專利名稱：用于燃氣輪機的渦輪葉片的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有能夠被熱氣繞流的葉身的渦輪葉片，所述葉身包括抽吸側(cè)壁和壓力側(cè)壁，所述抽吸側(cè)壁和所述壓力側(cè)壁沿熱氣的流動方向從共同的前緣延伸至后緣，其中在后緣上設有至少一個開口用于排出之前冷卻葉身的冷卻介質(zhì)，所述至少一個開口借助于通道與設置在葉身中的空腔流體連接，其中通道也被所述抽吸側(cè)壁的朝向內(nèi)部的面和壓力側(cè)壁的朝向內(nèi)部的面限界，并且設有節(jié)流元件用于調(diào)節(jié)從開口中流出的冷卻介質(zhì)量。
背景技術：
開始所述類型的渦輪葉片和用于制造這種渦輪葉片的鑄造型芯例如從W02003/042503A1中已知。已知的渦輪葉片具有被冷卻的后緣，在所述后緣處用于排出冷卻空氣的多個開口通過設置在其之間的接片——所述接片在英文中已知為“teardrops”——相互分離。共同的空腔連接在設置在后緣上的開口的上游，在所述空腔中設置有三排柱狀的底座一在英文中還已知為“Pin-Fins”——，所述底座在那里設置為提高在流經(jīng)所述底座的冷卻空氣的熱傳導并且提高壓力損失。在此，用于制造這種渦輪葉片所需要的鑄造型芯在W02003/042503A1的圖7中以立體圖不出。由鑄造型芯所占據(jù)的空間在制造已鑄造的潤輪葉片之后在潤輪葉片中保留作為空腔，其中設置在鑄造型芯中的開口用鑄造材料填充。關于此點，鑄造型芯為渦輪葉片的內(nèi)部的相反模型。從W02003/042503A1中已知的銷狀肋具有圓柱形的形狀并且將渦輪葉片的葉身的壓力側(cè)壁和抽吸側(cè)壁的相互對置的內(nèi)面連接。在此已知的是，在渦輪葉片的后緣處流出的冷卻空氣量在后緣附近通過適當?shù)剡x擇最大的壓力損失和/或最小的、要被冷卻空氣通流的橫截面來調(diào)節(jié)。然而該方法導致下述鑄造型芯，在所述鑄造型芯中設置在鑄造型芯后緣處的開口這樣大，使得在其之間僅還存在相對薄的分離接片。然而在操縱鑄造型芯期間能夠在鑄造型芯的所述部位處折斷，使得所述鑄造型芯接下來是不可使用的。此外，從W02003/042503A1中已知用于冷卻空氣的、設置在冷卻通道的轉(zhuǎn)彎區(qū)域中的C形的引導元件，所述引導元件應當引起在下游的區(qū)域中低損失地偏轉(zhuǎn)和引導冷卻空氣。還從EP1091092A2中已知被空氣冷卻的渦輪葉片。為了實現(xiàn)尤其有效地冷卻葉身的空心壁的抽吸側(cè)或壓力側(cè)，將銷柵狀地設置在雙壁的空腔中。銷原則上具有菱形形狀，其中所述菱形形狀的角被倒圓并且其棱邊凹形地向內(nèi)拱起。因此，在銷之間形成由用于冷卻空氣的通道構成的網(wǎng)，所述通道分別具有變窄的輸入開口和變窄的輸出開口，在所述開口之間設置有擴散器部段和噴嘴部段。借助于所述部段對冷卻空氣進行減速和加速，以便實現(xiàn)有效的冷卻。此外，從US5，752，801中已知內(nèi)部冷卻的渦輪葉片，其后緣側(cè)的冷卻通道通過鑄造的c形的肋而構成為是之字形的。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的冷卻效果。此外，因此能夠加固對于制造所需的鑄造型芯。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是，提供一種用于燃氣輪機的開始所述類型的渦輪葉片，所述渦輪葉片能夠借助于盡可能少量的冷卻介質(zhì)有效地且充分地被冷卻。針對渦輪葉片的目的是借助根據(jù)權利要求1的特征的渦輪葉片來實現(xiàn)，其中有利的解決方案在權利要求2至6中列出。