CN1910344A - 涡轮叶片和有这种涡轮叶片的燃气轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮叶片(67)，它包括一个沿叶片轴线(73)设置的叶身(67)和一个平台区(61)，后者设在叶身的根部和有一个横向于叶片轴线(73)延伸的平台(71)，其中，平台(71)有不支承叶身(67)的第一平台壁(70)和支承叶身(67)的第二平台壁(69)。为了保证平台区和从叶身(67)到涡轮叶片(63)平台(71)的过渡区(65)更好地冷却，并因而保证燃气轮机(1)流动通道(5)边界的冷却，按本发明建议的方案，在叶身(67)的根部，在从叶身(67)向平台(71)的过渡区域(65)内，第一平台壁(70)的过渡区段有一空气动力学的倒圆曲线(104)，以及，第二平台壁(69)的过渡区段有一相对于第一平台壁(70)和在叶身(67)延续时回缩的台阶(103)。

Description

涡轮叶片和有这种涡轮叶片的燃气轮机
本发明涉及一种涡轮叶片，它包括一个沿叶片轴线设置的叶身和一个平台区，后者设在叶身的根部和有一横向于叶片轴线延伸的平台，其中，平台有不支承叶身的第一平台壁和支承叶身的第二平台壁。本发明还得到一种燃气轮机，它包括一个沿燃气轮机轴线延伸、具有用于工质的环形横截面的流动通道，和一个沿轴线设在第一叶片级后的第二叶片级，其中，一个叶片级有一定数量环形排列在流动通道内沿径向延伸的涡轮叶片。
在此类燃气轮机中，在加入热燃气后，流动通道内产生可处于1000℃与1400℃之间范围内的温度。基于一个叶片级一定数量的这种涡轮叶片的环形排列，涡轮叶片的平台构成用于流过燃气轮机的形式上为热燃气的工作流体流动通道的一部分，热燃气以此方式通过涡轮叶片，驱动轴流式涡轮转子。流动通道通过平台构成的边界受高的热负荷，应采取措施加以限制，即从涡轮叶片设在平台后面，亦即平台下方的根部那里冷却平台。为此，根部和平台区通常有适用的通道系统，用于加入冷却剂。
由DE 2 628 807 A1已知一种用于前言所述类型涡轮叶片的冲击式冷却系统。在DE 2 628 807 A1中为了冷却平台，在平台背对热燃气的一侧前，亦即在平台后，换句话说在叶根与平台之间，设一带孔的壁件。压力较高的冷却空气通过壁件的孔冲击平台背对热燃气的一侧，由此实现有效的冲击冷却。
在EP 1 073 827 B1中公开了一种对于铸造的涡轮叶片的平台区的新的结构设计方法。平台区设计为由两个互相对置的平台壁组成的双重平台。由此可以将直接遭遇热燃气并构成流动通道边界的平台壁设计得较薄。采用这种两个平台壁的设计，导致这些平台壁的分工。构成流动通道边界的平台壁，主要负责构成用于热燃气的通道系统。对置的不施加热燃气的平台壁，承担吸收由叶身引起的负荷的任务。这种分工使得构成流动通道边界的平台壁可以设计得比较薄，它保证构成热燃气通道系统而不必承受大的负荷。
通常，在平台区内和在叶身的根部区内，在叶身与平台之间，基于最终通过铸造和根据涡轮叶片负荷提出的强度要求造成的边界条件，规定在常见的涡轮叶片中采用比较高的材料聚集。这种比较高的材料聚集同时也使得难以借助在叶片内部实施冷却的方法从此区域散热，以及也阻碍这些区域用冷却剂直接冷却。为了冷却这些区域，已知在叶身的根部区和在平台区内采用叶片外表面上的气膜冷却。为此在此外表面附近从相应的开式间隙系统将冷却气膜布设在施加形式上为热燃气的工质的流动通道边界上。原则上这是一种冷却上述具有比较高的材料聚集的平台区和根部区有效的方案。尽管如此，基于在流动通道内复杂的二次流状况为此需要很大的冷却空气量，与此同时二次流的涡流构型会导致气膜从所述的外表面飞脱和分流。因此在燃气轮机实际运行时，在这些难以进入的区域内，这种已知的方法导致有未被冷却的根部区和平台区。对这些区域进行一种有利的设计是值得追求的。
