專利名稱：燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片。
現(xiàn)在的燃?xì)廨啓C(jī)裝置的效率的改進(jìn)及輸出功率的提高在很大程度上是通過提高溫度來實(shí)現(xiàn)的。但由于燃?xì)廨啓C(jī)的材料的熱強(qiáng)度是有限的，因此處于最高溫度下的各種零部件必須進(jìn)行冷卻。這就特別要涉及燃?xì)廨啓C(jī)的導(dǎo)葉及動(dòng)葉。
為了這一目的，設(shè)計(jì)渦輪葉片時(shí)，在其內(nèi)部至少設(shè)計(jì)得局部是空的，且具有一個(gè)或多個(gè)冷卻通道。一種冷卻流體流過該通道，這種冷卻作用通過葉體內(nèi)的對流換熱進(jìn)行。另外，借助于將部分冷卻流體導(dǎo)流流過葉體中的各開口而流到該渦輪葉片的外部，有可能形成氣膜冷卻。一冷卻流體膜在此形成，從而將渦輪的熱工作介質(zhì)與渦輪葉片的外界隔開(參見德國專利DE3642789C2)。公知的可作為冷卻流體的是從燃?xì)廨啓C(jī)裝置的壓氣機(jī)來的，或從外部氣源來的，并處于正壓力的空氣，甚至還有適當(dāng)處理過的蒸汽。
首先將來源于一蒸汽環(huán)路的蒸汽保持在一封閉的冷卻環(huán)路中的各種蒸汽冷卻系統(tǒng)，根據(jù)技術(shù)要求不同而變化。由對流冷卻過程加熱的蒸汽重新供到該蒸汽環(huán)路中(參見EP0698723 A2)。各個(gè)敞開式蒸汽冷卻系統(tǒng)也是公知的，其中加熱后的蒸汽經(jīng)過葉體中的各個(gè)開口導(dǎo)流到該渦輪葉片的外部。另外，還有各種混合蒸汽冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一封閉的主要部分和一個(gè)在葉片出氣邊區(qū)域敞開的冷卻系統(tǒng)，該敞開式冷卻系統(tǒng)利用蒸汽或空氣工作。
與各種敞開式冷卻系統(tǒng)相比，甚至與各種公知的混合蒸汽冷卻系統(tǒng)相比，各種公知的封閉蒸汽冷卻系統(tǒng)在冷卻過程方面具有許多優(yōu)點(diǎn)。這種系統(tǒng)的使用范圍現(xiàn)在正在擴(kuò)大，具體原因是因?yàn)樗鼈兊男矢?。然而，一封閉蒸汽冷卻系統(tǒng)可能會(huì)因?yàn)殡s質(zhì)穿入與葉片的導(dǎo)向邊相鄰的冷卻通道中而受到嚴(yán)重?fù)p害。根據(jù)雜質(zhì)撞擊期間形成于該葉片導(dǎo)向邊中的各個(gè)孔的數(shù)量及大小不同，許多冷卻蒸汽漏離，從而在穿透處的下游的葉片不再具有足夠的冷卻。因此此時(shí)材料產(chǎn)生過熱，由于這個(gè)原因?qū)?dǎo)致嚴(yán)重的后續(xù)損壞。
因此，為了克服上述所有這些缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的之一是提供各種可提高其工作可靠性的新型渦輪葉片。
根據(jù)本發(fā)明，這個(gè)目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，替換為權(quán)利要求1“其特征”之前的文字，在葉片的吸氣側(cè)壁區(qū)域，壓氣側(cè)壁區(qū)域及出氣邊區(qū)域的葉體內(nèi)腔，具有一個(gè)帶有至少一個(gè)冷卻通道的封閉式冷卻系統(tǒng)。另一方面，在葉片的導(dǎo)向邊區(qū)域形成一個(gè)單獨(dú)的敞開式冷卻系統(tǒng)，該敞開式冷卻系統(tǒng)具有至少一個(gè)冷卻通道和一組穿過葉體的氣膜冷卻孔。
