專利名稱：帶有葉片和至少一個(gè)冷卻通道的透平葉輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有葉片的透平葉輪，葉片的葉根固定在一輪盤(pán)上，以及，至少一個(gè)冷卻通道處于透平的輪盤(pán)與葉根之間。此外，本發(fā)明還涉及這種葉輪的葉片。
前言所述類型的葉輪例如使用在固定式燃?xì)廨啓C(jī)中作為工作葉輪，它沿燃?xì)饬鲃?dòng)方向布置在燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室下游并在那里遭受高溫。這種在受高離心力負(fù)荷的同時(shí)承受高熱負(fù)荷的燃?xì)廨啓C(jī)葉片的葉身和尤其是葉根的冷卻，由于為此所需的復(fù)雜的冷卻流體導(dǎo)引及困難的密封因而特別昂貴。對(duì)于透平動(dòng)葉片，目前采用對(duì)流冷卻和采取其他加強(qiáng)在流過(guò)葉根處冷卻通道的冷卻流體與葉根之間熱傳導(dǎo)的措施進(jìn)行工作。往往只有少量的冷卻流體可供使用，所以只能將較少的熱流通過(guò)葉根的平臺(tái)排出。因此只能微量降低平臺(tái)表面溫度。
為此由US2004/0081556A1已知一種燃?xì)廨啓C(jī)葉片，它包括葉根、平臺(tái)和葉身。該平臺(tái)相對(duì)于沿軸向流過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)的熱燃?xì)舛詮娜肓鱾?cè)葉緣延伸到流出側(cè)葉緣。平臺(tái)有在流出側(cè)沿透平葉輪盤(pán)周向延伸的流出側(cè)棱邊，它超過(guò)透平葉輪盤(pán)的軸向?qū)挾劝撮芸诘姆绞较蛲馍斐觥Ｔ谄脚_(tái)流出側(cè)棱邊的下側(cè)設(shè)多個(gè)影響冷卻空氣流動(dòng)的結(jié)構(gòu)元件。隨轉(zhuǎn)子快速旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)肋經(jīng)過(guò)或多或少停滯的冷卻空氣運(yùn)動(dòng)，并促使冷卻空氣從周向偏轉(zhuǎn)到軸向。此外，在平臺(tái)下側(cè)不僅設(shè)擾流器類型的局部底座區(qū)，而且設(shè)有沿軸向延伸的肋。所述的底座區(qū)和肋增強(qiáng)局部從平臺(tái)流出側(cè)棱邊向流過(guò)下側(cè)的冷卻空氣的熱傳導(dǎo)。
本發(fā)明的目的是提供一種用于帶有葉片的透平葉輪，在其葉根或葉片平臺(tái)上可達(dá)到強(qiáng)烈冷卻和能導(dǎo)出較大的熱流。此外，本發(fā)明的目的是提供一種用于這種葉片的制造方法。按本發(fā)明為達(dá)到首先提到的目的采取的措施是，在按本發(fā)明的葉輪的冷卻通道的至少其中一個(gè)壁上設(shè)計(jì)有許多擾流器，它們?cè)O(shè)計(jì)為能提高流過(guò)冷卻通道的流卻流體的紊流度。
與透平動(dòng)葉片的葉根或葉片平臺(tái)上已知的冷卻結(jié)構(gòu)相比，按本發(fā)明冷卻流體在輪盤(pán)外圓周與葉片平臺(tái)下側(cè)之間的至少一個(gè)沿?zé)崛細(xì)廨S向或主流方向延伸的冷卻通道內(nèi)，不是沿或多或少光滑的壁流動(dòng)，而是有針對(duì)性地在冷卻通道的至少其中一個(gè)壁上設(shè)有許多擾流器或擾流元件，增大冷卻流體在冷卻通道內(nèi)部的紊流度。借助這些擾流器提高了形成渦流的冷卻流體與冷卻通道所有的壁之間，但尤其與擾流器所屬的壁之間的熱傳導(dǎo)，并由此加強(qiáng)葉根的冷卻。擾流器或擾流元件與力求的熱傳導(dǎo)相適應(yīng)，所以可以在配屬的葉片上有針對(duì)性地預(yù)定熱燃?xì)鈧?cè)最高材料溫度并可相應(yīng)地確定冷卻流體通過(guò)冷卻通道的流量。
作為擾流器可考慮使用肋、突起(Nippel)或漣漪(Dimpel)。
