專利名稱：葉片冷卻的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在渦輪機、尤其是燃氣輪機的內(nèi)冷卻葉片的冷卻通道中引導冷卻流體流動的裝置。
渦輪機、尤其是燃氣輪機的效率可通過增加作為確定循環(huán)過程參數(shù)的流體壓力和溫度而得以改進。
現(xiàn)今在渦輪機的操作過程中、尤其是在渦輪進口區(qū)的標準流體溫度已經(jīng)遠遠高于各部件的材料可允許的溫度。在這種情況下，尤其是渦輪葉片裝置直接暴露于熱的流體流中。通常，通過材料的熱傳導使渦輪葉片散熱不足以避免葉片的過高溫度。材料的溫度太高首先會使材料的機械強度值降低。在循環(huán)過程中，裂紋會在部件中形成。另外，如果發(fā)生超過材料熔化溫度的情況，那么部件的局部甚至是整體都會發(fā)生毀壞。為避免發(fā)生這種致命的后果，有必要進行附加的冷卻，尤其是對渦輪機的渦輪葉片額外進行冷卻。
現(xiàn)今主要使用的通過冷卻流體、通常是冷卻空氣來冷卻葉片的傳統(tǒng)冷卻方法稱為對流冷卻。在這種方法中，冷卻流體被引導通過各葉片，各葉片被設計成是中空的或具有流體通道。由于冷卻流體的溫度比葉片材料的溫度低，因此在冷卻通道中強制對流的作用下，葉片材料和冷卻流體之間發(fā)生了熱傳遞。通過有效的冷卻，材料的溫度被降到低于葉片材料所允許的最大溫度。
在冷卻通道的端部，冷卻流體主要經(jīng)葉片壁上的一個或多個開口流出而匯入主流。但是，冷卻流體也通常在冷卻通道的端部被導入另一個內(nèi)部腔室，并從經(jīng)過那里進入另一個冷卻通道或匯入主流。
氣膜冷卻是另一種葉片的冷卻方法。在這種方法中，被供應到冷卻通道中的冷卻流體、通常是冷卻空氣通過葉片上的開口吹出，吹到葉片的表面上。在循環(huán)過程中，冷卻流體在葉片壁和熱的流動流體之間形成一個分離層，其類似于一個流體薄膜。因此，在主流的熱流體和葉片之間沒有直接的熱傳遞發(fā)生。
上述兩種方法均存在的缺點是葉片不能在各處都被均勻地冷卻。在對流冷卻中，熱傳遞直接取決于冷卻通道中的流動條件。冷卻流體的較高流速使熱傳遞。而在這種方法中，尤其是葉片尖端的區(qū)域通常存在著缺點，因為這里、尤其是沿著封閉葉片的頂壁存在著冷卻流體的流速非常低的區(qū)域或者弱冷卻區(qū)域。至今僅僅是通過采用葉片中冷卻通道的復雜形狀來補償這些缺點。而這種葉片的制造非常復雜從而使成本高昂。另外，由于葉片是通過鑄造來制造的，因此通常會在葉片壁上留有一個或多個開口，這些開口是在鑄造過程中為固定鑄造型芯所必需的。
因此，本發(fā)明的一個目的是引導渦輪機的內(nèi)冷卻葉片中的冷卻流體。
根據(jù)本發(fā)明的目的，至少一個塞塊被設置在葉片的至少一個槽中，以引導冷卻流體。除位于葉片內(nèi)部的至少一個冷卻通道外，葉片還具有至少一個進給開口，用于將冷卻流體供應到冷卻通道中，葉片具有至少另一個開口。槽和塞塊沿葉片的縱向延伸而僅占葉片的一部分。在這種情況下，塞塊至少部分地伸入葉片的至少一個冷卻通道中。由于塞塊所具有的結(jié)構(gòu)，冷卻通道具有局部改變的通路，從而在冷卻通道中對冷卻流體具有具有局部改變的引導。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，熱交換和由此產(chǎn)生的先前在葉片壁區(qū)域的部件冷卻缺點通過在葉片槽中的本發(fā)明的塞塊的結(jié)構(gòu)而得以改進。
槽和塞塊最好具有矩形或類似長條切口形的截面。在這種情況下，所述的截面應是垂直于塞塊推入方向的截面。作為優(yōu)選方案，槽和塞塊的尺寸應做成彼此間為過盈配合。因此，塞塊通過強制聯(lián)鎖插入槽中。塞塊最好被釬焊。而且，槽中的塞塊最好布置成垂直于葉片的高度方向。