因此，本发明的目的是提供一种涡轮叶片和一种燃气轮机，保证在叶身根部区和叶片平台区有更好的冷却，并因而保证燃气轮机流动通道边界更好的冷却。
在涡轮叶片方面此目的通过前言所述类型的涡轮叶片达到，其中，在叶身的根部，在从叶身向平台过渡的区域内，第一平台壁在其过渡区段中有一空气动力学的倒圆曲线，以及，第二平台壁在其过渡区段中有一从叶身延续出的并相对于第一平台壁回缩的台阶。
本发明考虑的出发点在于，使用一个薄壁的不承力的平台壁构成在燃气轮机的运行状态中所加入的一种形式上为热燃气的工质的流动通道边界，允许特别有利地设计平台。本发明重要的认识在于，对于这种包括不承力的第一薄壁平台壁和承力的第二厚壁平台壁的双层壁平台而言，不仅不承力的而且承力的平台壁均能最佳地满足对它们提出的要求。
按上述考虑，不承力的平台壁尤其可设计满足其作为流动通道边界的功能。按本发明，它在从叶身到平台的过渡区域中有空气动力学的倒圆曲线段。在上面提及的EP1073827B1的平台设计中没有采取这一措施。按上述考虑，平台的背侧，亦即承力的第二平台壁尤其针对其承力的功能设计。它应提供一个冷却不承力平台壁的空隙。基于此原因本发明规定，第二平台壁在其延伸过程中有一个作为叶身延续段并相对于第一平台壁回缩的台阶。因此按本设计方案，不承力的第一平台壁背侧留空以及形式上为承力的第二平台壁的承力的叶片结构按热机械学的观点优化设计，也就是说，一方面第二平台壁体现实际上有与叶身壁相同厚度的叶身壁的延续，以及另一方面第二平台壁基于所述的回缩台阶供足够大的可供充入用于不承力平台壁的冷却剂的空隙。
不承力的第一平台壁的热负荷通过空气动力学的倒圆曲线延伸段减小，其结果是也减少了冷却措施。冷却措施本身主要通过相应设计承力的第二平台壁和提及的空隙得以优化，所以在叶身根部区与平台区之间也称为复曲线的区域可以用低的耗费最佳地冷却。
因此，本发明重要的认识在于，通过所建议的在叶身与平台之间过渡区的设计，一方面在不危及涡轮叶片机械稳定性的同时大大减少材料聚集，以及另一方面在此过渡区内实施尽可能高效的冷却。
由从属权利要求得知本发明有利的进一步发展，它们详细提供了在所说明的设计方案的框架内设计上述涡轮叶片平台有利的可能性。
按本发明一项特别优选的进一步发展，根据所说明的方法在第一平台壁的倒圆部分与第二平台壁的台阶之间，构成一个用于冷却平台的空隙。此外，所述的空隙尤其可恰当地选择用于达到冲击冷却第一平台壁的目的。
恰当地，空隙有一个沿平台的整个延伸区域基本上由台阶的高度决定的恒定的高度。如此设计的优点是，一方面根据流体技术方面的观点冷却剂可以在空隙内最佳冷却，另一方面所述的高度选择为，使得通过承力的第二平台壁将冷却剂引入空隙内，可以最佳地冲击冷却所述不承力的第一平台壁。
由于要求不同，令第二平台壁的壁厚大于第一平台壁的壁厚。优选地，承力的第二平台壁的壁厚设为基本上与叶身根部区的壁厚一致。