按本發(fā)明的葉輪的一項(xiàng)有利的進(jìn)一步發(fā)展，在葉根平臺(tái)下側(cè)設(shè)計(jì)許多擾流器。通過(guò)使用在平臺(tái)下側(cè)增大葉根與輪盤(pán)頂部之間間隙內(nèi)紊流度的擾流器或擾流元件，增大了平臺(tái)壁內(nèi)的熱流和降低了平臺(tái)的表面溫度。
所述的許多擾流器有利地設(shè)計(jì)為凹窩的形式，它們成形在構(gòu)成冷卻通道所述至少一個(gè)壁的材料內(nèi)。這些凹窩也可以事后制在已存在的葉片中，并由此達(dá)到按本發(fā)明期望的增大在葉根處的熱傳導(dǎo)。
此外，擾流器或凹窩有利地分別基本上橫向于或傾斜于流過(guò)冷卻通道的冷卻流體的流動(dòng)方向定向。這種擾流器導(dǎo)致在冷卻通道內(nèi)流動(dòng)的冷卻流體特別強(qiáng)烈的渦流。
若擾流器以這樣的方式傾斜于流過(guò)冷卻通道的冷卻流體的流動(dòng)方向定向，即，它們使流動(dòng)的冷卻流體朝葉根頸部的方向偏轉(zhuǎn)，則能達(dá)到平臺(tái)特別有效而均勻的冷卻。由此可有針對(duì)性地調(diào)整橫截面大多楔形或三角形的冷卻通道的通流量。
為了能將按本發(fā)明的強(qiáng)化冷卻使用在葉輪具有高熱負(fù)荷并應(yīng)特別加以冷卻的區(qū)域，與熱負(fù)荷較低的區(qū)域相比，在這些高熱負(fù)荷的區(qū)域內(nèi)應(yīng)當(dāng)增加每單位面積所設(shè)的擾流器或凹窩的數(shù)量。
此外，對(duì)于按本發(fā)明的葉輪，有利地所述至少一個(gè)葉片的葉根應(yīng)設(shè)計(jì)有一平臺(tái)，在該平臺(tái)旁沿一個(gè)縱向延伸的頸部?jī)蓚?cè)各有一個(gè)冷卻通道，以及許多擾流器設(shè)計(jì)為一排在所屬的冷卻通道內(nèi)在平臺(tái)下側(cè)延伸的擾流器排。采用這種在平臺(tái)下側(cè)的擾流器，按本發(fā)明的葉輪的葉片可以在沒(méi)有大的結(jié)構(gòu)變化的情況下有能力在更高的溫度下使用。
按本發(fā)明的擾流器可以在一道構(gòu)成葉片和尤其它的葉身的工序內(nèi)一同成形，所以為了它們的制造幾乎不發(fā)生任何附加的費(fèi)用。
按另一種方案或附加地，擾流器可以在至少一道構(gòu)成葉片和尤其它的葉身的工序后在一道單獨(dú)的工序中成形。采用這種方法可尤其將現(xiàn)有透平的葉輪按本發(fā)明的方式加裝配備擾流器或凹窩，它們導(dǎo)致葉根處上面已說(shuō)明的更好的熱傳導(dǎo)。
此外，本發(fā)明的目的通過(guò)一種用于透平、尤其是燃?xì)廨啓C(jī)的葉輪的葉片達(dá)到，該葉片設(shè)有一個(gè)可被熱燃?xì)饫@流的葉身和一個(gè)有一平臺(tái)的葉根，該平臺(tái)相對(duì)于熱燃?xì)獾闹髁鞣较驈娜肓鱾?cè)葉緣到流出側(cè)葉緣沿一個(gè)平臺(tái)縱棱邊延伸，其中，在平臺(tái)背對(duì)葉身的下側(cè)沿此平臺(tái)縱棱邊設(shè)計(jì)有許多擾流器，它們構(gòu)造為在葉片的裝入狀態(tài)能提高沿下側(cè)流動(dòng)的冷卻流體的紊流度。
如上所述，按本發(fā)明的這種葉片可以在配屬的葉根區(qū)內(nèi)達(dá)到更好的散熱和冷卻，由此幾乎不提高成本地得到機(jī)器的一種提升的售價(jià)。
如同樣已提及的那樣，在這種葉片上設(shè)計(jì)許多形式上為凹窩的擾流器，它們成形在平臺(tái)的材料內(nèi)。
為了達(dá)到針對(duì)方法提出的目的，擾流器在一道構(gòu)成葉身的工序內(nèi)一同成形。因此這些擾流器直接在新造葉片時(shí)一同成形。
按另一種方案，已存在和使用的葉片可以在燃?xì)廨啓C(jī)檢修期間補(bǔ)充配備所述擾流器，為此擾流器在至少一道構(gòu)成葉身的工序后在一道單獨(dú)的工序中成形。由此可以在節(jié)省冷卻空氣的同時(shí)進(jìn)一步延長(zhǎng)葉片的壽命，這還對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的效率起積極的作用。
下面借助所附的示意圖詳細(xì)說(shuō)明按本發(fā)明的葉輪的實(shí)施例。其中