槽和塞塊都從葉片的抽吸側(cè)延伸到壓力側(cè)。因此，尤其是槽的制造可采用簡單的機加工制成。塞塊的外輪廓最好與槽所在位置的葉片型面的輪廓相適應。因此，可避免葉片壁輪廓上的類似紊流點的過渡。這種類似紊流點的過渡將對渦輪機的主流產(chǎn)生較高的流量損失。
在優(yōu)選的實施例中，至少塞塊具有一個臺階或一個連續(xù)縮減的截面。這種情況下，塞塊的截面最好沿塞塊推入槽中的方向減小。槽最好以相同的方式形成，從而塞塊可通過強制聯(lián)鎖插入槽中。尤其是對于轉(zhuǎn)子葉片，最好以這樣的方式布置臺階，即塞塊的截面朝與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向相反的方向減小，從而塞塊和槽之間的強制聯(lián)鎖被設置在截面減小的區(qū)域。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，采用這樣的結(jié)構(gòu)可以一種非常有效的方式防止槽中的塞塊變松，這是由于在轉(zhuǎn)子加速的過程中作用在塞塊上的慣性力和流動的流體的流體動態(tài)壓力作用的結(jié)果。
根據(jù)本發(fā)明的槽和塞塊最好以這樣的方式布置，即位于槽中的塞塊直接鄰近于葉片的頂壁和/或至少一個側(cè)壁，或者至少部分地一體形成在頂壁和/或側(cè)壁中。另外，塞塊最好布置成具有至少一個位于塞塊中的流動通道。為此，一個凹槽最好以這樣的方式布置在塞塊中，即該凹槽與葉片上相鄰的頂壁和/或相鄰的側(cè)壁形成該流動通道。該流動通道經(jīng)至少一個開口與冷卻通道連通，并最好具有至少一個出口。在這種情況下，流動通道的流動截面通常小于冷卻通道。流動通道的出口最好設計成在相鄰的頂壁和/或相鄰的側(cè)壁中的一通道開口。冷卻通道沒有另外的出口，因此所有進入冷卻通道的冷卻流體都流過流動通道。如果在冷卻通道有另外的出口，冷卻流體的主流將被分散開。如果在葉片內(nèi)有多個冷卻通道或冷卻通道被分隔成分通道，流動通道的出口最好開向另一個冷卻通道或冷卻通道的另一個分通道。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過這種流動通道，冷卻流體會特定地沿相鄰的頂壁和/或相鄰的側(cè)壁被引導。這就可對葉片壁區(qū)域進行特殊冷卻，該區(qū)域在現(xiàn)有技術(shù)中的冷卻效果很差或根本無法被冷卻。另外，還注意到，在這樣一種流動通道中被引導的冷卻流體的冷卻效果得以增加。這是由于在流動通道內(nèi)的冷卻流體的流速高于葉片中冷卻通道中冷卻流體的流速，從而使熱交換得以增加。
在優(yōu)選的實施例中，那些使流過流動通道的冷卻流體的紊流程度增加的紊流部件被設置在流動通道中。因此，冷卻流體與側(cè)壁之間的熱交換得以增加，從而改進了冷卻效果。例如，流動通道中的簡單的橫向網(wǎng)可被用作這樣的紊流部件。
而且，最好這樣布置槽和塞塊，即位于槽中的塞塊直接鄰近于頂壁和/或至少一個側(cè)壁，或者至少部分地一體形成在頂壁和/或側(cè)壁中，并在循環(huán)過程中至少部分地封閉冷卻通道的至少一個開口。尤其是當冷卻通道除進口和出口之外還具有另外的一個或多個開口且這些開口都太大而冷卻流體從中通過的速度太快時，上述這種結(jié)構(gòu)是很有利的。這種開口例如可以是由于鑄造技術(shù)的要求而在安裝型芯時形成的。
下面通過參照附圖對本發(fā)明進行詳細說明，可以對本發(fā)明有更全面的了解并使本發(fā)明所具有的優(yōu)點變得更加清晰。其中

圖1為在葉片頂端區(qū)域具有一槽和一位于槽中的塞塊的葉片立體圖。