由于該葉片的冷卻分成兩個(gè)單獨(dú)的冷卻系統(tǒng)，因此在一般大小的雜質(zhì)穿過時(shí)，只有與葉片導(dǎo)向邊相鄰的敞開式冷卻系統(tǒng)受到影響。而蒸汽對葉體的主要部分的對流冷卻作用仍得到了保證。在葉片的導(dǎo)向邊區(qū)域，該葉體同樣可通過該敞開式冷卻系統(tǒng)進(jìn)行同樣的對流冷卻及附加的氣膜冷卻。
在一最佳的實(shí)施方式中，該敞開式冷卻系統(tǒng)由兩個(gè)設(shè)置得相互平行且通過一組進(jìn)氣孔相互連接的冷卻通道組成。在該設(shè)計(jì)方案中，在第一冷卻通道的下游存在泄漏時(shí)，借助于從第二冷卻通道供給的冷卻介質(zhì)也可保持冷卻作用。
在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，該個(gè)鄰近于葉片導(dǎo)向邊的冷卻通道的設(shè)計(jì)至少大致為圓形。各個(gè)氣膜冷卻孔“進(jìn)氣孔”從該第一冷卻通道開始沿切向延伸，而各個(gè)進(jìn)氣孔從第二冷卻通道開始沿切向延伸并同樣沿切向?qū)朐摰谝焕鋮s通道中。因此在第一冷卻通道中的冷卻介質(zhì)要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。冷卻介質(zhì)的這種渦流既可用于改善葉體內(nèi)腔的對流冷卻，又可對葉體提供有效的氣膜冷卻。
特別合適的是氣膜冷卻孔朝向吸氣側(cè)壁并至少大致處于該燃?xì)廨啓C(jī)的工作流體的流動(dòng)方向。因此從氣膜冷卻孔中高速流出的工作介質(zhì)要求的流動(dòng)方向已經(jīng)預(yù)先確定。這樣，一種提高了冷卻作用的冷卻膜分布于該渦輪葉片的吸氣側(cè)壁上，因此可提高膜冷效果。
在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，該封閉式冷卻系統(tǒng)也由至少兩個(gè)相互平行設(shè)置且通過各個(gè)連接孔相互連接的冷卻通道組成。當(dāng)雜質(zhì)穿過后，該冷卻介質(zhì)流過各連接孔，流到相應(yīng)的雜質(zhì)穿過點(diǎn)，所以處于冷卻側(cè)下游的各冷卻部分仍可充滿冷卻介質(zhì)。這樣，可進(jìn)一步改善渦輪葉片的工作可靠性。
最后，根據(jù)冷卻介質(zhì)的可獲得性，可用空氣作為敞開式冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)，或用蒸汽作為封閉式冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)。
參照與燃?xì)廨啓C(jī)的動(dòng)葉的各個(gè)附圖一起考慮時(shí)而作出的下列詳細(xì)說明，就會(huì)對本發(fā)明有更好的理解，故可容易地得出對本發(fā)明更完全的理解及其許多明顯的優(yōu)點(diǎn)。


圖1所示為一個(gè)具有一封閉式及一敞開式冷卻系統(tǒng)的動(dòng)葉的局部縱剖視圖；圖2所示為沿圖1中平面Ⅱ-Ⅱ剖開的剖視圖(放大)；圖3所示為一個(gè)類似于圖1中動(dòng)葉但帶有兩個(gè)平行冷卻通道的剖視圖；圖4所示為沿圖3中平面Ⅳ-Ⅳ的剖視圖(放大)。
各圖中只示出了那些對本發(fā)明的理解起關(guān)鍵作用的零部件。該燃?xì)廨啓C(jī)裝置的沒有示出的零部件包括諸如壓氣機(jī)，燃燒室及導(dǎo)葉。工作介質(zhì)的流動(dòng)方向由箭頭表示。