圖1表示按先有技術(shù)的透平葉片的葉根的立體視圖；圖2表示按本發(fā)明的透平葉片的葉根的立體視圖；以及圖3表示按圖2的葉根安裝狀況的立體視圖。
圖1中表示一個(gè)按先有技術(shù)的葉片10，它有葉根12和與之連接的葉身14。葉根12設(shè)計(jì)為帶有一平臺(tái)16的樅樹(shù)形根部，在平臺(tái)與葉身14背對(duì)設(shè)置的那一側(cè)設(shè)有頸部18和在距離更遠(yuǎn)處設(shè)有齒20。平臺(tái)16、頸部18和齒20設(shè)計(jì)為長(zhǎng)的型面，用于將葉片10安裝在透平轉(zhuǎn)子輪盤(pán)22的一個(gè)沒(méi)有表示的槽內(nèi)，以及在那里用于固定葉身14和用于承受尤其該葉身的離心力。
在圖3中基本上表示了葉片10在輪盤(pán)22內(nèi)的這樣一種安裝位置。
由圖1可以看出，在已知的葉片10中平臺(tái)16面對(duì)頸部18和齒20的下側(cè)制有基本上光滑的表面。
相反，在圖2所示的就葉根12而言設(shè)計(jì)為基本上與按圖1的示例相同的葉片10中，在其下側(cè)24設(shè)計(jì)有許多擾流器26，它們可分別成排地排列在頸部18的兩側(cè)。
擾流器26面朝一個(gè)沿?zé)崛細(xì)庵髁鞣较蜓由觳⒃O(shè)在平臺(tái)16下側(cè)24與輪盤(pán)22外圓周之間的冷卻通道28。
冷卻通道28沿平臺(tái)縱棱邊29延伸，就工作時(shí)流過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)的熱燃?xì)獾闹髁鞣较蚨裕鼜钠脚_(tái)16的入流側(cè)棱邊31延伸到流出側(cè)棱邊33。
在所屬燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)，冷卻通道28中沿流動(dòng)方向30流過(guò)一種圖中未表示的冷卻流體。擾流器26僅沿平臺(tái)縱棱邊29布置，以及就冷卻流體所述的流動(dòng)而言，它們?cè)O(shè)計(jì)為橫向或傾斜于流動(dòng)方向30成形在平臺(tái)16材料內(nèi)的凹窩，以及分別有一個(gè)朝平臺(tái)下側(cè)24的口。在這些凹窩內(nèi)導(dǎo)致流過(guò)冷卻通道28的冷卻流體附加的旋渦，并因而導(dǎo)致從平臺(tái)16向冷卻流體更好的熱傳導(dǎo)。因此這些凹窩導(dǎo)致增加散熱和改善葉根12及平臺(tái)16的冷卻。
葉身14有壓力側(cè)的壁27。
尤其對(duì)于透平葉片10的尺寸不對(duì)稱的平臺(tái)16，這種具有布置在下側(cè)的擾流器26的設(shè)計(jì)帶來(lái)優(yōu)點(diǎn)。若兩個(gè)平臺(tái)縱棱邊29之一，例如在壓力側(cè)的平臺(tái)側(cè)29a，相對(duì)于葉身14沿輪盤(pán)22周向的伸出比兩者中另一個(gè)，也就是對(duì)本示例而言為抽吸側(cè)的平臺(tái)側(cè)29b更多，則如圖3所示僅在壓力側(cè)的平臺(tái)縱棱邊29下側(cè)24上設(shè)擾流器26就夠了，它們使冷卻通道28內(nèi)的冷卻流體產(chǎn)生渦流，并因而也可以對(duì)葉輪上直接相鄰的那個(gè)透平葉片10的抽吸側(cè)平臺(tái)縱棱邊29b實(shí)現(xiàn)一種與先有技術(shù)相比充分增大的熱傳導(dǎo)。
擾流器26的凹窩可例如通過(guò)在平臺(tái)16的材料內(nèi)腐蝕制成，在這里有利地有一個(gè)大體等于凹窩寬度兩至七倍，尤其三至五倍，特別有利地四倍的長(zhǎng)度。與凹窩不同，也可以在平臺(tái)16下側(cè)24設(shè)計(jì)突起或漣漪狀的擾流器26。采用這些擾流器26，在下側(cè)24上分別設(shè)有縫槽或隔扳，它們成為流過(guò)冷卻通道28的冷卻流體的局部流阻，并因而導(dǎo)致冷卻流體內(nèi)部的紊流。