为了最佳地冷却在叶身根部区的过渡区，在过渡区域内的单位面积冷却通孔的数量大于在平台的其余区域中的单位面积通孔数量。因此，构成所述承受热燃气的流动通道直接边界的所述不承力平台壁的整个背侧面，可以有最佳的冷却措施作用其上。
按本发明特别优选的进一步发展，不承力的第一平台壁由一个贴靠在叶身上弹簧弹性的板件构成。在这里，板件优选地贴靠在叶身根部的一个可设计为槽状或棱边状的止挡上。也就是说，不承力的平台壁设计为薄壁状，使弹簧弹性的板件基于其柔性不会由于相邻构件相对运动而影响它们作为流动通道边界的作用。由于其弹簧弹性的设计，可以实现形式上为空气动力学的倒圆曲线段的特别有利的延伸曲线。
恰当地，平台在叶身一侧的第一个一半内和在叶身另一侧的第二个一半内设计为定性相同的。也就是说，平台以定性相同的方式在叶身两侧延伸。因此它在一侧和在另一侧有相同的上述种种特征。以此方式，通过在一个叶片级内接连排列一定数量的涡轮叶片，可以构成针对所提出的上述目的特别有利的流动通道边界。
本发明还提供一种前言所述类型的燃气轮机，其中，一个叶片级有一定数量环形排列在流动通道内沿径向延伸的如上面已说明的那样设计的涡轮叶片。
恰当地，不承力的第一平台壁并不是无论如何都必须安装在平台区内，而是它可脱开地或松弛地支承在涡轮叶片的叶身根部区内或承力的第二平台壁区域内的一个凹座上就足够了。
因为，当形式上为在轴流式涡轮转子上的工作叶片的涡轮叶片旋转运行时，产生一个由于旋转从叶身的根部沿叶身方向作用的离心力。这意味着弹簧弹性的第一板件在工作时被离心力压靠在止挡上并因而被离心力固定。
此外，当形式上为在周缘涡轮机匣上的导向叶片的涡轮叶片工作时，通过冷却剂产生一个从叶身的根部沿叶身方向的压力梯度。这意味着弹簧弹性的板件在工作时由于此压力梯度压靠在止挡上并因而被压力固定在止挡上。
燃气轮机的一项设计业已证实是有利的，即在同一个叶片级的第一涡轮叶片与相邻的第二涡轮叶片之间，由第一涡轮叶片的弹簧弹性的第一板件和第二涡轮叶片的弹簧弹性的第二板件构成流动通道的边界。以此方式在一个叶片级内部有利地构成流动通道的一个径向的边界。
燃气轮机的另一项设计业已证实是有利的，即在第一叶片级的第一涡轮叶片与第二叶片级沿轴向直接设在第一涡轮叶片后的第二涡轮叶片之间，由第一涡轮叶片弹簧弹性的第一板件和第二涡轮叶片弹簧弹性的第二板件，构成流动通道的边界。以此方式有利地构成流动通道一个轴向边界。有利地，叶片级涉及的是导向叶片级，以及涡轮叶片涉及的是导向叶片。
不承力的第二平台壁这种固定方式，在涡轮叶片和用这种叶片配备的燃气轮机装配和加工时有突出的优点。
下面借助附图说明本发明的实施例。附图没有按尺寸比例表示实施例，确切地说，用来解释的附图表示为示意和/或略有失真的形式。有关于可由附图直接看出的教导的补充说明，可参见有关的先有技术。
附图具体表示：
图1在示意的横截面图中表示燃气轮机一种特别优选的实施形式，包括一个流动通道和一种导向叶片与工作叶片组优选的设计；
图2在透视图中表示第一叶片级的第一涡轮叶片和第二叶片级沿轴向直接设在第一涡轮叶片后的第二涡轮叶片的平台区一种特别优选的实施形式。
