涡轮叶片 |
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| 申请号 | CN201380015613.6 | 申请日 | 2013-03-21 | 公开(公告)号 | CN104204412A | 公开(公告)日 | 2014-12-10 |
| 申请人 | 阿尔斯通技术有限公司; | 发明人 | M.施尼伊德; S.施楚金; | ||||
| 摘要 | 说明了一种用于流动 旋转机 器的 涡轮 叶片 ，其带有叶片叶(4)，叶片叶由凹状的压 力 侧壁 (6)和凸状的抽吸侧壁(7)限制，所述侧壁在可与叶片叶(4)关联的叶片前棱边(5)的区域中相连接并且包围在叶片前棱边(5)的纵向延伸中延伸的空腔(9)，该空腔以内壁方式由在叶片前棱边(5)的区域中的压力侧壁(6)和抽吸侧壁(7)以及由在相对于叶片前棱边(5)的纵向上延伸的将抽吸侧壁(7)和压力侧壁(6)以内壁方式连接的间壁(8)限制。所公开的叶片特征在于，间壁(8)在到抽吸侧壁(7)和/或压力侧壁(6)处的联接区域中至少逐段地具有穿孔部(16)，以提高间壁(8)的弹性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于流动旋转机器的涡轮叶片，其带有叶片叶(4)，所述叶片叶由凹状的压力侧壁(6)和凸状的抽吸侧壁(7)限制，所述侧壁在可与所述叶片叶(4)关联的叶片前棱边(5)的区域(B)中相连接并且包围在所述叶片前棱边(5)的纵向延伸中延伸的空腔(9)，所述空腔以内壁方式由在所述叶片前棱边(5)的区域中的所述压力侧壁(6)和抽吸侧壁(7)以及由在相对于所述叶片前棱边(5)的纵向上延伸的以内壁方式将所述抽吸侧壁(7)和所述压力侧壁(6)连接的间壁(8)限制，其特征在于，所述间壁(8)在到所述抽吸侧壁(7)和/或压力侧壁(6)处的联接区域中至少逐段地具有穿孔部(16)以在所述联接区域中提高所述间壁的弹性。 |
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| 说明书全文 | 涡轮叶片技术领域[0001] 本发明涉及一种用于流动旋转机器(Stroemungsrotationsmaschine)的涡轮叶片，其带有叶片叶(Schaufelblatt)，叶片叶由凹状的压力侧壁和凸状的抽吸侧壁限制，侧壁包围由压力侧壁和抽吸侧壁以及由在纵向上延伸的以内壁方式(innwandig)将抽吸侧壁和压力侧壁连接的间壁(Zwischenwand)限制的空腔。 背景技术[0003] 这样的涡轮叶片的耐热性一方面源于耐热材料的使用而另一方面源于直接暴露于热气的涡轮叶片的最高效的冷却，其为了以冷却剂、优选地冷却空气连续流过和加载的目的具有相应的空腔，空腔联接到燃气涡轮组件的冷却剂供给系统(其为了所有暴露于热的燃气涡轮部件的冷却在燃气涡轮运行期间由此尤其给涡轮叶片提供冷却空气)处。 [0004] 传统的涡轮叶片具有叶片根部(Schaufelfuss)，叶片叶径向地间接或直接联接到叶片根部处，叶片叶具有凹状成形的压力侧壁以及凸状成形的抽吸侧壁，它们在叶片前棱边(Schaufelvorderkante)的区域中一体地相连接并且在它们之间限制有间隙，为了冷却目的从叶片根部的侧以冷却空气来供应该间隙。在此，概念“径向地”表示在径向于转子单元的旋转轴线定向的燃气涡轮组件内的装配状态中的涡轮叶片延伸。