此外，擾流器26優(yōu)選地相對(duì)于冷卻流體流這樣傾斜定向，即，使得冷卻流體從由相鄰?fù)钙饺~片10兩個(gè)端側(cè)對(duì)置的平臺(tái)16構(gòu)成的間隙37導(dǎo)出。由此使冷卻流體也從擾流器26導(dǎo)向葉根12的頸部18。如圖3所示，冷卻通道28處于平臺(tái)16下方的橫截面39呈楔形，也就是說(shuō)，橫截面39的徑向高度從平臺(tái)邊緣起朝葉根12頸部18方向逐漸縮小。若沒(méi)有如此斜置的擾流器26，基于當(dāng)?shù)剌^小的流阻，冷卻流體在較大的橫截面區(qū)41內(nèi)的流量將比在頸部附近較小的橫截面區(qū)43內(nèi)的流量大。采用這種斜置的擾流器26，有效地抑制了這一效應(yīng)，以及冷卻流體會(huì)加強(qiáng)流入較小的橫截面區(qū)41內(nèi)并流向葉根12的頸部18，這導(dǎo)致平臺(tái)16被均勻冷卻。借助所述相對(duì)于流動(dòng)方向30斜置優(yōu)選地45°角的擾流器26，可迫使沿冷卻通道28生成螺旋狀冷卻流體流，該螺旋流直接在平臺(tái)16下側(cè)24的下方朝葉根12頸部18的方向旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。
取代在平臺(tái)16下側(cè)24腐蝕而成的凹窩，可以通過(guò)在平臺(tái)16下側(cè)24堆焊附加的用于擾流器26的材料。然后，這種附加的材料在后續(xù)的工序中至少部分采用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄇ邢骷庸?，以?gòu)成擾流器26。
與上述制造方法不同，也可以將預(yù)制的包括擾流器26的單獨(dú)模件在一個(gè)與透平葉片(鑄)制造分開(kāi)的工序中通過(guò)形狀閉合和/或力傳遞連接低成本地固定。預(yù)制的模件也可以在檢查作業(yè)時(shí)事后省時(shí)地裝配。
所述擾流器模件可例如有與平臺(tái)縱棱邊29相同的長(zhǎng)度尺寸，以及設(shè)計(jì)有槽和鍵結(jié)構(gòu)，并可從端側(cè)插入平臺(tái)16上的一個(gè)沿下側(cè)延伸的對(duì)應(yīng)槽中，以便接著通過(guò)熔焊或釬焊固定。
權(quán)利要求
1.一種用于透平的葉輪，其包括至少一個(gè)可被熱燃?xì)饫@流的葉片(10)，該葉片的具有一平臺(tái)(16)的葉根(12)固定在一輪盤(pán)(22)上，以及，至少一個(gè)沿?zé)崛細(xì)庵髁鞣较蜓由斓睦鋮s通道(28)處于該輪盤(pán)(22)的外圓周與葉片(10)的平臺(tái)(16)之間，其特征為在冷卻通道(28)的至少其中一個(gè)壁上設(shè)計(jì)有許多擾流器(26)，它們構(gòu)造成能提高流過(guò)冷卻通道(28)的流卻流體的紊流度。
2.按照權(quán)利要求1所述的葉輪，其特征為，所述許多擾流器(26)設(shè)計(jì)在葉根(12)平臺(tái)(16)的下側(cè)(24)。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的葉輪，其特征為，所述許多擾流器(26)設(shè)計(jì)成凹窩形狀，這些凹窩成型在構(gòu)成所述冷卻通道(28)的至少一個(gè)壁的材料中。
4.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的葉輪，其特征為，所述擾流器(26)分別基本上橫向于或傾斜于流過(guò)冷卻通道(28)的冷卻流體的流動(dòng)方向(30)定向。
5.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的葉輪，其特征為，所述擾流器(26)傾斜于流過(guò)冷卻通道(28)的冷卻流體的流動(dòng)方向(30)這樣定向，即，由此使得流動(dòng)的冷卻流體朝葉根(12)頸部(18)的方向偏轉(zhuǎn)。
6.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的葉輪，其特征為，在葉輪的至少一個(gè)有高熱負(fù)荷的區(qū)域內(nèi)每單位面積所設(shè)的擾流器(26)數(shù)量，比至少一個(gè)熱負(fù)荷較低的區(qū)域內(nèi)每單位面積所設(shè)的擾流器(26)數(shù)量多。
