CN1997810B - 旋转式机械的叶片或轮叶 - Google Patents

Abstract

一种组件确定用于可绕旋转轴线(x)旋转的转子的叶片或者轮叶。组件的内部空间(10)由第一和第二壁(12)限定，并形成用于冷却液的通路。第一和第二肋(21、22)分别从第一和第二壁突出且彼此平行地延伸，以形成从肋的前端到后端的流体通路。这些肋在前端附近分别沿着第一和第三方向延伸，并在后端附近分别沿着第二方向和第四方向延伸。第一方向相对于第二方向倾斜。第三方向相对于第四方向倾斜。第一方向与第三方向相交。这些肋沿着连续的弯曲路径从前端延伸到后端。

Description

旋转式机械的叶片或轮叶

技术领域

本发明大体涉及一种涡轮机的组件，尤其是一种具有可绕旋转轴线旋转的转子的燃气轮机。该组件包括用于燃气轮机的导叶(guide vane)或者转子叶片(rotor blade)。

尤其是，本发明涉及这样一种组件，其确定用于具有可绕旋转轴线旋转的转子的旋转式机械的叶片(blade)和轮叶(vane)之一，该组件包括由彼此相对的第一壁和第二壁限定并具有入口和出口的内部空间，其中该内部空间形成从入口到出口的冷却液通道；第一肋，其从第一壁突出，并基本彼此平行地延伸，以形成从第一肋(21)前端到第一肋后端的第一流体通路，其中第一肋(21)在上述前端附近沿着第一方向、在上述后端附近沿着第二方向从上述前端延伸到上述后端，第一方向相对于第二方向倾斜；第二肋，其从第二壁突出，并基本彼此平行地延伸，以形成从第二肋前端到第二肋后端的第二流体通路，其中第二肋在上述前端附近沿着第三方向、在上述后端附近沿着第四方向从上述前端延伸到上述后端，第三方向相对于第四方向倾斜；其中第一方向与第三方向相交。

背景技术

已知的是，例如US-A-6,382,907提供了一种用于这种组件的冷却系统，其包括：相对于机械的旋转轴线且相对于冷却空气的流动方向成不同倾斜角度分别设置在第一壁和第二壁上，即吸入侧和压力侧的第一肋和第二肋。这些肋形成冷却液流经上述组件的矩阵。这些肋在它们的交叉部彼此相连，并连接到组件的中心面。在该现有技术文献中，组件具有彼此相连或彼此分开的前肋和后肋。

尽管该现有技术的冷却系统能够对该组件进行有效的冷却，但是如果冷却液不十分纯净，则可能发生如下的情况，即冷却液中的外来颗粒可能会堵在矩阵中。更糟糕的是，一些矩阵通路可能在接近前缘处堵塞，从而降低了系统的冷却性能。而且由于肋在组件的中心面连结，因此冷却通路的高度仅为冷却系统的总高度(即，组件的两个壁之间的距离)的50％。这在组件的后缘处特别重要，在该后缘处，冷却通路的高度在整个组件中最小。

SU-A-1228559公开了一种旋转式机械的转子叶片。该叶片包括内部空间，该空间形成了冷却液的通路且由彼此相对的第一壁和第二壁限定。肋从所述壁突出并基本彼此平行地延伸，以形成所述流体从内部空间的前缘入口部分到该内部空间的后缘出口部分的第一通路。这些肋被分为前缘入口部分处的前肋和后缘出口部分处的后肋。前肋在所述前缘部分处在第一方向上延伸，该第一方向相对于机械旋转轴线形成第一倾斜角度。后肋在所述后缘部分处在第二方向上延伸，该第二方向相对于所述旋转轴线形成第二倾斜角度。前肋中一些肋的后端沿着弯曲路径，从而具有递减的倾斜角度。

RU-C1-2042833公开了旋转式机械的另一种叶片。该叶片具有内部空间，该空间形成了冷却液的通路且由彼此相对的第一壁和第二壁限定。肋从所述壁突出并基本彼此平行地延伸，以形成所述流体从内部空间的前缘入口部分到该内部空间的后缘出口部分的第一通路。这些肋被分为前缘入口部分处的前肋和后缘出口部分处的后肋。前肋在所述前缘部分处在第一方向上延伸，该第一方向相对于机械旋转轴线形成第一倾斜角度。后肋在所述后缘部分处在第二方向上延伸，该第二方向相对于所述旋转轴线形成第二倾斜角度。第一角度明显小于第二角度。

