CN86108861A - 薄膜冷却叶片和涡轮 - Google Patents

Abstract

靠近燃气轮机的涡轮叶片部件表面产生冷却空 气薄膜，在冷却之后从涡轮内部排出的冷却空气， 通过调节内外压力的压比进行控制。其方法是有一 个沿涡轮纵向延伸的内腔，内腔中有许多固定的小 孔，使其中的冷却空气通过，从而形成与冷却空气 薄膜的外部小孔的预定关系。通过调节压比，外部 小孔的直径可以比以前的申请案的设计更大，因而 这些小孔可以预铸，而不需钻孔，而且可以被排列成 一定形式，使冷却空气薄膜对叶片部件的外表面的 覆盖更为充分。

Description

本发明涉及到燃气轮机，特别是涡轮和叶片的冷却问题。

众所周知，涡轮和与其相关的静叶片，在燃气轮机中的工作条件是极其恶劣的。我们也同样知道，涡轮运转时，发动机的效率随温度的增加而增加，温度越高，效率越高。很明显，有关燃气轮机的技术一直在不断地改造，以便使之能在较高的温度下工作，其方法无非是采用适宜的材料或改进冷却技术。

例如，上述发动机的涡轮叶片的工作温度高达2500°F（二千五百华氏度），这些发动机的叶片典型地被进行冷却，通过降低叶片内的热应力，以提高叶片的结构安全和疲劳寿命。

一种关于叶片冷却的早期方法，在阿斯品威尔（Aspinwall）所申请的，题为“涡轮叶片”的美国专利US3171631中表示出。在阿斯品威尔（Aspinwall）的申请中，冷却空气流向叶片的负压表面和正压表面之间的空腔。通过旋转导板或叶片改变气流在空腔中流动的位置，导板同时也作为加固叶片结构的支撑件。

随着时间的推移，更完善的、采用曲折的冷却通道的方法被研制出，如Kercher的题为“高温涡轮的冷却叶片结构”的美国专利US    3533712就是一例。Kercher提出了采用延伸通过叶片内腔的螺旋形通道，以便对叶片的不同部位提供适合的冷却。构成通道的叶片材料，对叶片提供了必要的结构支承。

在以后的专利中，如艾伦（Allen）等人的题为“空心涡轮叶片顶部隔板”的美国专利US    4073599，提出了采用与冷却叶片的其他技术相结合的复杂的冷却通道。例如，艾伦等人所提出的前缘区域是通过冷却空气的碰撞来冷却的，冷却空气是通过位于该叶片前缘区域内、沿叶高方向延伸的通道被排出的。

为了促进前缘区域的冷却效果，采用具有多重通路的复杂通道的涡轮机叶片冷却，以及采用单独或与隔带结合的薄膜冷却孔已成为最近许多专利的主题如，格雷夫等人的题为“燃气轮机的转子叶片的冷却”（薄膜冷却孔）的美国专利US    4177010;摩尔（Moore）等人的题为“涡轮叶片”（薄膜冷却孔和隔带）的美国专利US    4180373;多德（Dodd）等人的题为“燃气轮机的转子叶片的冷却”（薄膜冷却孔）的美国专利US    4224011;和亚马利克（yamarik）等人的题为“冷却转子叶片”（薄膜冷却孔和隔带）的美国专利US    4278400。这些叶片的特征是，在叶片前缘区域内壁厚相对较大处，具有大的冷却空气通道。

在多通路叶片的通道内，主要内热传递的机理是邻近壁的对流冷却。靠近通道壁的冷却空气流速较低的区域，减少了通道中热传递的效率，可能导致叶片的这些部位过热。摩尔等人的题为“涡轮叶片”的美国专利US    4180373，在弯曲通道的拐角区域内采用了一个隔带，它从壁上伸入通道，以防止气流在拐角处，由于邻近壁的作用而滞止。

很明显，在设计新式多通道、薄膜冷却涡轮叶片的冷却方案时的考虑之一是保证来自燃气通道的热的燃气在某些临界位置上不流向叶片内部，这些临界位置是由内外压力比的最小允许值决定的。

例如，在现有的第一级涡轮中，位于薄膜冷却喷射位置处的内外压力被测出有较大的内外压比的变化。很明显，内外压力比的最小值位于第五通道内的压力表面上（在特殊的结构试验里），而其他内部压力由所选择的最低值来确定。外部压力是由所选定的流道和叶片的空气动力来确定。在不影响涡轮气动效率的前提下，特别是在围绕叶片的外部表面位置的意义上，可以少量改变内部压力。上述同样适用于现有技术中所述的通道型流程的内部压力。

本发明的目的是在燃气轮机的叶片的薄膜冷却注入位置处，调整该处的内部压力，以便产生一个穿过调整的内部小孔（叶片的内部）的压力降，从而得到希望的压比，在叶片的外部表面上可以获得最好薄膜冷却。

本发明的一个特征是提供一个内部纵向闭合通道，它靠近叶片的内表面，以便向通道供给具有所需压力的冷却空气，这是由于流动的冷却空气首先经过一个预先固定尺寸的小孔和第二个预定小孔实现的，从而形成冷却空气薄膜。压比可以得到控制，以便增加排气孔的数量和提高薄膜冷却效率。