用于渦輪機的渦輪葉片包括由可由熱氣繞流的葉身，所述葉身包括抽吸側(cè)壁和壓力側(cè)壁，所述抽吸側(cè)壁和所述壓力側(cè)壁沿熱氣的流動方向從共同的前緣延伸至后緣，其中在后緣處或在后緣中設置至少一個開口以用于排出之前冷卻葉身的冷卻介質(zhì)，所述至少一個開口借助于通道與設置在葉身中的空腔流體連接，其中通道也被抽吸側(cè)壁的朝向內(nèi)部的面和壓力側(cè)壁的朝向內(nèi)部的面限界，并且設有節(jié)流元件用于調(diào)節(jié)從開口中流出的冷卻空氣量，其中根據(jù)本發(fā)明節(jié)流元件一相對于通道的通流方向一設置在相關的開口的上游并且包括兩個凸出部，兩個所述凸出部分別設置在兩個朝向內(nèi)部的面中的一個上。換而言之，節(jié)流元件包括設置在朝向內(nèi)部的面上的凸出部，所述凸出部橫向于通道的通流方向延伸并且在所述凸起部之間設有通道的最小的通流橫截。為了確定最小的通流橫截面，能夠在冷卻通道中測定相應在冷卻介質(zhì)流的中線和兩個側(cè)面中的一個之間的最小的垂直間距。在此，本發(fā)明基于下述知識借助所提出的結構能夠尤其簡單地且準確地調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)消耗，在所述結構中在葉片內(nèi)部中將節(jié)流元件設置在后緣開口的上游。在此，節(jié)流元件應當由兩個相互關聯(lián)的凸出部形成，所述凸出部中的每個分別設置有抽吸側(cè)壁和壓力側(cè)壁的朝向內(nèi)部的面上。凸出部不將抽吸側(cè)壁與壓力側(cè)壁連接。節(jié)流元件的所述實施形式尤其對于以鑄造方法制造的渦輪葉片是有利的。眾所周知地，大多以鑄造方法制造渦輪葉片，其中應用所謂的去除的鑄造型芯來制造內(nèi)部冷卻系統(tǒng)。所述鑄造型芯的制造大多借助于型芯模具來進行。型芯模具包括兩個移動元件，所述移動元件能夠相互朝向彼此或者遠離彼此運動。所述移動元件以共同移動的方式包圍空腔，所述空腔具有如與要鑄造的渦輪葉片的空腔相同的輪廓。為了制造鑄造型芯，在移動元件的空腔中接合有鑄造型芯材料。在鑄造型芯材料干燥之后，鑄造型芯可供用于制造渦輪葉片。根據(jù)本發(fā)明，在此，為了制造要制成的渦輪葉片組的第一原型將移動元件構造為，使得在要制造的渦輪葉片原型中，凸出部之間的用于節(jié)流的最小間距在任何情況下都小于理論上所要求的最小間距。然后，對借此制造的第一渦輪葉片原型進行冷卻介質(zhì)通流測量。期望的是，由于初次凸出部之間的過小的間距使節(jié)流作用過大，這首先造成過小的通流量。然后，根據(jù)通流測量的結果改變移動元件。所述移動元件的凸出部稍微地改變，由此在共同移動的狀態(tài)下擴大所述凸出部的最小間距。接下來，借此制造另一鑄造型芯。借助所述鑄造型芯制造另一渦輪葉片原型，然后重新確定所述另一渦輪葉片原型的通流量并且與期望的量進行比較。如果所確定的通流量相應于期望的通流量，那么結束移動元件的制造過程。因此，移動元件構造為，使得總是借助所述移動元件制造鑄造型芯，借助所述鑄造型芯能夠批量地制造根據(jù)規(guī)定的渦輪葉片。對于最終確定的通流量不相應于期望的通流量的情況，重新地執(zhí)行用于制造另一渦輪葉片原型的全部步驟，所述另一渦輪葉片原型的最小間距相對于之前的原型稍微擴大。所提出的解決方案的特殊的優(yōu)點在于，兩個移動件中的每個分別能夠單獨地加工一一例如通過磨削設置在其上的凸出部——，而沒有根本上改變渦輪葉片的結構和其冷卻系統(tǒng)。在此可能的是，在重復步驟期間僅加工移動元件中的一個或者兩個移動元件。尤其在修改現(xiàn)有的葉片時，為需要更多冷卻空氣以充分冷卻的情況提供所述方法。在該情況下，在葉片設計中僅需要最小的變化。因此，由于另外需要的鑄造變化引起的附加培訓不是必需的。整體上，本發(fā)明在制造渦輪葉片時引起廢品率的降低，這顯著地改進渦輪葉片的生產(chǎn)成本和生產(chǎn)時間。根據(jù)一個有利的改進形式，兩個凸出部一沿冷卻通道的流動方向觀察一相互錯開地設置。