圖2為葉片的剖視立體圖，示出了葉片的槽和位于槽中并鄰近于葉片頂壁的塞塊，兩流動通道插入塞塊中。
圖3為流動通道和圖2中流動通道出口的放大圖。
圖4為葉片的側(cè)視剖面圖，示出了鄰近葉片頂壁的塞塊，該塞塊具有一流動通道，冷卻流體從該通道流出，匯入主流。
圖5為葉片的側(cè)視剖面圖，示出了被一分隔壁再分隔開的組合冷卻通道，和鄰近葉片頂壁的塞塊，該塞塊具有一流動通道，冷卻流體流出冷卻通道的第一分通道從流動通道進入冷卻通道的第二分通道。
現(xiàn)在參照附圖，其中相似的標號代表幾幅附圖中相同或相應的部件。圖1示出了一渦輪機的內(nèi)冷卻葉片110，其具有一個根據(jù)本發(fā)明的槽121和根據(jù)本發(fā)明布置在槽中的塞塊120。所示葉片110被設計成在塞塊120區(qū)域無遮蔽物。位于葉片110中的冷卻通道在圖1中未示出。槽121和塞塊120的有利結(jié)構(gòu)是大致垂直于葉片的高度方向118，設置在葉片的頂端區(qū)域。在所示的實施例中，槽121和塞塊120被布置在葉片上的葉片最大厚度區(qū)域，并且僅沿葉片的縱向在葉片的一部分上延伸。但是，塞塊和槽也可布置在葉片上不同于所示葉片位置的位置上。如上所述的槽121和塞塊120的截面為矩形。在本實施例中所述的截面是指垂直于塞塊的推入方向的截面。槽121和塞塊120的尺寸被適當?shù)刈龀蛇^盈配合。而且，塞塊通過釬焊方式固定在槽中。從而可以簡單而且成本合算的方法將塞塊固定在槽中。塞塊120的外輪廓形狀與槽所在位置處的葉片型面輪廓相適應。因此，可避免在葉片的型面輪廓上產(chǎn)生紊流點式(turbulence-point-like)的過渡。
在圖2中，根據(jù)本發(fā)明的在葉片210的槽221中的塞塊220的結(jié)構(gòu)通過葉片210立體剖視圖示出。葉片210被設計成內(nèi)部是中空的。葉片210除具有一壓力側(cè)壁和一抽吸側(cè)壁211之外還具有一封閉葉片內(nèi)部空腔的頂壁212。葉片內(nèi)部的空腔在這里是作為葉片210的一個單個的冷卻通道213。冷卻流體230通過在葉片根部的一個進給開口(圖中未示)被送入葉片中。
圖2中所示的塞塊220位于在葉片頂部區(qū)域大體垂直于葉片的高度方向的槽221中。在葉片的縱向上，槽221和塞塊220僅在葉片210的一部分上延伸，而槽221和塞塊220均在葉片的厚度方向上從葉片的壓力側(cè)到抽吸側(cè)連續(xù)地延伸。塞塊220在葉片外側(cè)的輪廓與葉片210的型面輪廓相適應，因此與壓力側(cè)和抽吸側(cè)的葉片的型面輪廓相適應。槽221和塞塊220被制成截面互相匹配并通過過盈配合裝配在一起。在這里，塞塊220的頂部直接鄰近于頂壁212在葉片內(nèi)側(cè)的表面。另外，在本發(fā)明所示的實施例中，塞塊220有多個凹槽，從而在塞塊220頂部互相彼此分離布置的兩個凹槽與頂壁212一起形成了兩個流動通道222。流動通道222經(jīng)位于塞塊220的前端面上的另一開口223與葉片210的冷卻通道213連接。從而，冷卻流體230可流出冷卻通道213而進入流動通道222。盡管所示的流動通道222和開口223被制成矩形凹槽，但是對凹槽的設計可根據(jù)原理自由地選擇。為了使來自冷卻通道213的冷卻流體230從流動通道222流出，在頂壁212或側(cè)壁211上為每一流動通道設置有作為通道開口的出口224。