US-A-3,806,274公开了一种燃气轮机的转子叶片，它具有内壁上的第一肋和相对壁上的相对的第二肋。但是，第一和第二肋通过一插入件彼此隔开，使得第一肋之间形成的流动通路与第二肋之间形成的流动通路完全隔开。

发明内容

本发明的目的是提供一种适于用作旋转式机械中的转子叶片或导叶的改进组件。另一目的是提供一种对冷却液中的灰尘和其他颗粒具有高阻力的组件。另一目的是提供一种在冷却液流动中空气动力损失较低的组件。另一目的是提供一种具有高机械强度和高机械整合度的组件。

这些以及其他的目的是通过最初限定的组件获得的，其特征在于，第一肋沿着基本上连续的弯曲路径从前端延伸到后端，第二肋沿着基本上连续的弯曲路径从前端延伸到后端。

通过这种连续的弯曲路径，通路将比较平滑，从而保证冷却液流动时空气动力损失较小。而且，平滑的通路减小了灰尘和其他颗粒在内部空间中、更准确地是在内部空间的通路矩阵中堵塞的危险。因为所提出的方案提供了一种连续的结构，而没有任何可能导致应力集中的尖锐角度，所以该方案因肋倾斜的连续变化还保证组件的高机械整合性。通过内部空间中通路矩阵的交叉通路布置，冷却液可以均匀地分配在组件内，以提供整个组件的有效冷却。第一肋将改善第二通路中的湍流，第二肋将改善第一通路中的湍流。

根据本发明的实施例，组件适于安装到转子，以使第一方向相对于旋转轴线形成第一倾斜角度。有利的是，组件可适于安装到转子，以使第一方向远离旋转轴线从前端倾斜。这意味着冷却液将沿着平滑的倾斜路径从设置在组件根部附近的入口流到组件的后缘。而且，组件还可适于安装到转子，以使第三方向相对于旋转轴线形成第三倾斜角度。

根据本发明的另一实施例，第一和第二肋在后端附近的相交接点处相交，以使第一通路和第二通路形成具有通流面积(flow area)的共同出口通路。由于这些肋的对齐延伸，组件的压力侧和吸入侧之间的接触在后端附近得到很大的改善。这提供了更大的接触面积，从而在组件的不同侧之间提供了更高的热流量，并减少了两侧的温度差。因此，后缘附近的热应力降低。每一共同出口通路具有从第一壁到第二壁的高度，其中，每个第一通路和第二通路具有分别从第一壁和第二壁延伸到第二肋和第一肋的高度。由于后端处肋的平行延伸，共同通路的高度与现有技术的设计相比得以增加。由于组件在后缘附近通常具有冷却通道的最小高度，因此这种设计显著地减小了通路被外来物质堵塞的可能性。

根据本发明的另一实施例，第一和第二肋沿着它们的延伸部具有主要厚度，其中，第一和第二肋在相交接点处的厚度大于所述主要厚度，因而可以减小共同通路的通流面积。通过这种设计，就可以提高后缘处的冷却效率。而且，可以提高组件的机械强度。

根据本发明的另一实施例，第二方向基本平行于第四方向。第一肋形成的通路和第二肋形成的通路在后端附近彼此平行地延伸，且形成共同出口通路。而且，第二方向和第四方向可以基本平行于旋转轴线。因此，共同通路将基本平行于旋转轴线延伸。但是，还可以使第二方向和第四方向相对于旋转轴线稍微倾斜，尤其是该倾斜可以沿着组件的后端变化，使得共同出口通路在组件底部朝向旋转轴线稍稍向下倾斜，在组件中部基本平行于旋转轴线，并在组件顶部远离旋转轴线稍微向上倾斜。通过这种方式，从组件出口流出的流体将被分出。