图1表示一台燃气轮机1，包括一个沿轴线3延伸具有用于工质M的环形横截面的流动通道5。在流动通道5内设置一些叶片级。尤其是第二导向叶片级9沿轴线3设在第一导向叶片级7之后。此外，第二工作叶片级13设在笫一工作叶片级11之后。在这里，导向叶片级7、9有一定数量环形地装在周缘涡轮机匣15上在流动通道5内沿径向延伸的导向叶片21。一个工作叶片级11、13在这里有一定数量环形地装在轴流式涡轮转子19上在流动通道5内沿径向延伸的工作叶片23。工质M的流动以热燃气的形式由燃烧室17产生。对应于流动通道5环形的横截面，一些这种燃烧室17在图1所示横截面图内没有表示的一个环腔内绕轴线3排列。
在图1中示意表示了一个导向叶片21和一个工作叶片23。导向叶片21有一个沿叶片轴线25设置的叶顶27、一个叶身29和一个平台区31。平台区31有横向于叶片轴线25延伸的平台33和一个叶根35。
工作叶片23有一个沿叶片轴线设置的叶顶37、一个叶身39和一个平台区41。平台区41有一个横向于叶片轴线45延伸的平台43和一个叶根47。
导向叶片21的平台33和工作叶片23的平台43，在这里分别构成流过燃气轮机1的工质M用的流动通道5边界49、51的一部分。周缘的边界49是周缘的涡轮机匣15的一部分。转子侧的边界51则是在燃气轮机1运行状态时旋转的涡轮转子19的一部分。
如在图1中示意表示和在图2中详细表示的那样，在这里导向叶片21的平台33及工作叶片23的平台43，通过一个贴靠在叶身29、39上弹簧弹性的板件构成。
图2表示平台区61代表平台区31、41。在图2中表示的涡轮叶片63，在这里代表性地表示第一导向叶片级7或第二导向叶片级9的导向叶片21。涡轮叶片63也可以代表性地表示第一工作叶片级11或第二工作叶片级13在图1中表示的工作叶片23。优选地，涡轮叶片63涉及的是导向叶片。
涡轮叶片63有一个截断表示的叶身67。在叶身67根部的平台区61内，构成一个横向于叶片轴线73延伸的平台71。在这里，平台71一方面通过不支承叶身67的第一平台壁70并通过支承叶身的第二平台壁69构成。
不承力的第一平台壁70通过弹簧弹性的第一板件77以及另一方面由弹簧弹性的第二板件79构成。弹簧弹性的第一板件77贴靠在叶身67一侧的第一止挡81上。弹簧弹性的第二板件79贴靠在叶身67另一侧的第二止挡83上。第一止挡81和第二止挡83设计为槽的形式，弹簧弹性的第一板件77和弹簧弹性的第二板件79分别将其终止在叶身67上的棱边推入槽内。此外，弹簧弹性的第一板件77和弹簧弹性的第二板件79固定在涡轮叶片63的另一个止挡85、87上。按本实施形式，弹簧弹性的第一板件77和第二板件79分别靠在止挡85、87上。与之不同或附加地，弹簧弹性的板件77、79也可以分别倒扣住所述的另一个止挡85、87。
也就是说，以上述方式，在第一叶片级7、11与第二叶片级9、13的涡轮叶片21、23之间，由弹簧弹性的板件77、79构成流动通道5的边界。因此允许使用不承力的薄壁平台71，使形式上为弹簧弹性的第一板件77和弹簧弹性的第二板件79的流动通道边界，同时体现了弹簧弹性的板件77、79作为密封件的作用。此类密封件同时有足够的弹性，允许相邻的涡轮叶片相对运动，以及尽管如此仍有足够的密封效果。从而省去了如在迄今常见的平台中，为了密封接缝曾必要的密封件。由此避免了这种密封件有潜在危险的、结构和热力学方面不利的承接结构。在平台71背侧89构成形式上为空隙的第一冷却腔91和第二冷却腔93，它们允许平台71在涡轮叶片63根部的区域内，在从叶身67到平台71的过渡区域中最佳地冷却。以此方式，可以简单地设计要不然通常复杂设计的平台边缘结构，并可以设计为没有高温危险区。为了有助于在冷却腔91、93内的冷却，叶片65从叶身67根部出发的支承结构95、97优化设计为朝这里没有表示的叶根(图1中符号35、47)延续，以有利于冷却措施。