圖3以一個放大的視圖示出了在葉片側(cè)壁211上的通道開口224的結(jié)構(gòu)。通道開口224在這里被制成一個孔，并相對于側(cè)壁211的表面成一個角度設置。在本實施例中，通道開口在流動通道222的封閉端與其連通。通道開口224的設置角度應使排放的流體相對于在葉片周圍流動的主流具有盡可能小的位移角。如果在葉片210中的冷卻流體230的靜態(tài)壓力高于在葉片周圍流動的主流的靜態(tài)壓力，從冷卻通道213向流動通道222流動的冷卻流體230將通過通道開口224流入主流。從而，穿過流動通道和通道開口形成了一個連續(xù)的冷卻流體流。在循環(huán)過程中，熱交換發(fā)生在冷卻流體230和靠近流動通道222的葉片壁(頂壁212和/或側(cè)壁211)之間，從而對相鄰的側(cè)壁進行特殊的冷卻。另外，由于流動通道222的流動截面小于冷卻通道213的流動截面，因此冷卻流體230會以增加的流速流過流動通道。這種較高的流速會使熱傳遞有額外的增加，從而改進葉片壁的冷卻。
圖4以側(cè)視剖面圖示出了穿過內(nèi)冷卻葉片的一個截面，該葉片具有位于槽321中的本發(fā)明另一種結(jié)構(gòu)的塞塊320。該截面穿過葉片的中央并且穿過葉片的頂壁312(以截面示出)，示出了在葉片內(nèi)部的冷卻通道313的詳細結(jié)構(gòu)。
槽321被布置成部分槽321位于頂壁312內(nèi)。插入槽321中的塞塊320同樣也相應地裝配在頂壁312中。與槽321相同，塞塊320相應地具有一個矩形截面。塞塊320通過強制聯(lián)鎖被置于槽321內(nèi)。但是，根據(jù)原理，塞塊和槽也可設計成其他截面形狀，例如橢圓形、梯形、菱形或多邊形，盡管這些截面在各種情況下必須互相匹配。另外，在所示的本實施例中的塞塊具有兩個凹槽，它們在圖4中以穿過中心的截面示出。在本實施例中，位于塞塊頂部上的凹槽與相鄰的頂壁312一起形成了一個流動通道322，該通道位于頂壁的下側(cè)與頂壁平行。該流動通道322經(jīng)開口323與冷卻通道313連通，開口323是由位于塞塊320的端壁上的第二凹槽形成的。該開口323同樣是由塞塊上的一個孔制成的。而且，通道開口324是由一孔以一角度設置在頂壁312上形成的。該通道開口324在流動通道322的端部與流動通道322連通，該端部將冷卻通道封閉。冷卻流體330流出冷卻通道313，經(jīng)位于塞塊320中的流動通道322進入通道開口324，并從那里流到頂壁312的頂面上，從而流入在葉片周圍流動的主流中。通過被導入流動通道中的冷卻流體330，鄰近流動通道322的葉片壁進行了特殊的冷卻。而且，由于流動通道322的上游結(jié)構(gòu)和在流動通道322中產(chǎn)生的壓力損失，通道開口324可具有一個與沒有上游流動通道的結(jié)構(gòu)相比較大的截面。這種結(jié)構(gòu)使得在渦輪機的操作過程中減小了由雜質(zhì)粒子產(chǎn)生的通道開口阻塞的危險。
本發(fā)明的另一實施例在圖5中以穿過內(nèi)冷卻葉片的一個截面示出。在圖中，所示的冷卻通道被一分隔壁417分隔成兩個分通道415、416。如圖5所示的本實施例中的這種在葉片的槽421中的塞塊420的結(jié)構(gòu)與圖4中的結(jié)構(gòu)相對應。在這種情況下，這種對應并不限制本發(fā)明在圖4和圖5中的結(jié)構(gòu)，它們可以彼此互相自由和獨立地選擇。與圖4不同，本實施例中的冷卻流體430并不匯入主流，而是通過塞塊420使冷卻流體430從冷卻通道中的第一分通道415轉(zhuǎn)向流入第二分通道416。為此，位于塞塊420中的流動通道422通過開口423分別與分通道415、416連通。在這種情況下，從第一分通道415流出的冷卻流體430在流動通道422中沿著頂壁412進入第二分通道416，從而形成對頂壁412的特殊冷卻。
很顯然，根據(jù)上述內(nèi)容，本發(fā)明還可作出各種修改和變型。因此，需要知道的是，在本發(fā)明可在技術(shù)方案的范圍內(nèi)進行實施，并不受限于文中的具體描述。