根据本发明的另一实施例，第一肋在方向彼此相交处直接连接到第二肋，其中，流体可以从第一通路流到第二通路，反之亦然。通过这种设置，可以保证组件的高强度，同时可以利用内部空间的体积，用于冷却液的流动。

根据本发明的另一实施例，组件适于安装到转子，使得第三方向从前端朝向旋转轴线倾斜。而且，组件可适于安装到转子，以使第一肋设置在组件的压力侧且第二肋设置在组件的吸入侧。通过肋的这种设计，在组件压力侧冷却液热传递的增强将更大，这在组件为转子叶片的情况下是有利的，因为压力侧的冷却效果得以增加，其中压力侧的温度比转子叶片吸入侧的温度高。第一和第三方向的角度的绝对值可以不同，但根据本发明的实施例它们基本相等。第一和第三方向的角度可以为30-80°，优选为50-80°，最为优选为60-70°。

根据本发明的另一实施例，第一肋在前缘区域和后缘区域上延伸。组件可以包括附加的第一肋，该附加的第一肋从第一壁突出且在后缘区域基本彼此平行地延伸到后端，其中，附加的第一肋平行于第一肋延伸，使得基本上每一个附加的第一肋设置在两个相应的相邻第一肋之间，从而基本上将每一个第一通路分成在后缘区域上延伸的两个平行的部分通路。

根据本发明的另一实施例，第二肋在前缘区域和后缘区域上延伸。组件可以包括附加的第二肋，该附加的第二肋从第二壁突出且在后缘区域基本彼此平行地延伸到后端，其中，附加的第二肋平行于第二肋延伸，使得基本上每一个附加的第二肋设置在两个相应的相邻第二肋之间，从而基本上将每一个第二通路分成在后缘区域上延伸的两个平行的部分通路。

根据本发明的另一实施例，附加的第一和第二肋在后端附近的相交接点处相交，使得每个源于第一通路的部分通路和源于第二通路的其中一个部分通路一起形成具有通流面积的共同出口通路。而且附加的第一和第二肋可以沿着它们的延伸部具有主要厚度，其中，附加的第一和第二肋在相交接点处的厚度大于所述主要厚度，因而减小了共同通路的通流面积。附加肋限制了后缘附近冷却通路的面积，并且因表面积增加而为转子叶片的壁提供了更好的冷却。由于附加肋位置处倾斜角度的平滑变化，因附加肋导致的空气动力损失可以保持在较低的水平上。

根据本发明的另一实施例，内部空间沿着组件的中心轴线从邻近入口的底部延伸到相对的顶部。内部空间在入口下游和前端上游还可包括分配腔，该分配腔适于将冷却液从入口分配到基本上所有的通路。有利的是，分配腔从底部延伸到顶部。

附图说明

下面，通过对各实施例的描述并结合附图更详细地对本发明进行说明。

图1示出了燃气轮机的纵向截面图。

图2示出了燃气轮机的转子叶片的轴向截面图。

图3示出了转子叶片沿着图2中的线III-III的横截面图。

图4示出了图2中转子叶片的一部分的放大截面图。

图5示出了根据另一实施例的转子叶片的轴向截面图。

具体实施方式

图1示意性地公开了一种具有固定壳体1和转子2的燃气轮机，转子2可绕旋转轴线x在壳体1内旋转。燃气轮机包括多个安装到转子2的转子叶片3和多个安装到壳体1的固定导叶4。

由此，每个转子叶片3和导叶4形成燃气轮机的组件。尽管下列描述中所指的组件是转子叶片3的形式，但是应该知道，本发明也可以应用于导叶4，下文中描述的特征也可以包括在固定导叶4中。

图2和3中进一步公开了上述组件，即，在该情况下为转子叶片3。转子叶片3包括内部空间10，该空间由第一壁11和相对的第二壁12限定。第一壁11和第二壁12彼此面对。第一壁11设置在转子叶片3的压力侧，而第二壁12设置在转子叶片3的吸入侧。而且，转子叶片3具有前缘13、后缘14、顶部15和底部16。底部16形成了转子叶片3的根部。转子叶片3以这样的方式安装到转子2的本体，使得根部附接到转子2的本体，而顶部15位于转子2的径向最外面的位置。转子叶片3沿着通过转子2延伸的中心轴线y、基本平行于前缘13和后缘14、从底部16延伸到顶部15。中心轴线y基本垂直于旋转轴线x。