7.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的葉輪，其特征為，所述至少一個(gè)葉片(10)的葉根(12)設(shè)計(jì)有一平臺(tái)(16)，在該平臺(tái)旁沿一個(gè)縱向延伸的頸部(18)兩側(cè)各有一個(gè)冷卻通道(28)，以及所述許多擾流器(26)分別構(gòu)造為一排在一個(gè)所屬的冷卻通道(28)內(nèi)在平臺(tái)(16)下側(cè)(24)延伸的擾流器排。
8.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的葉輪，其特征為，所述擾流器(26)在一道構(gòu)成所述葉片(10)和尤其它的葉身(14)的工序內(nèi)一同成形。
9.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的葉輪，其特征為，所述擾流器(26)在至少一道構(gòu)成葉片(10)和尤其它的葉身(14)的工序后在一道單獨(dú)的工序中成形。
10.一種用于透平、尤其是燃?xì)廨啓C(jī)的葉輪的葉片(10)，其包括一個(gè)可被熱燃?xì)饫@流的葉身(14)和一個(gè)帶有一平臺(tái)(16)的葉根(12)，該平臺(tái)相對(duì)于熱燃?xì)獾闹髁鞣较驈娜肓鱾?cè)葉緣(31)到流出側(cè)葉緣(33)沿一個(gè)平臺(tái)縱棱邊(29)延伸，其特征為在所述平臺(tái)(16)背對(duì)葉身(14)的下側(cè)(24)沿此平臺(tái)縱棱邊(29)設(shè)計(jì)有許多擾流器(26)，它們構(gòu)造為在葉片(10)的裝入狀態(tài)下能提高沿下側(cè)(24)流動(dòng)的冷卻流體的紊流度。
11.按照權(quán)利要求10所述的葉片(10)，其特征為，所述許多擾流器(26)構(gòu)造為凹窩形狀，這些凹窩成形在所述平臺(tái)(16)的材料內(nèi)。
12.按照權(quán)利要求10或11所述的葉片(10)，其特征為，所述擾流器(26)傾斜于沿平臺(tái)縱棱邊(29)流動(dòng)的冷卻流體的流動(dòng)方向這樣定向，即，由此使得流動(dòng)的冷卻流體朝葉根(12)頸部(18)的方向偏轉(zhuǎn)。
13.一種制造按照權(quán)利要求10、11或12之一所述葉片(10)的方法，其特征為所述擾流器(26)在一道構(gòu)成葉身(14)的工序內(nèi)一同成形。
14.一種制造按照權(quán)利要求10、11或12之一所述葉片(10)的方法，其特征為所述擾流器(26)在至少一道構(gòu)成葉身(14)的工序后在一道單獨(dú)的工序中成形。
15.按照權(quán)利要求14所述的方法，其特征為，所述擾流器(26)預(yù)制在一個(gè)單獨(dú)的模件上，該模件在一道單獨(dú)的工序中通過(guò)形狀閉合和/或力傳遞連接固定在平臺(tái)(16)下側(cè)(24)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種透平葉輪，包括至少一個(gè)葉片(10)，它的葉根(12)固定在輪盤(pán)(22)上，以及，至少一個(gè)冷卻通道(28)處于輪盤(pán)(22)與葉根(12)之間，按本發(fā)明，在冷卻通道(28)的至少其中一個(gè)壁上設(shè)計(jì)有許多擾流器(26)，它們構(gòu)造為能提高流過(guò)冷卻通道(28)的流卻流體的紊流度并因而改善熱傳導(dǎo)。
文檔編號(hào)F01D25/12GK101014752SQ200580030007
公開(kāi)日2007年8月8日 申請(qǐng)日期2005年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月9日
發(fā)明者漢斯-托馬斯·博爾姆斯, 安德烈亞斯·赫塞爾豪斯, 羅蘭·哈伯爾, 托斯坦·科克, 拉爾夫·莫斯根 申請(qǐng)人:西門(mén)子公司