为了对于涡轮叶片的优化的冷却进行在抽吸侧壁与压力侧壁之间所包围的间隙内的冷却空气供给和分布，该间隙设有径向伸延的间壁，其分别将径向地在叶片叶内定向的空腔彼此隔开，其中的一些空腔具有流体连接。在沿着空腔的合适部位处在涡轮叶片前和/或后棱边的区域中或者在涡轮叶片顶端处在抽吸或压力侧壁中设置有通过孔(Durchtrittsoeffnung)，使得冷却空气可向外漏到涡轮级的热气通道中。 [0005] 由文件EP 1 319 803 A2可得悉一种为了冷却目的优化的燃气涡轮叶片，其在涡轮叶片叶内设置多个径向定向的冷却通道空腔，它们分别曲折形地流体连接并且根据不一样强地热负载的叶片叶区域被以或多或少的冷却空气流过。尤其适合于以特别有效的方式冷却叶片前棱边的经受热气的最大的流动和热暴露的区域。对此，以内壁方式相对于叶片前棱边纵向地延伸有空腔，其由在叶片前棱边处联合的抽吸和压力侧壁以及由以内壁方式将抽吸和压力侧相互连接的间壁限制并且其从叶片根部侧被供应以冷却空气。通常，流过空腔的冷却空气向外到达叶片叶顶端的区域中。为了改善在叶片叶壁与流过空腔的冷却空气之间的热传递，此外沿着包围空腔的壁区域设置有使冷却空气流动成漩涡的结构。 [0006] 在文件US 5,688,104中说明了涡轮叶片的叶片前棱边区域的另一优选的冷却。沿着叶片前棱边伸延有空腔，其一方面由在叶片前棱边处联合的抽吸和压力侧壁以及由在叶片叶内将抽吸和压力侧壁刚性地相互连接的间壁限制。沿着叶片前棱边伸延的空腔被供应以冷却空气，其仅通过设置在间壁内的冷却通道开口进入空腔中。直线地构造的间壁在径向的纵向延伸中设有多个单独的通过通道，冷却空气通过其从邻接的径向伸延的冷却通道沿着叶片叶以冲击冷却的形式在叶片前棱边的方向上进入前述空腔内。为了导出被引入空腔中的冷却空气，沿着叶片前棱边分别设置有指向抽吸和压力侧壁的薄膜冷却开口，被引入空腔内的冷却空气通过其在构造薄膜冷却的情况下分别在压力以及抽吸侧壁处被带出。 [0007] 为了改善尤其涡轮叶片的叶片前棱边的冷却效果，提出利用已知的冷却技术一方面提高冷却空气供给，另一方面优化冲击冷却的冷却机构。 [0008] 为了尤其在叶片前棱边的区域中优化的耐热性的目的具有上述冷却措施的涡轮叶片然而在叶片前棱边区域中沿着压力和抽吸侧壁常常显示出疲劳现象，其在最终阶段中通过形成裂纹显现出。对于这样的裂纹形成的基础在于在叶片前棱边区域中在抽吸和压力侧壁内出现热机械应力，其源于在叶片叶的被冷却空气加载的内部的壁区域与热气加载的叶片前棱边之间的高温差。尤其在燃气涡轮组件的瞬态运行状态的情况中，如其在涡轮级中载荷变化时或在起动时出现的那样，可出现大约1000℃的在热气加载的叶片前棱边与以冷却空气加载的间壁和内壁区段之间的温差。显然，在这样大的温差下沿着叶片前棱边在抽吸侧壁和压力侧壁内出现显著的热机械应力，如前面所提及的那样，其导致显著的材料负载。 发明内容[0009] 本发明目的在于由此改进一种用于流动旋转机器的涡轮叶片(其带有叶片叶，该叶片叶由凹状的压力侧壁和凸状的抽吸侧壁限制，这些侧壁在可与叶片叶关联的叶片前棱边的区域中相连接并且包围在叶片前棱边的纵向延伸中延伸的空腔，该空腔以内壁方式由在叶片前棱边的区域中的压力和抽吸侧壁以及由相对于叶片前棱边在纵向上延伸的以内壁方式将抽吸和压力侧壁连接的间壁限制)，即在叶片前棱边的区域中应减少直至完全避免由温差引起的疲劳现象，以便以该方式改善强烈地暴露于热的涡轮叶片的使用寿命。 [0010] 为此必需的措施应尽可能不损害、而是此外改善和支持本身已知的冷却措施。为此必需的措施还应既不需要成本集中的也不需要关于制造昂贵的花费。 [0011] 根据解决方案的用于流动旋转机器的涡轮叶片具有叶片叶，其由凹状的压力侧壁和凸状的抽吸侧壁限制。这些侧壁在可与叶片叶关联的叶片前棱边的区域中相连接并且包围在叶片前棱边的纵向延伸中延伸的空腔，该空腔以内壁方式由在叶片前棱边区域中的压力和抽吸侧壁以及由相对于叶片前棱边在纵向上延伸的以内壁方式将抽吸侧壁和压力侧壁连接的间壁限制。该间壁以及抽吸和/或压力侧壁是连续的部件。这典型地制造为铸件。所公开的涡轮叶片特征在于，间壁在到抽吸和/或压力侧壁的联接区域中至少逐段地具有穿孔部(Perforierung)，以提高弹性。在此大量的孔可理解为穿孔部。其典型地沿着线布置。典型地，该线至少逐段是直的。例如可沿着直线布置三个或更多个孔。尤其因此提高了间壁的弹性。通过弹性的联接区域，间壁不那么加强地作用到整个叶片上，从而也减小在压力侧壁与抽吸侧壁之间的张紧。在此，间壁的邻接到抽吸和/或压力侧壁处的区域被称为间壁到抽吸和/或压力侧壁处的联接区域。联接区域可延伸直至抽吸侧壁与压力侧壁之间的距离的四分之一。典型地，联接区域延伸到一距离上，其小于间壁的厚度或者小于间壁的厚度的一至两倍。根据一实施方案，联接区域限制于在从间壁到抽吸和/或压力侧壁的过渡部中的倒圆或凹槽(Hohlkehle)。根据另一实施方案，联接区域限制于从侧壁起的一区域，该侧壁相应于在从间壁到抽吸和/或压力侧壁的过渡部中的倒圆或凹槽的半径的两倍。 [0012] 本公开基于该认识，即在暴露以热气的涡轮叶片的叶片前棱边区域中的疲劳裂纹形成主要可追溯于，刚性地构造的、始终以冷却空气环流的间壁(其在叶片叶内直接后置于叶片前棱边且将抽吸侧壁和压力侧壁固定地相连接)的不屈服性机械地抵抗在叶片前棱边区域中压力和抽吸侧壁的由热引起的膨胀和收缩趋势，由此，被强烈加热地暴露于热的抽吸和压力侧壁经受提高的内部机械应力，其又引起高的材料应力，这最终导致减少使用寿命的疲劳现象。为了对付引起疲劳现象的机械约束(其沿着叶片前棱边作用到压力和抽吸侧壁区域上)，直接后置于叶片前棱边的间壁(其与压力和抽吸侧壁的内壁共同限制沿着叶片前棱边伸延的空腔)根据解决方案被改进成使得间壁或者说间壁的联接区域经历弹性，由此可至少部分地屈服于抽吸侧壁和压力侧壁区域沿着叶片前棱边的由热引起的膨胀和收缩趋势。对此，不同于在间壁与抽吸和压力侧壁之间的传统刚性壁连接，间壁至少在与侧壁的联接区域处具有穿孔部，通过其可实现前述的弹性。 [0013] 根据一实施形式，穿孔部包括成排的柱状的孔。根据另一实施形式，穿孔部包括成排的长孔或槽缝(Schlitz)，其长侧平行于分别相邻的抽吸或压力侧壁延伸。 [0014] 通过间壁联接到侧壁处，形成相对厚的材料聚集，其表面积与体积的比例比在自由的壁区段中小得多。在内侧上，此外通过该联接来阻碍壁的流动，使得在热气或冷却空气温度的瞬态变化中在联接区域中叶片材料的温度比在自由的壁区段中的材料温度更缓慢地变化。这导致附加的热应力，其被穿孔部减小。 [0015] 典型地，间壁到抽吸和/或压力侧壁处的联接区域甚至构造有倒圆或凹槽。这些凹槽在铸造的叶片中受制造限制。通过其一方面减小在壁联接处的应力集中，另一方面通过凹槽还增大在间壁到抽吸和/或压力侧壁处的联接区域中的材料聚集。