转子叶片3具有通向内部空间10的入口17和离开内部空间10的出口18。入口17设置在底部16，出口18设置在后缘14处。内部空间10由此构成了冷却液从入口17到出口18的通道。内部空间10在相对于旋转轴线x的大致径向方向且平行于中心轴线y从底部16延伸到顶部15。内部空间10包括分配腔19和通路矩阵20。分配腔19位于内侧并在前缘13的附近，并从入口17平行于中心轴线y延伸。通路矩阵20位于分配腔19和后缘14之间。通路矩阵20从底部16延伸到顶部15。

转子叶片3的通路矩阵20由从第一壁11突出的第一肋21和从第二壁12突出的第二肋22形成。第一肋11基本彼此平行地延伸，从而形成从通路矩阵20的前端到通路矩阵20的后端的第一流体通路23。第二肋22基本彼此平行地延伸，从而形成从通路矩阵20的前端到通路矩阵20的后端的第二流体通路24。

第一肋21沿着基本上连续的弯曲路径从通路矩阵20的前端延伸到通路矩阵20的后端。该路径具有这样的曲率，即第一肋21在第一肋21的前端附近沿着第一方向并在第一肋21的后端附近沿着第二方向延伸。第一方向相对于第二方向倾斜。第一方向相对于旋转轴线x形成第一倾斜角度α。第二方向基本平行于旋转轴线x，因此基本垂直于中心轴线y。

第二肋22沿着基本上连续的弯曲路径从通路矩阵20的前端延伸到通路矩阵20的后端。该路径具有这样的曲率，即第二肋22在通路矩阵20的前端附近沿着第三方向并在肋矩阵20的后端附近沿着第四方向延伸。第三方向相对于第四方向倾斜。第三方向相对于旋转轴线x形成第三倾斜角度β。第四方向基本平行于旋转轴线x和第二方向，因此基本垂直于中心轴线y。

因此，转子叶片3适于以这样的方式安装到转子2，使得第一方向远离旋转轴线x从前端倾斜，而第三方向从前端朝向旋转轴线x倾斜。第一、第三方向的角度α、β的绝对值在所公开的该实施例中基本相等。角度α、β的绝对值可以是区间30-80°中、优选是区间50-80°中、最优选是区间60-70°中的任何值。但是应该注意的是，第一方向的倾斜角度的绝对值可以与第三方向的有所不同，以便于提供叶片3不同侧的热传递之间的最佳一致性。

从图2明显看出，第一方向与第三方向相交。因此，第一肋21在通路矩阵20的多个位置处与第二肋22相交。第一肋21还可以直接连接或连结到第二肋22，在该情况下，肋21、22彼此相交，而没有任何中间元件。尤其是，应该注意的是，第一肋21和第二肋22在通路矩阵20的后端附近相交于相交接点26，使得第一通路23和第二通路24合并以形成具有通流面积的共同出口通路27。每一共同出口通路27均具有从第一壁11到第二壁12的高度H。每个第一通路23和第二通路24具有分别从第一壁11和第二壁12延伸到第二肋22和第一肋21的高度h。图3示出内部空间中冷却液可获得的总高度。而且，该总高度从分配腔19朝向后缘14递减。靠近第一肋21和第二肋22彼此平行延伸的出口18处，共同通路的高度H对应于内部空间10的总高度。

第一肋21和第二肋22沿着大致其所有延伸部具有主要厚度。但是，第一肋21和第二肋22在后端附近的相交接点26处的厚度大于主要厚度。因此，基本上每一相交接点26都提供了两个合并的肋21和22的加厚部分。相交接点26连接叶片3的压力侧和吸入侧。每一相交接点26的宽度B可以比肋21、22的主延伸部的宽度b大1，1到3倍。