現(xiàn)在參見附圖，其中相同的標(biāo)號在各個(gè)附圖中自始至終表示相同的或?qū)?yīng)的部件，該燃?xì)廨啓C(jī)(未示出)具有幾排動(dòng)葉和導(dǎo)葉。圖1中示出了一片動(dòng)葉1。該動(dòng)葉由葉跟2和葉體3組成。該動(dòng)葉1的葉體3具有吸氣側(cè)壁4，與該吸氣側(cè)壁4相對的壓氣側(cè)壁5，葉片導(dǎo)向邊6和葉片出氣邊7。該動(dòng)葉具有空的內(nèi)部空間8，在該吸氣側(cè)壁4、該壓氣側(cè)壁5及葉片出氣邊區(qū)域中，內(nèi)部空間包括一個(gè)帶有一冷卻通道10(圖2)的封閉式蒸汽冷卻系統(tǒng)9。在另一方面，在葉片的導(dǎo)向邊6區(qū)域形成有一個(gè)帶有兩個(gè)相互平行設(shè)置的冷卻通道14,15的敞開式冷卻系統(tǒng)11。一隔壁16設(shè)置于該封閉式蒸汽冷卻系統(tǒng)9和該敞開式冷卻系統(tǒng)11之間。
該敞開式冷卻系統(tǒng)11的第一冷卻通道14鄰近葉片的導(dǎo)向邊6，并設(shè)計(jì)為圓形，且經(jīng)一組設(shè)置于一中間壁17中的進(jìn)氣孔18與第二冷卻通道15相連。當(dāng)然該第一冷卻通道14也可具有其它合適的形狀，例如一近似圓形，一橢圓形或一土豆形的設(shè)計(jì)(未示出)。該中間壁117在葉跟2的區(qū)域通過一連接片19連接到吸氣側(cè)壁4上，一組用于對該吸氣側(cè)壁4進(jìn)行局部冷卻的冷卻孔20設(shè)置于該連接片19中。
設(shè)置于該中間壁17中的各進(jìn)氣孔18使該兩個(gè)冷卻通道14,15相切地連接。從該第一冷卻通道14起，一排在任何情況下都具有一組朝向該吸氣側(cè)壁4，以及大致處于該燃?xì)廨啓C(jī)的工作流體13的流動(dòng)方向12的切向氣膜冷卻孔22的膜孔排21，位于葉體3中，并穿過該葉體3。也可以在該葉體3中設(shè)置一組膜孔排21。這一特征在圖2中由虛線所示的第二膜孔排21示出。
在該燃?xì)廨啓C(jī)裝置工作期間，從燃燒室來的熱工作流體13被導(dǎo)入燃?xì)廨啓C(jī)中并通過流體動(dòng)葉1在那里產(chǎn)生膨脹。在該過程中，固體顆?？赡軙?huì)穿入燃?xì)廨啓C(jī)并與其零部件產(chǎn)生碰撞。由于處于葉片導(dǎo)向邊6的區(qū)域因而處于該燃?xì)廨啓C(jī)工作流體13的流動(dòng)方向12的敞開式冷卻系統(tǒng)11處于最上游，因此工作流體13中所含撞擊該動(dòng)葉1的葉體3的顆粒實(shí)際上只能損壞該敞開式冷卻系統(tǒng)11，而與該敞開式冷卻系統(tǒng)分開的封閉式冷卻系統(tǒng)9得到了保護(hù)。因此，該葉體3的主要部分的冷卻從一開始就得到了保證。
在敞開式冷卻系統(tǒng)11中，用作冷卻介質(zhì)23的是來源于燃?xì)廨啓C(jī)裝置的壓氣機(jī)的空氣或一外部氣源來的空氣，并且該些空氣都具有正壓力?？諝?3通過一個(gè)設(shè)置于葉跟2中的進(jìn)氣通道24導(dǎo)入第二冷卻通道15，從而對葉體3進(jìn)行對流冷卻。然后，該空氣23通過進(jìn)氣孔18進(jìn)入第一冷卻通道14，并同樣對葉體3進(jìn)行對流冷卻。由于第一冷卻通道14的圓形設(shè)計(jì)并由于該空氣23的切向噴射，因此該空氣23要進(jìn)行一旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)明顯改善了冷卻作用。從該第一冷卻通道14開始，該空氣23流過同樣是切向布置的膜冷孔22流到該吸氣側(cè)壁4上。在此，該空氣形成一層薄的冷卻膜，該膜將葉體3的外表面與該燃?xì)廨啓C(jī)的熱工作流體13隔開。由于該膜冷孔22的取向，空氣23就可大致沿該燃?xì)廨啓C(jī)的工作流體13流動(dòng)方向排出，這進(jìn)一步改善該膜的冷卻效果。