在联接区域中的穿孔部改善在壁的内侧上的热传递，从而可更好地跟随瞬态的温度变化。为了进一步抵抗材料聚集的效应和改善在联接区域中的热传递，根据一实施形式穿孔部至少部分地伸延通过凹槽。 [0016] 在涡轮叶片的一优选的实施形式中，间壁在从抽吸侧壁至压力侧壁或反过来的延伸中具有偏离于直线的壁走向的、弯曲地构造的至少一个壁区段。该弯曲提高了弹性，使得尤其结合间壁的穿孔的联接区域得到柔性的间壁。 [0017] 在一优选的实施形式中，直接面向叶片前棱边的间壁(其将抽吸和压力侧内壁相互连接)具有“V”或“U”形的壁横截面，其优选地在间壁的整个径向长度上延伸。根据解决方案这样构造的间壁的弯曲(其走向从抽吸侧壁延伸至压力侧壁或反过来并且恰好在该空间方向上使弯曲引起的壁弹性成为可能)允许在叶片前棱边区域中由热引起的抽吸和压力侧壁的膨胀的情况中通过弯曲的间壁的弹性延展屈服于抽吸和压力侧壁相对于彼此间隔开的趋势。 [0018] 在相反的由热引起的材料收缩(其导致在叶片前棱边区域中在压力侧壁与抽吸侧壁之间的相互的间距减小)的情况中，弯曲地构造的间壁通过壁曲率的提高能够跟随减小的壁间距。 [0019] 根据另一实施形式，涡轮叶片在间壁的“v”或“u”形地构造的横截面的基底处至少逐段地具有穿孔部，其平行于联接区域的穿孔部伸延，以提高弹性。总地来说，由此在“v”或“u”形地构造的横截面的两个边腿之间对于间壁产生一铰链式结构，其使边腿围绕穿孔部的旋转运动成为可能，并且因此负责在压力侧壁与抽吸侧壁之间的相互间距变化时的平衡。 [0020] 通过间壁的上述挠曲性，在叶片前棱边区域中在压力侧壁与抽吸侧壁之间的相互间距可根据温度水平调整，而在此在压力和抽吸侧壁内尤其在至处于内部的间壁的连接区域中不出现有害的机械应力。 [0021] 当然可考虑使相关的间壁构造有不同于“V”或“U”壁横截面形状的弯曲地构造的壁轮廓。由此，例如以在横截面中波浪形或手风琴式地构造的间壁形状是可能的。然而所有这样的待根据解决方案构造的壁区段共同的是，其具有弯曲引起的壁弹性并且通过穿孔部柔性地联接到外壁处。 [0022] 为了进一步改善壁弹性，一优选的实施例设置成与在叶片前棱边区域中抽吸和压力侧壁的壁厚相比至少局部地以相同的或优选地更小的间壁厚度来构造间壁。不必然需要的是，间壁必须沿着其整个壁横截面具有保持相同的壁厚。以该方式可使间壁厚度、穿孔的联接区域的弹性和间壁的弯曲特性彼此优化地协调成使得可获得特别合适的壁弹性。如果适合于实现特别高的壁弹性，则沿着间壁适合特别强地弯曲的和/或选择成合适地薄的壁区段。 [0023] 带有穿孔的联接区域的间壁的根据解决方案的措施也不一定限于直接面向叶片前棱边的间壁。显然也可能使另外的设置在叶片轮廓内的间壁以根据解决方案的方式实施有穿孔部或者有穿孔部且弯曲，以能够无应力地屈服由热引起的收缩或膨胀效应(涉及压力和抽吸侧壁)。 [0024] 证实为特别有利的是，直接面向叶片前棱边的间壁的“V”或“U”形地构造的壁弯曲部被构造和布置成使得“V”或“U”形地构造的壁区段的凸状的壁侧面向叶片前棱边的区域。 [0025] 此外有利的是将间壁的从抽吸侧壁向压力侧壁或在相反的方向上延伸的弯曲轮廓构造成使得间壁的面向叶片前棱边的凸状的壁侧很大程度上平行于限制空腔的、连接在叶片前棱边处的抽吸和压力侧壁来构造和布置。这样的构造尤其在实现所谓的冲击冷却时是特别有利的，如另外的阐述参考关于此的实施例将示出这种情况。