其他特征和优点将通过说明书和权利要求书及相应的附图进行说明，附图用图说明了本发明的具体实例。

图1是一个局部正视，局部剖视的视图，它表示一个被改进的，现有的五通道内部冷却的涡轮叶片，它包含有一个单通道的发明。

图2是一涡轮叶片的剖面图，它表示带有多通道的发明。

图3是表示一个涡轮叶片截面的压力表面的局部视图和表示薄膜冷却孔的布置的正视图。这些孔的布置方式与现有技术相比，可以增加孔的数量。

本发明的最好实施例;

在它的最佳实施例中，本发明是以在一个燃气轮机叶片上的应用而被描述。应当懂得，一个精通的技术将会被理解，它还有其他的应用，例如在叶片里。

如图1所示，涡轮叶片通常用标号10表示，它包括一个根部12，一个平台部分14和一个叶身部分16。涡轮叶片的运转和不同的冷却技术在已有的技术中有充分的说明，为了简单和方便起见，这里只叙述适用于本发明的叶片和它的冷却技术。冷却技术的详细细节依据参考上述专利，特别是美国专利4474532和在1970年9月8日授于W·E霍华德的美国专利US    3527543，所有这些专利在这里都被参考。从压力端观察，其中叶片的内部用如铸造的方式加工有一个由筒形壁18构成的通道16，筒形壁18沿叶片的纵向延伸，它是完全封闭的。壁18的一部分包含叶片的外表面（参照图2更清楚）。从图1中可以明白，通过许多预定尺寸的孔20，通道16与通道18相通。通道18是多数通道中的一个，最好是其最后一个通道，而多通道是上述现有技术中涡轮冷却叶片的典型方式。

图2所示为沿着叶片的叶弦方向获得的剖面，它更好地展示了薄膜冷却孔和通道内的调节压力的相互关系。注意图2所示的外形与图1所示的外形是不同的，但是两者的发明原理是相同的。

图2的外形是一个有五个通道的内部冷却结构，其通道由通道24、26、28、30和32组成。为了简单和方便起见，在这里仅对通道32加以说明，但是本发明可以用于其他所有通道。如图1所述，通道被铸造在叶片的内部，通道36和38是多通道中有代表性的二个，紧靠叶片48的压力面44和负压面46构成壁40和42，以此形成各自的通道。孔50和52的尺寸大小有一定限制，以便产生一个预定的压力降P₃-P₂。薄膜冷却孔54和56的尺寸也是预定的，它们可以是扩散型的。

通过预定孔50和54以及52和56的尺寸，局部压力或通道36和38的压力分别受到调节，以便提供有效的薄膜冷却。

根据本发明，将孔50与孔54相串连，孔54产生了空腔36中的调节压力，如果内外压力比是P₁/P₃而不是P₂/P₃，则可能使薄膜冷却孔的数量加倍，它将输送同样数量的冷却气流。

图3说明了叶片的压力面是如何可以容纳数量为本发明之外的其他方式的二倍薄膜冷却孔的。注意，扩散通道的孔54是交错排列的，在此之前的设计仅有一单排冷却孔来提供相同数量的冷却气流。

并且，因为对于相同冷却气流的冷却效果更好，本发明提供了改进的制造技术。对于利用一定量的冷却空气对其进行薄膜冷却的叶片如在现代的涡轮机发电厂那样，为了使其冷却气流保持在有竟争力的水平，这些设计需要有许多小孔。现在的铸造技术可以铸造出0.02～0.025英寸的孔，但是现有的叶片设计需要许多直径在0.014英寸左右的小孔。由于这些尺寸的孔不能铸造，他们必须用钻加工，额外需要增加40～50%的贵用，结果提高了叶片的成本。本发明的压力调节器允许将薄膜孔的尺寸增加到0.02～0.03英寸这一铸造范围。与目前技术的叶片相比，冷却气流的需要量或寿命都没有损失。也就是说，一个0.014英寸孔的节流被两个可铸的0.02英寸孔的节流所取代。通过铸造薄膜孔，本发明将减小涡轮叶片的成本40～50%，而并不降低冷却或系统性能。

本发明的优点，可调整局部内部压力，除上述讨论的优点和没有局限性外，其他优点是：1.对于一个特殊的叶片设计，可以通过减少需要的冷却气流改进其性能。2.因为降低了金属材料的温度而提高了叶片的寿命，或换句话说可以允许涡轮机在更高的温度下运转，使发动机的总效率提高。

应该明白，本发明不局限于在此描述的具体装置，在不脱离如下权利要求所确定的这个新原理的精神和范围的情况下，可以作出不同的变化和改变。

Claims (3)

1、一具有一叶片部件的燃气轮机涡轮，其叶片包括有内部空气冷却装置：一个在叶片的纵向形成的封闭式通道，该叶片有一表面被确定为压力面，另一个表面被确定为负压表面，在纵向上有一部分与上述第一壁或第二壁共用的上述的封闭式通道，为使空气在靠近上述的压力表面或负压表面附近排出，在其共用部分有许多小孔，在紧靠上述压力表面或负压表面形成一层冷却薄膜，在所述的封闭通道内，至少有一个用来疏导其中的冷却空气，其尺寸大小应能使通道的内部压力与叶片的外部压力的压比在预定的范围内的固定孔。

2、权利要求1所述涡轮，其特征是沿着上述封闭通道，在纵向包括有许多被隔开的固定孔。

3、权利要求2所述涡轮，其特征是上述封闭通道的壁是一个园柱形。

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