在图4所示的截面中，每一相交接点26可以看成是大致圆柱形的销。圆柱销经由上游角带31和下游角带32连接到相应的肋21、22。根据通路中的流动方向，角带31和32可以具有不同的半径。上游角带31的半径适于做得较小，即从0.1*b到1*b，以便于利用空气的动能增加热传递。下游角带的半径可以做得较大，例如从0.1*b到10*b，从而产生通路在其端部的平滑膨胀。这减小了直接在相交接点26后的损失，从而可以在出口18处产生高速率。

通路矩阵20和第一、第二肋21、22在邻近分配腔19的前缘区域35以及邻近前缘区域35和出口18的后缘区域36上延伸。而且，转子叶片3的通路矩阵20包括附加的第一肋21′，第一肋21′从第一壁11突出且在后缘区域36上基本彼此平行地延伸到后端。该附加的第一肋21′平行于第一肋21延伸，使得基本上每一个附加的第一肋21′都设置在两个相应的相邻第一肋21之间，从而基本上将每一个第一通路23分成在后缘区域36上延伸的两个平行的部分通路23′。通路矩阵20还包括附加的第二肋22′，该第二肋22′从第二壁12突出且在后缘区域36上基本彼此平行地延伸到后端。该附加的第二肋22′平行于第二肋22延伸，使得基本上每一个附加的第二肋21′设置在两个相应的相邻第二肋22之间，从而基本上将每一个第二通路24分成在后缘区域36上延伸的两个平行的部分通路24′。

附加的第一肋21′和第二肋22′在后端附近的相交接点26′处相交，以使每个源于第一通路23的部分通路23′和源于第二通路24的其中一个部分通路24′一起合并形成具有通流面积的共同出口通路27′。

除了长度以外，附加肋21′、22′基本等于肋21、22，也就是，附加肋21′、22′明显地比肋21、22短。平行于肋21、22的附加肋21′、22′将其倾斜角连续地从5°-60°变化为0°。它们在后缘区域36的开始处也就是倾斜角最大的地方与肋21、22相连。

图5公开了转子叶片3的另一实施例，其与图2-4中的实施例的不同之处在于，转子叶片没有附加肋，或者换句话说，除了在矩阵20的上端和下端以外，所有的肋21、22具有基本相同的长度。

本发明并不限于上述的实施例，而是可以在所附权利要求的范围内进行变化和修改。例如，本发明可以在不加厚相交接点的条件下以所示的结构实施。

Claims (20)

1.一种组件，确定用于具有可绕旋转轴线(x)旋转的转子(2)的旋转式机械的叶片和轮叶之一，所述组件包括：

内部空间(10)，其由彼此面对的第一壁(11)和第二壁(12)限定，并具有入口(17)和出口(18)，其中，内部空间(10)形成从入口(17)到出口(18)的冷却液通路，

第一肋(21)，从第一壁(11)突出且彼此平行地延伸，以形成从第一肋(21)的前端到第一肋(21)的后端的第一流体通路(23)，其中，第一肋(21)在前端附近沿着第一方向并在后端附近沿着第二方向从前端延伸到后端，第一方向相对于第二方向倾斜，和

第二肋(22)，从第二壁(12)突出且彼此平行地延伸，以形成从第二肋(22)的前端到第二肋(22)的后端的第二流体通路(24)，其中，第二肋(22)在前端附近沿着第三方向并在后端附近沿着第四方向从前端延伸到后端，第三方向相对于第四方向倾斜，

其中，第一方向与第三方向相交，并且其中，第一壁(11)和第二壁(12)在平行于旋转轴线(x)的横截面中弯曲，

其特征在于，第一肋(21)沿着连续的弯曲路径从前端延伸到后端，第二肋(22)沿着连续的弯曲路径从前端延伸到后端；

第一和第二肋(21、22)在后端附近的相交接点(26)处相交，使得第一通路(23)和第二通路(22)形成具有通流面积的共同出口通路(27)；

第二方向平行于第四方向；并且

所述弯曲包括在垂直于第一壁(11)和第二壁(12)弯曲的平面中的弯曲。

2.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述组件适于以这样的方式安装到转子(2)，使得第一方向相对于旋转轴线(x)形成第一倾斜角度(α)。