在此可能分别通过在间壁内引入的穿过通道针对性地使冲击冷却空气流动对准在叶片前棱边区域中的一定的内壁区域。以该方式通过叶片前棱边区域的优化的冷却可高效地对付温度引起的材料应力。 [0026] 为了实现足够的柔性，根据一实施例一排孔被视为穿孔部，在其中在穿孔方向上孔长度的份额至少为穿孔区域的总长度的30%。为了高柔性，根据另一实施例孔长度的份额至少为穿孔区域的总长度的50%。这例如通过成排的柱状的孔来实现，其分别以双倍直径相间隔。尤其在带有长孔或槽缝的实施方案中，孔长度的份额可超过穿孔区域的总长度的70%。 [0028] 接下来根据附图(其仅用于解释而非限制性地来阐述)来说明本公开的优选的实施形式。其中：图1示出了对在涡轮级内涡轮导叶和涡轮工作叶片的示意性布置的说明 图2显示了通过涡轮叶片的代表性的轮廓以及 图3a、b、c显示了用于在叶片前棱边的区域中的间壁中构造穿孔部的备选变体，图4a-d显示了用于在叶片前棱边的区域中构造间壁的备选变体。 具体实施方式[0029] 在图1中以示意性图示出导叶2以及工作叶片3，如其沿着导叶和工作叶片排布置在未进一步示出的涡轮级1中那样。应假设，导叶2以及工作叶片3与热气流H相接触，热气流在该图示中从左向右流过导叶2以及工作叶片3的相应的叶片叶4。导叶和工作叶片2、3的叶片叶4伸入燃气涡轮组件的涡轮级1的热气通道()中，其分别由径向上处于内部的覆盖带(Deckband)2i、3i以及由导叶2的在径向上处于外部的覆盖带2a以及径向上处于外部的热集中区段(Waermestausegment)3a来限制。工作叶片3装配在未进一步示出的转子单元R(其可围绕旋转轴线A旋转地来支承)处。 [0030] 在图2中示出了通过导叶或工作叶片的横截面图示，其沿着可由图1得出的剖切平面A-A产生。涡轮导叶或涡轮工作叶片的典型的叶片轮廓特征在于空气动力学地设计的叶片叶4，其在两侧由凸状的抽吸侧壁7以及由凹状的压力侧壁6来限制。凸状地构造的抽吸侧壁7以及凹状地构造的压力侧壁6在叶片前棱边5(其如开头已阐述的那样直接暴露于穿过燃气涡轮组件的涡轮级进入的热气流)的区域中联合成一体。显然，沿着叶片前棱边5的涡轮叶片区域经受特别强的热负载。 [0031] 为了冷却暴露于热气的涡轮叶片，在叶片叶4内设置有径向定向的空腔9、10、11等，其以冷却空气来冲刷。各个空腔9、10、11等通过间壁8、12、13等相互分离。根据涡轮叶片的构造和成型，各个冷却通道9、10、11等相互连通。 [0032] 为了解决开头所阐述的在叶片前棱边5附近在抽吸和压力侧壁6、7中由疲劳引起的裂纹形成的问题，在到抽吸侧壁7和/或压力侧壁6处的联接区域中最前面的间壁8至少逐段地设有穿孔部16。在图3a、b和c中示出穿孔部16的实施例。 [0033] 在图3a中示出第一实施例。在间壁8到抽吸和压力侧壁6、7处的联接区域中各设置有穿孔部16。所示的示例的穿孔部是一排柱状的孔17，其平行于抽吸和压力侧壁6、7布置。在抽吸侧壁6处的穿孔部16在该示例中仅在间壁8的一区段上伸延。 [0034] 在图3b中示出第二实施例。在间壁8到抽吸和压力侧壁6、7处的联接区域中各设置有穿孔部16。该示例的穿孔部是一排长孔19，其平行于抽吸和压力侧壁6、7布置并且其长侧分别平行于相邻的抽吸侧壁7或压力侧壁6延伸。 [0035] 在图3c的第三实施例中，除了在图3b中所示的示例的穿孔部16之外还设置有中间穿孔部20，其平行于抽吸和压力侧壁6、7在间壁8的中间伸延。