適當(dāng)處理過的蒸汽也可用作冷卻介質(zhì)23。在這種情況下，該封閉式冷卻系統(tǒng)9及敞開式冷卻系統(tǒng)11兩者都采用相同的冷卻介質(zhì)23,26工作。因此不必單獨(dú)供給冷卻介質(zhì)，所以在葉跟2的區(qū)域，兩冷卻系統(tǒng)9,11之間的隔壁可縮短(未示出)。
工作流體13中所含的顆粒物以極高的動(dòng)能碰撞該動(dòng)葉1的葉片導(dǎo)向邊6，并可穿透該導(dǎo)向邊6。因此在葉體3的該區(qū)域(圖1,2)會(huì)形成孔25。通過孔25泄漏的空氣23由從第二冷卻通道15來的額外提供的空氣23補(bǔ)償。該燃?xì)廨啓C(jī)的任何穿過的熱工作流體首先保持在作渦旋運(yùn)動(dòng)的空氣的中心，并最后由該空氣23稀釋，所以，即使在顆粒物碰撞葉片導(dǎo)向邊后，敞開式冷卻系統(tǒng)11中的冷卻作用也仍能保持。
該敞開式冷卻系統(tǒng)在冷卻作用期間，流入燃?xì)廨啓C(jī)的工作流體13中的冷卻介質(zhì)在渦輪葉片的下游部分發(fā)生膨脹。在另一方面，在封閉式冷卻系統(tǒng)9中用作冷卻介質(zhì)26的蒸汽進(jìn)行再循環(huán)，并且例如在與該燃?xì)廨啓C(jī)相連的蒸汽輪機(jī)的蒸汽通路中膨脹(未示出)。
在第二個(gè)示范性實(shí)施例中，該封閉式冷卻系統(tǒng)9設(shè)計(jì)為一個(gè)蛇形管冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩個(gè)相互平行設(shè)置、并沿葉片縱向從葉跟2向葉梢29延伸的冷卻通道27,28組成。該兩冷卻通道27,28在葉梢29處改為沿該動(dòng)葉1(圖3)的葉跟2的方向。具有一組連接孔31的肋壁30設(shè)置于兩平行設(shè)置的冷卻通道27,28之間，蒸汽26穿過該兩通道27,28沿相同的方向流動(dòng)。當(dāng)然，在冷卻通道28,27之間還設(shè)置有肋壁32，空氣穿過通道28,27沿相反的方向產(chǎn)生流動(dòng)。然而，該肋壁32沒有連接孔31(圖4)。冷卻介質(zhì)26的任何臟的顆粒物或其它雜質(zhì)的排出孔33設(shè)置于葉梢29處。
在這種燃?xì)廨啓C(jī)裝置工作期間，在封閉式冷卻系統(tǒng)9的區(qū)域中的各個(gè)孔25也可得到補(bǔ)償。如果雜質(zhì)顆粒穿入動(dòng)葉1的該區(qū)域，則冷卻介質(zhì)將穿過連接孔31流出不受任何影響的冷卻通道27、28而流到相應(yīng)的各個(gè)孔25處，所以，處于冷卻側(cè)下游的冷卻部分仍能充滿蒸汽26。與敞開式冷卻系統(tǒng)11相關(guān)的操作步驟與根據(jù)動(dòng)葉示范性實(shí)施例所述的類似。
一燃?xì)廨啓C(jī)的各個(gè)導(dǎo)葉(未示出)當(dāng)然也可以根據(jù)冷卻情況按類似的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。
顯而易見地，根據(jù)上述教導(dǎo)，可對本發(fā)明作出許多修改及變形。因此可理解在所附的各權(quán)利要求的范圍內(nèi)，除了本文具體描述的內(nèi)容外，本發(fā)明還可以其它方式實(shí)施。