3.如权利要求2所述的组件，其特征在于，所述组件适于以这样的方式安装到转子(2)，使得第一方向远离旋转轴线(x)从前端倾斜。

4.如权利要求1-3中任一项所述的组件，其特征在于，所述组件适于以这样的方式安装到转子(2)，使得第三方向相对于旋转轴线(x)形成第三倾斜角度(β)。

5.如权利要求1所述的组件，其特征在于，每一个共同出口通路具有从第一壁(11)到第二壁(12)的高度(H)，其中每个第一通路(23)和第二通路(24)具有分别从第一壁(11)和第二壁(12)延伸到第二肋(22)和第一肋(21)的高度(h)。

6.如权利要求1和5中任一项所述的组件，其特征在于，第一和第二肋(21、22)沿着其延伸部具有主要厚度(b)，其中，第一和第二肋(21、22)在相交接点(26)处的厚度大于所述主要厚度，从而使共同通路(27)的通流面积减小。

7.如权利要求1、2、3和5中任一项所述的组件，其特征在于，第二方向和第四方向平行于旋转轴线(x)。

8.如权利要求1、2、3和5中任一项所述的组件，其特征在于，第一肋(21)在方向彼此相交处直接连接到第二肋(22)。

9.如权利要求1、2、3和5中任一项所述的组件，其特征在于，所述组件适于以这样的方式安装到转子(2)，使得第三方向从前端朝向旋转轴线(x)倾斜。

10.如权利要求1、2、3和5所述的组件，其特征在于，所述组件适于以这样的方式安装到转子(2)，使得第一肋(21)设置在所述组件的压力侧，并且第二肋(22)设置在所述组件的吸入侧。

11.如权利要求1、2、3和5中任一项所述的组件，其特征在于，第一和第三方向的角度(α、β)的绝对值相等。

12.如权利要求1、2、3和5中任一项所述的组件，其特征在于，第一肋(21)在前缘区域(35)和后缘区域(36)上延伸。

13.如权利要求12所述的组件，其特征在于，所述组件包括附加的第一肋(21′)，该附加的第一肋(21′)从第一壁(11)突出且在后缘区域(36)上彼此平行地延伸到后端，其中，所述附加的第一肋(21′)平行于第一肋(21)延伸，使得每一个附加的第一肋(21′)设置在两个相应的相邻第一肋(21)之间，从而将每一个第一通路(23)分成在后缘区域(36)上延伸的两个平行的部分通路(23′)。

14.如权利要求12所述的组件，其特征在于，第二肋(22)在前缘区域(35)和后缘区域(36)上延伸。

15.如权利要求14所述的组件，其特征在于，所述组件包括附加的第二肋(22′)，该附加的第二肋(22′)从第二壁(12)突出且在后缘区域(36)上彼此平行地延伸到后端，其中，所述附加的第二肋(22′)平行于第二肋(22)延伸，使得每一个附加的第二肋(22′)设置在两个相应的相邻第二肋之间，从而将每一个第二通路(24)分成在后缘区域(36)上延伸的两个平行的部分通路(24′)。

16.如权利要求13所述的组件，其特征在于，附加的第一和第二肋(21′，22′)在后端附近的相交接点(26′)处相交，使得每一个源于第一通路(23)的部分通路(23′)与源于第二通路(24)的其中一个部分通路(24′)一起形成具有通流面积的共同出口通路(27′)。

17.如权利要求16所述的组件，其特征在于，附加的第一和第二肋(21′，22′)沿着其延伸部具有主要厚度，其中，附加的第一和第二肋(21′，22′)在相交接点(26′)处的厚度大于所述主要厚度，从而减小了共同通路(27′)的通流面积。

18.如权利要求1、2、3和5中任一项所述的组件，其特征在于，内部空间(10)沿着所述组件的中心轴线(y)从邻近入口(17)的底部(16)延伸到相对的顶部(15)。

19.如权利要求1、2、3和5中任一项所述的组件，其特征在于，内部空间(10)在入口(17)的下游和肋前端的上游包括分配腔(19)，该分配腔(19)适于将冷却液从入口(17)分配到所有的通路。

20.如权利要求18所述的组件，其特征在于，分配腔(10)从底部(16)延伸到顶部(15)。

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