.按照权利要求1或2的旋转叶片，其中，在空腔(17)的纵剖面上，剖面的宽度向平台部分(3)的外缘变窄。
5.按照权利要求2的旋转叶片(1)，其中，密封板(18)插入第一凹槽19(b)和第二凹槽19(a)，然后固定到第一凹槽(19b)和第二凹槽(19a)。
6.按照权利要求1的旋转叶片，其中，密封板(18)向平台部分(3)的外缘(16)倾斜。
7.按照权利要求1的旋转叶片，其中，密封板(18)具有至少一个凸出部分(18-1，18-2，18-3，18-4，18-5，18-6，18-7)。
8.按照权利要求7所述的旋转叶片，其中，凸出部分(18-1，18-2，18-3，18-4，18-5，18-6)较长并沿密封板(18)的长度延伸。
9.按照权利要求1所述的旋转叶片，其中，密封板(18)具有多个凸出部分(18-3，18-4，18-5，18-6，18-7)。
10.按照权利要求1所述的旋转叶片，其中，密封板(18)用多块板(18-8，18-9)组成。
11.按照权利要求1所述的旋转叶片，其中，密封板(18)是弯曲的。
12.一种配置为安装到燃气轮机旋转叶片(1)中的空腔(17)的密封板(18)，其包括密封板(18)周边部分上的多个凸块(18a，18b，18c，18d)。
13.按照权利要求12的密封板，其中，每个凸块(18a，18b，18c，18d)都包括通孔。
14.如权利要求13所述的密封板，其中，每个凸块(18a，18b，18c，18d)都具有凹口(18b-1)。
15.一种制造旋转叶片(1)的方法，所述旋转叶片(1)包括叶片部分(2)和平台部分(3)，所述方法包括：
使用平台部分(3)的外缘(16)、平台(3)的底部和旋转叶片(1)的胫柄(4)形成空腔(17)；
将具有凸块(18a，18b，18c，18d)的密封板(18)的至少一端，要么插入设于平台部分(3)的外缘(16)的下端(16a)上的第一凹槽(19b)，要么插入设于胫柄(4)上的第二凹槽(19a)以及
固定每个凸块(18a，18b，18c，18d)，从而将密封板(18)固定到第一凹槽(19b)或第二凹槽(19a)。
16.按照权利要求15所述的方法，其中，在每个凸块(18a，18b，18c，18d)上形成的凹口(18b-1)被切开且向外展开。
17.一种使用旋转叶片(1)的燃气轮机，所述旋转叶片(1)包括叶片部分(2)和平台部分(3)，所述燃气轮机包括：
由平台部分(3)的外缘(16)、平台(3)的底部和旋转叶片(1)的胫柄(4)形成的空腔(17)，所述空腔(17)由置于外缘(16)和胫柄(4)之间的密封板(18)封闭；
将空气从胫柄(4)内部伸展的通道(5)供应到空腔(17)的通路(20)；以及
空气从空腔(17)流到平台部分(3)的表面所经过的多个孔(22a，22b，22c，22d)。
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