由此与在到抽吸和压力侧壁6、7处的联接区域中的穿孔部16共同形成两件式的间壁8，其可柔性地来折叠。 [0036] 为了更好地说明间壁构造，应参照在图4a中所说明的详细地示出的实施例，其显示了在叶片前棱边区域中的叶片轮廓。图4a显示了在抽吸侧壁7的联接区域中和在压力侧壁6的联接区域中的穿孔部16。侧壁6、7的材料膨胀或收缩趋势21的主方向在该示例中大致平行于间壁8的延伸伸延。 [0037] 与直线的构造(如这在图1、2、3和4a中对于间壁8、12、13是这样的情况中)不同，在图4b中示出带有弯曲的间壁8的实施例。间壁8具有U形地构造的壁横截面，其在两侧不仅与抽吸侧壁7而且与压力侧壁6在内壁一体地连接。间壁8的U形的壁构造赋予叶片轮廓区域附加的弹性变形性，这样使得通过使壁间距w不是如至今那样固定而是在一定的界限(其由间壁8的形状和弯曲弹性以及穿孔部16的弹性来确定)中可变，可屈服于抽吸和压力侧壁的由热引起的材料膨胀或收缩趋势。 [0038] 在图4c中详细示出带有附加的中间穿孔部20的实施例。其将间壁8划分成两个边腿，其从到侧壁6、7处的联接区域出发以一角度彼此相向行进，其中，通过中间孔20可灵活地来改变该角度并且因此可容易地平衡由膨胀引起的在压力侧壁与抽吸侧壁之间的间距中的变化。 [0039] 另外在图4c中示出对于可能的薄膜冷却组件的一示例。冷却空气通过薄膜冷却孔14从空腔9向外离开并且分别构造表面地贴靠在抽吸侧壁6和压力侧壁7处的冷却空气薄膜。U形地构造的间壁8(其在两侧不仅与抽吸侧壁7而且与压力侧壁6的内壁连接成一体)优选地具有凸侧的壁走向，其面向叶片前棱边5并且很大程度上平行于限制空腔9的一体地连接在叶片前棱边5处的抽吸侧壁7和压力侧壁6来构造。冷却空气在该示例中至少部分地通过穿孔部16和中间穿孔部20到达前面的空腔9中。 [0040] 在图4d中示出了带有冷却的细节的另一实施例。在此，间壁在到抽吸侧壁7和压力侧壁6处的联接区域处具有穿孔部16。在穿孔部旁边，其还具有冷却空气穿过通道15a、b、c，其用于叶片壁前棱边的内壁侧的冲击空气冷却。以特别有利的方式，穿过通道15a、b、c关于其穿过通道纵向延伸和以此预设的通流方向至少可划分成三组。第一组穿过通道15a特征在于指向抽吸侧壁7的通流方向，第二组穿过通道15b特征在于指向叶片前棱边的通流方向而第三组穿过通道15c特征在于指向压力侧壁6的通流方向。穿过通道15a、15b和15c在间壁8中沿着整个径向延伸分布并且以该方式负责涡轮叶片的叶片前棱边区域的有效的且单独的冷却。当然，为了优化的冲击冷却的目的可在间壁8处安装另外的穿过通道。 [0041] 另外，可将冲击空气冷却与中间穿孔部相结合。典型地，冲击空气冷却孔具有比穿孔部孔更大的直径、例如其两倍那么大的直径。 [0042] 附图标记清单1 涡轮级 2 导叶 2i 导叶的内围带 2a 导叶的外围带 3 工作叶片 3i 工作叶片的内包叶 3a 热集中区段 4 叶片叶 5 叶片前棱边 6 凹状的压力侧壁 7 凸状的抽吸侧壁 8 间壁 9 空腔 10,11 空腔 12,13 间壁 14 薄膜冷却孔 15 穿过通道 16 穿孔部 17 凹槽 18 孔 19 长孔 20 中间穿孔部 21 材料膨胀或收缩趋势的主方向 R 转子单元 A 旋转轴线 E 弹性自由度 W 壁间距。 |
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