權(quán)利要求
1．一種燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片，具有一個(gè)由葉片導(dǎo)向邊(6)，與葉片導(dǎo)向邊(6)相對的葉片出氣邊(7)，吸氣側(cè)壁(4)和邊壓氣側(cè)壁(5)，及空的內(nèi)腔(8)組成的葉體(3)并且在該內(nèi)腔(8)中設(shè)置有用于使至少一種冷卻介質(zhì)(23,26)流過的一組冷卻通道(10,14,15,27,28)，其特征在于，a)，在該葉片的吸氣側(cè)壁(4)，壓氣側(cè)壁(5)及葉片出氣邊(7)的區(qū)域中的該內(nèi)腔(8)具有一個(gè)帶有至少一個(gè)冷卻通道(10,27,28)的封閉式冷卻系統(tǒng)(9),b)，在該葉片導(dǎo)向邊(6)的區(qū)域形成有一敞開式冷卻系統(tǒng)(11)，該敞開式冷卻系統(tǒng)具有至少一個(gè)冷卻通道(14,15)及一組穿過葉體3的氣膜冷卻孔(22)。
2．如權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其特征在于該敞開式冷卻系統(tǒng)(11)由兩個(gè)相互平行設(shè)置且通過一組進(jìn)氣孔(18)相互連接的冷卻通道(14,15)組成。
3．如權(quán)利要求2所述的渦輪葉片，其特征在于各個(gè)氣膜冷卻孔(22)的設(shè)置方式使其從與葉片導(dǎo)向邊(6)相鄰的第一冷卻通道(14)開始沿切向延伸，并且各個(gè)進(jìn)氣孔(18)的設(shè)置方式使其從第二冷卻通道(15)開始沿切向延伸，并同樣沿切向?qū)朐摰谝焕鋮s通道(14)中。
4．如權(quán)利要求3所述的渦輪葉片，其特征在于該第一冷卻通道(14)的設(shè)計(jì)為至少大致圓形。
5．如權(quán)利要求4所述的渦輪葉片，其特征在于各個(gè)氣膜冷卻孔(22)朝向葉片的吸氣側(cè)壁(4)，并至少大致處于工作流體(13)的流動(dòng)方向(12)。
6．如權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其特征在于該封閉式冷卻系統(tǒng)(9)由至少兩個(gè)相互平行設(shè)置且通過各個(gè)連接孔(31)相互連接的冷卻通道(27,28)組成。
7．如權(quán)利要求2或6所述的渦輪葉片，其特征在于空氣用作該敞開式冷卻系統(tǒng)(11)的冷卻介質(zhì)(23)。
8．如權(quán)利要求2或6所述的渦輪葉片，其特征在于蒸汽用作該敞開式冷卻系統(tǒng)(11)的冷卻介質(zhì)(23)。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供可提高工作可靠性的渦輪葉片。根據(jù)本發(fā)明,在葉體3的內(nèi)腔8中,在該葉片的吸氣側(cè)壁4、壓氣側(cè)壁5及出氣邊7的區(qū)域具有一個(gè)帶有至少兩個(gè)冷卻通道10,27,28的封閉式冷卻系統(tǒng)9。在該葉片導(dǎo)向邊6的區(qū)域形成有一個(gè)敞開式冷卻系統(tǒng)11,其具有至少一個(gè)冷卻通道14,15及一組穿過該葉體3的氣膜冷卻孔22。
文檔編號F01D5/18GK1211667SQ9811695
公開日1999年3月24日 申請日期1998年8月28日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月1日
發(fā)明者W·恩德雷斯, H·維特斯泰恩 申請人:亞瑞亞·勃朗勃威力有限公司