取决于形式上为图1所示的导向叶片21或形式上为图1所示的工作叶片23的涡轮叶片63工作方式，在燃气轮机1涡轮叶片63工作时，最终达到弹簧弹性的第一板件77和弹簧弹性的第二板件79在止挡81、83、85、87上的固定。也就是说，当形式上为在涡轮转子19上的工作叶片23的涡轮叶片63旋转运行时，产生一个由于旋转从叶身67的根部沿叶身67方向99作用的离心力。此外也出现如在导向叶片21中一样的压力梯度。
当形式上为图1所示在周缘涡轮机匣15上的导向叶片21的涡轮叶片65工作时，从平台71的背侧89那里，通过冷却剂产生一个从叶身67的根部沿叶身67、69方向的压力梯度。
在图2中用箭头不仅表示上述工作叶片23离心力的方向99，而且表示导向叶片21压力梯度的方向99，。因此，根据作为工作叶片23或导向叶片21的涡轮叶片63的设计，形式上为弹簧弹性的板件77、79的平台71，被离心力或被压力梯度压靠在止挡81、83上。以此方式，平台71弹簧弹性的板件77、79离心力固定或压力固定，并与此同时形成其在施加热燃气的流动通道5与平台71施加冷却剂的背侧89之间的隔离作用。
平台71承力的第二平台壁69有最佳设计的支承结构，和基于其设计可以获得一种在其边缘75也能方便地进入并冷却的平台。在叶身67的根部，从叶身67到平台71的过渡区也称复曲线区。
在此过渡区域65中，第一平台壁70有一空气动力学的倒圆曲线104。相应的弹簧弹性板件77、79基于其柔性设计，在其处于过渡区域65内的曲率，可以最佳地适应当地存在的条件及负荷。尤其是，此气动匹配的倒圆部分104，不仅关系到热燃气侧的工质流动，而且还关系到冷却流体101在平台71背侧89上及在冷却腔91、93内的流动。第一平台壁70的壁厚比第二平台壁69的壁厚小得多。承力的第二平台壁69在其过渡区域65中相对于第一平台壁70和朝叶身67的叶身壁68延续时有一个回缩的台阶103。在这里基本上保持叶身壁68的壁厚。以此方式构成作为空隙69用于冷却平台71的冷却腔91、93。冷却腔91、93的高度105基本上由台阶103的高度决定。
在复曲线区65内比在平台区内单位面积设更大量的冷却通孔107。这导致最佳地冷却复曲线区。为此的前提条件尤其是，不承力的第一平台壁70气动有利的倒圆部分104和在形式上为承力的第二平台壁69的叶身壁68的延续中相对于第一平台壁70回缩的台阶103走向。通过在过渡区65内设更多数量的冷却通孔107，也有利于尽可能减少在复曲线区内的材料聚集。
在图2中用箭头表示冷却剂101的导引。在这里，冷却剂101从平台71的背侧89首先流入平台区61和复曲线区65内，亦即不直接供叶身冷却。为此，在叶身67内部第二平台壁69之间，大体在台阶103的所在高度上，设相应的隔板109。确切地说，用于冷却复曲线区65的冷却剂101再用于冷却叶身67。为此目的，在复曲线区65的上部朝叶身67根部区方向，设另一个冷却空气孔111，冷却剂101通过它流入叶身67内部。