通過錯開地設置能夠進一步減小在壓力側(cè)壁的內(nèi)面和抽吸側(cè)壁的內(nèi)面之間的垂直距離，這引起葉身的尤其細長的后緣區(qū)域。這降低了在對葉身繞流的熱氣中的氣動損失。有利地，設置在壓力側(cè)壁的朝向內(nèi)部的面上的凸出部位于設置在抽吸側(cè)壁的朝向內(nèi)部的面上的凸出部的下游。該結構引起在通道中的冷卻介質(zhì)流，所述冷卻介質(zhì)流加強地流動經(jīng)過抽吸側(cè)壁的朝向內(nèi)部的面。由此，尤其在所述的急轉(zhuǎn)后緣(Cut-Back-Hinterkanten)處能夠?qū)崿F(xiàn)抽吸側(cè)的后緣的未受保護的端部的延長的薄膜冷卻作用，這在那里降低磨損現(xiàn)象并且延長渦輪葉片的壽命。優(yōu)選地，在后緣上設置多個開口，其中冷卻通道將多個開口共同地與空腔連接。當凸出部構成為肋時，借助于葉身的側(cè)壁的朝向內(nèi)部的面的所述有棱邊的輪廓在工作時在冷卻介質(zhì)中產(chǎn)生湍流。所述湍流一方面能夠有助于節(jié)流作用并且另一方面由于湍流的冷卻介質(zhì)流而能夠用于提高熱傳遞。渦輪葉片的借助本發(fā)明提出的內(nèi)部不僅能夠應用于具有(對于側(cè)壁而言)共同的后緣的渦輪葉片而且還能夠用于具有所謂的急轉(zhuǎn)后緣的渦輪葉片。


根據(jù)附圖詳細地闡明本發(fā)明的另一優(yōu)選的實施形式。附圖示出圖1示出渦輪葉片的立體圖，圖2示出橫貫現(xiàn)有技術中已知的渦輪葉片的后緣的區(qū)域的縱剖圖，圖3示出橫貫根據(jù)本發(fā)明第一設計方案的渦輪葉片的后緣區(qū)域的橫截面圖，以及圖4示出橫貫根據(jù)本發(fā)明第二設計方案的渦輪葉片的后緣區(qū)域的橫截面圖。
具體實施例方式相同的特征在全部附圖中設有相同的附圖標記。在圖1中示出本發(fā)明所涉及的燃氣輪機葉片10的立體圖。燃氣輪機葉片10根據(jù)圖1構成為轉(zhuǎn)子葉片。本發(fā)明也能夠應用在燃氣輪機的未示出的導向葉片中。渦輪葉片10包括在橫截面中揪樹形的葉根12以及設置在其上的平臺14。流線型彎曲的葉身16連接到平臺14上，所述葉身具有前緣18以及后緣20。在前緣18上設有設置為所謂的“噴頭”的冷卻開口，在內(nèi)部流動的冷卻介質(zhì)，優(yōu)選冷卻空氣，能夠從所述冷卻開口中流出。葉身16包括一關于圖1—在后側(cè)的抽吸側(cè)壁22以及在前側(cè)的壓力側(cè)壁24。沿著后緣20設有多個開口 28，所述開口通過設置在其之間的接片30相互分開。在此，后緣20構成為所謂的急轉(zhuǎn)后緣，使得開口 28與在后緣20的中部相比更傾向于安置在壓力側(cè)。圖2示出沿著下述的平面的由現(xiàn)有技術已知的渦輪葉片的內(nèi)部的縱剖圖，所述平面沿從葉身16的前緣18延伸至后緣20的中線伸展并且沿從葉根12朝向葉片尖部延伸的葉片縱向方向伸展。在圖2中，不出在更右側(cè)設置的后緣開口 28,在所述后緣開口之間設置有接片30。接片30基本上平行于熱氣流延伸，所述熱氣流在葉身16工作時從前緣18至后緣20進行繞流。在圖2的左側(cè)中示出多個以柵的形式設置的柱或底座32。在此，底座32和接片30從抽吸側(cè)壁22的內(nèi)面34延伸至壓力側(cè)壁24的圖2中未示出的內(nèi)面。因此，底座32設置在渦輪葉片10的空腔38中，所述空腔在側(cè)向被抽吸側(cè)壁22和壓力側(cè)壁24限界。在燃氣輪機中應用渦輪葉片10的情況下，在工作期間，例如冷卻空氣40或冷卻蒸汽的冷卻介質(zhì)對空腔38進行通流。通常，渦輪葉片10的未在圖2中示出的部分構成在內(nèi)部中，使得底座32的區(qū)域基本上均勻地被冷卻空氣40迎流。以柵的形式設置的底座32被均勻地迎流通過用40標記的箭頭示出。冷卻空氣40撞到各個底座32上并且在此被所述底座偏轉(zhuǎn)，其中所述冷卻空氣的主流動方向基本上保持不變。