權(quán)利要求
1.一種渦輪機、尤其是燃氣輪機葉片(210)，包括一冷卻通道(213)，該冷卻通道位于葉片內(nèi)部，一冷卻流體(230)從中穿過，該冷卻通道(213)包括一進給開口和至少另一另外的開口(224)，其特征在于，至少一個塞塊(220)設置在葉片上至少一個槽(221)中，以引導冷卻流體(230)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片，其特征在于，塞塊(220)和槽(221)具有矩形或類似長條切口形的截面。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的葉片，其特征在于，塞塊(120)和槽(121)被布置成垂直或大體垂直于葉片的高度方向(118)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的葉片，其特征在于，塞塊(120)和槽(121)具有一個臺階或一個連續(xù)縮減的截面。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的葉片，其特征在于，塞塊和槽從葉片的抽吸側(cè)向壓力側(cè)連續(xù)地延伸，塞塊的外輪廓與葉片的型面相適應。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的葉片，其特征在于，位于槽中的塞塊直接鄰近于葉片的頂壁和/或一個側(cè)壁或兩個側(cè)壁，塞塊至少部分地封閉冷卻通道的至少一個開口。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的葉片，其特征在于，位于槽(221)中的塞塊(220)直接鄰近于葉片的頂壁(212)和/或一個側(cè)壁(211)或兩個側(cè)壁，至少一個流動通道(222)設置在塞塊(220)中，該流動通道(222)經(jīng)至少一個開口(223)與冷卻通道(213)連通，且該流動通道(222)具有至少一個出口(224)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的葉片，其特征在于，流動通道(222)通過設置在塞塊中的一個凹槽形成，并且通過葉片上相鄰的頂壁(212)和/或相鄰的側(cè)壁(211)形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的葉片，其特征在于，出口(224)為在葉片上相鄰的頂壁(212)和/或相鄰的側(cè)壁(211)中的通道開口。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9所述的葉片，其特征在于，紊流元件被設置在流動通道中。
全文摘要
本發(fā)明的裝置用于引導在渦輪機、尤其是燃氣輪機的內(nèi)冷卻葉片中的冷卻流體。葉片內(nèi)部具有至少一個冷卻通道。位于葉片的槽中的至少一個塞塊直接與葉片的頂壁和/或至少一個側(cè)壁鄰近。至少一個流動通道設置在塞塊中,該通道由位于塞塊中的凹槽和直接相鄰的頂壁和/或側(cè)壁形成。流動通道通過至少一個開口與冷卻通道連通。冷卻流體通過流動通道經(jīng)由在頂壁和/或側(cè)壁中的通道開口流出到葉片周圍的主流中。
文檔編號F01D5/14GK1255581SQ9912585
公開日2000年6月7日 申請日期1999年11月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月30日
發(fā)明者哈特穆特·亨萊 申請人:阿西亞·布朗·勃法瑞股份公司