总之，对于一种涡轮叶片67，它包括一个沿叶片轴线73设置的叶身67和一个平台区61，后者设在叶身的根部和有一个横向于叶片轴线73延伸的平台71，其中，平台71有不支承叶身67的第一平台壁70和支承叶身67的第二平台壁69，为了保证平台区和从叶身67到涡轮叶片63平台71的过渡区65更好地冷却，并因而保证燃气轮机1流动通道5边界的冷却，按所建议的方案，叶身67的根部在从叶身67向平台71的过渡区域65内，第一平台壁70的过渡区段有一空气动力学的倒圆曲线104，以及，第二平台壁69的过渡区段则有一个从叶身67延续出的相对于第一平台壁70回缩的台阶103。

Claims (10)

1.一种涡轮叶片(63)，它包括一个沿一叶片轴线(73)设置的叶身(67)和一个平台区(61)，后者设在叶身的根部和有一个横向于叶片轴线(73)延伸的平台(71)，其中，该平台(71)有不支承叶身的第一平台壁(70)和支承叶身的第二平台壁(69)，其特征为：在所述叶身(67)的根部，在从叶身(67)向平台(71)过渡的区域(65)中，第一平台壁(70)在其过渡区段中有一空气动力学的倒圆曲线(104)，以及，第二平台壁(69)在其过渡区段中有一从叶身(67)延续出的并相对于第一平台壁(70)回缩的台阶(103)。
2.按照权利要求1所述的涡轮叶片(63)，其特征为，在所述第一平台壁(70)的倒圆部分(104)与第二平台壁(69)的台阶(103)之间，构成一个用于冷却平台(71)的空隙(91、93)。
3.按照权利要求1或2所述的涡轮叶片(63)，其特征为，所述空隙(91、93)有一个沿平台(71)的整个延伸区域基本上由所述台阶的高度决定的恒定的高度(105)。
4.按照权利要求1至3之一所述的涡轮叶片(63)，其特征为，所述第二平台壁(69)的壁厚大于第一平台壁(70)的壁厚。
5.按照权利要求1至4之一所述的涡轮叶片(63)，其特征为，所述第二平台壁(69)上有一些冷却通孔(107)，在所述过渡区域(65)内的单位面积所述冷却通孔(107)的数量大于在平台的其他区域内的单位面积所述冷却通孔(107)的数量。
6.按照权利要求1至5之一所述的涡轮叶片(63)，其特征为，所述第一平台壁(70)由一个贴靠在叶身(67)上的弹簧弹性的板件(77、79)构成。
7.按照权利要求1至6之一所述的涡轮叶片(63)，其特征为，所述平台(71)在叶身(63)两侧定性相同地延伸。
8.一种燃气轮机(1)，它包括一个沿轴线(3)延伸具有用于工质(M)的环形横截面的流动通道(5)、一个沿轴线(3)设在第一叶片级(7、11)后的第二叶片级(9、13)，其中，一个叶片级(7、9、11、13)有一定数量环形排列在流动通道(5)内沿径向延伸的按照上述任一项权利要求所述的涡轮叶片(63)。
9.按照权利要求8所述的燃气轮机(1)，其特征为，当形式上为在一个轴流式涡轮转子上的工作叶片(23)的涡轮叶片(63)旋转运行时，产生一个由于旋转从叶身的根部沿叶身方向(99)作用的离心力，此时，所述弹簧弹性的第一板件(77、79)被离心力压靠在一个止挡(81、85)上并因而被离心力固定。
10.按照权利要求8或9所述的燃气轮机(1)，其特征为，当形式上为在一周缘涡轮机匣上的导向叶片(21)的涡轮叶片(63)工作时，通过冷却剂产生一个从叶身的根部沿叶身方向(99)的压力梯度，此时，所述弹簧弹性的板件(77、79)由于此压力梯度压靠在一个止挡(81、83)上并因而被压力固定。
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