在此，在冷卻空氣40中產(chǎn)生湍流。由熱氣引入到葉片壁22、24中的熱量從所述葉片壁中繼續(xù)導入底座32中。在那里，撞到底座32上的冷卻空氣40吸收熱量并且運走所述熱量。在冷卻空氣40通流底座區(qū)域之后，所述冷卻空氣進入到通路41中，所述通路將空腔38與開口 28連接。在通流通路41之后，冷卻空氣40穿過開口 28從渦輪葉片10中流出并且與對葉身16繞流的熱氣混合。為了現(xiàn)在調(diào)節(jié)離開開口 28的冷卻介質(zhì)的量，在抽吸側(cè)壁22或壓力側(cè)壁24的內(nèi)面
34、36上設有凸出部42、44 (圖3、圖4)。兩個凸出部42、44中的一個(42)設置在內(nèi)面34上或者設置在所述內(nèi)面34的一部分上，兩個凸出部42、44中的另一個(44)安置在內(nèi)面36上或者在所述內(nèi)面36的一部分上。內(nèi)面34、36對空腔38以及冷卻通道46進行限界，所述冷卻通道將空腔38與開口 28連接。在此可能的是，空腔38和通道46彼此相通?，F(xiàn)在，根據(jù)本發(fā)明，在兩個凸出部42、44的區(qū)域中，在內(nèi)面34和內(nèi)面36之間設有最小間距。為此，——在圖3中關于橫貫渦輪葉片10的后緣20的其中示出的橫截面——示出冷卻通道46的中線47，所述中線總是具有距內(nèi)面34和內(nèi)面36的相同的垂直距離。在此，形成節(jié)流元件的最小間距A設置在兩個凸出部42、44之間，由此所述凸出部相互關聯(lián)。凸出部42、44既不取代底座32也不取代接片30。根據(jù)圖3，凸出部42、44沿著葉片縱向方向(垂直于葉身平面)在冷卻通道46的整個高度上延伸。如在根據(jù)圖3示出的橫截面中，凸出部42、44的輪廓構成為，使得所述輪廓實現(xiàn)冷卻通道朝向后緣開口 28沿著冷卻介質(zhì)的流動方向無階梯地并且無棱邊地伸展。在此，冷卻通道46收縮。替選地能夠提出，如在圖4中示出，凸出部構成為肋的形式。根據(jù)圖4，凸出部42、44具有高度為H1或H2的肋狀的輪廓。在制造根據(jù)本發(fā)明的渦輪葉片的第一原型時，高度H1和H2相對大，使得能夠確定冷卻空氣消耗，所述冷卻空氣消耗低于期望的或者預設的消耗。通過修改型芯模具，即相應的移動元件，能夠逐漸地制造其他原型，所述其他原型由于肋高度故、H2降低而總是與之前制造的原型相比需要稍微更多的冷卻介質(zhì)。在此，每次重復包括制造具有限定的肋高度H1和4的渦輪葉片并且確定相應的渦輪葉片原型的冷卻介質(zhì)消耗。一旦確定相應于期望的或者預設的量的冷卻介質(zhì)消耗，就結束移動元件的制造，使得借助然后可用的型芯模具能夠以提高的量制造鑄造型芯進而制造具有期望的冷卻劑消耗的渦輪葉片，這顯著地降低廢品率。實際上，借助所提出的設計方案說明一種渦輪葉片10，所述渦輪葉片在模具制造階段期間實現(xiàn)簡單的且低成本的試驗階段，以便在重復結束之后為一組渦輪葉片10提供精確的已制成的型芯模具。此外甚至可能的是，需要用于鑄造根據(jù)本發(fā)明的渦輪葉片10的鑄造型芯與從現(xiàn)有技術中已知的鑄造型芯相比在操縱時更少折斷。顯然可能的是，替代兩個凸出部42、44，節(jié)流元件僅包括唯一的凸出部44(或42)，使得確定通流量的最小間距位于唯一的凸出部44(或42)和抽吸側(cè)壁22的(或壓力側(cè)壁36的)與其相對置的、因此向內(nèi)指向的面34 (或36)之間。因此在該情況下，相對置的面34或36也同樣構成在最小間距的區(qū)域中。整體上，借助本發(fā)明提出一種渦輪葉片10，直接在鑄造渦輪葉片10時相對簡單且精確地調(diào)節(jié)從后緣20中流出的冷卻介質(zhì)40的量，而關于調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)消耗不需要對所鑄造的渦輪葉片10進行再加工。為了實現(xiàn)上述內(nèi)容而提出，將凸出部42、44安置在抽吸側(cè)壁22或壓力側(cè)壁24的內(nèi)面34、36上，在所述凸出部之間存在節(jié)流元件，借助于所述節(jié)流元件調(diào)節(jié)流出的冷卻介質(zhì)的量。所述布置實現(xiàn)簡單地制造型芯模具，借助所述型芯模具能夠總是以期望的精度反復地制造需要用于鑄造渦輪葉片10的鑄造型芯。
權利要求
1.用于燃氣輪機的渦輪葉片(10)，所述渦輪葉片具有能夠被熱氣繞流的葉身(16)，所述葉身包括抽吸側(cè)壁(22)和壓力側(cè)壁(24)，所述抽吸側(cè)壁和所述壓力側(cè)壁在熱氣的流動方向上從共同的前緣(18)延伸至后緣(20)， 其中在所述后緣(20)處設有至少一個開口(28)用于排出之前冷卻所述葉身(16)的冷卻介質(zhì)(40)，所述至少一個開口借助于通道(46)與設置在所述葉身(16)中的空腔(38)流體連接， 其中所述通道(46 )也由所述抽吸側(cè)壁(22 )的朝向內(nèi)部的面(34)和所述壓力側(cè)壁(24)的朝向內(nèi)部的面(36)限界，并且設有節(jié)流元件用于調(diào)節(jié)從所述開口(28)中流出的冷卻介質(zhì)量， 其特征在于， 所述節(jié)流元件一相對于所述通道(46)的通流方向一在相關的開口(28)的上游包括兩個凸出部(42，44)，兩個所述凸出部分別設置在兩個所述朝向內(nèi)部的面(34，36)中的一個上。
2.根據(jù)權利要求1所述的渦輪葉片(10)，其中兩個所述凸出部(42，44)—沿所述冷卻通道(46)的通流方向觀察一相互錯開地設置。
3.根據(jù)權利要求2所述的渦輪葉片(10)，其中設置在所述壓力側(cè)壁(24)的朝向內(nèi)部的面(36 )上的凸出部(42，44)位于設置在所述抽吸側(cè)壁(22 )的朝向內(nèi)部的面(34)上的凸出部(42，44)的下游。
4.根據(jù)權利要求1、2或3所述的渦輪葉片(10)，其中在所述后緣(20)上設有多個開口(28)，并且所述冷卻通道(46 )將多個開口(28)共同地與所述空腔(38)連接。
5.根據(jù)上述權利要求之一所述的渦輪葉片(10)，其中所述凸出部(42，44)構成為肋。
6.根據(jù)權利要求1至4之一所述的渦輪葉片(10)，其中所述冷卻通道(46)是會聚的并且兩個所述凸出部(42，44)以連續(xù)的并且無棱邊的輪廓安置在所述朝向內(nèi)部的面(34，36)上。
7.根據(jù)上述權利要求之一所述的渦輪葉片(10)，其中所述開口(28)設置在壓力壁側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于燃氣輪機的渦輪葉片(10)，直接在鑄造渦輪葉片(10)時簡單且精確地調(diào)節(jié)從后緣(20)中流出的冷卻介質(zhì)(40)的量，而關于調(diào)節(jié)制冷介質(zhì)消耗不需要對所鑄造的渦輪葉片(10)進行再加工。為了實現(xiàn)上述內(nèi)容而提出，將凸出部(42，44)安置于抽吸側(cè)壁(22)或者壓力側(cè)壁(24)的內(nèi)面(34，36)上，在所述凸出部之間存在節(jié)流元件，借助于所述節(jié)流元件調(diào)節(jié)流出的冷卻介質(zhì)(40)的量。所述布置實現(xiàn)簡單地制造型芯模具，借助所述型芯模具能夠總是以期望的精度反復地制造需要用于鑄造渦輪葉片(10)的鑄造型芯。
文檔編號F01D5/18GK103080478SQ201180042590
公開日2013年5月1日 申請日期2011年8月29日 優(yōu)先權日2010年9月3日
發(fā)明者法蒂·艾哈邁德 申請人:西門子公司