專利名稱：透平機(jī)葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種透平機(jī)葉片，其具有一成型的并沿著一葉片軸線延伸的葉身。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)在許多領(lǐng)域用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)或工作機(jī)械。其中，利用燃料能量使透平機(jī)軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。燃料為此在一燃燒室中燃燒，其中，由一空壓機(jī)輸送壓縮空氣。在燃燒室中通過燃料的燃燒產(chǎn)生的處于高壓和高溫下的工作介質(zhì)，此時(shí)通過一個(gè)連接在燃燒室后的透平單元膨脹作功。
此外，為產(chǎn)生透平機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在該軸上設(shè)置一定數(shù)量的通常合并為葉片組或葉片列的動(dòng)葉片，它們利用流體介質(zhì)的沖量來驅(qū)動(dòng)透平機(jī)軸。為此，為在透平單元中導(dǎo)引流體介質(zhì)，通常是在相鄰的動(dòng)葉片列之間設(shè)置與透平外殼連接的導(dǎo)向葉片列。透平機(jī)葉片，特別是導(dǎo)向葉片通常為適當(dāng)導(dǎo)引工作介質(zhì)具有一成型的并沿著葉片軸線延伸的葉身，在其用于將透平機(jī)葉片固定在各自支座上的端部，成型有一橫向于葉片軸線延伸的并在至少一端部?jī)?nèi)構(gòu)成鉤形基座的平臺(tái)。
為獲得特別有利的效率，這種燃?xì)廨啓C(jī)出于熱力學(xué)的原因通常設(shè)計(jì)成，其從燃燒室流出且隨后要流入透平單元中的工作介質(zhì)的出口溫度特別高，約為1200℃至約1300℃。在這樣高的溫度下，燃?xì)廨啓C(jī)的部件，特別是透平機(jī)葉片會(huì)承受較高的熱負(fù)荷。為在這種工作條件下也能保證各部件有較高的可靠性和較長(zhǎng)的使用壽命，相關(guān)部件通常要被冷卻。
因此，在現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)中，透平機(jī)葉片通常由所謂的空心型材制成。成型的葉身為此在其內(nèi)部具有也被稱為葉片芯的空腔，其中可以輸入冷卻劑。通過這樣構(gòu)成的冷卻劑通道，因此可以為各葉片承受熱負(fù)載的區(qū)域供給冷卻劑。特別有利的冷卻效果和因此特別高的工作可靠性由此可以實(shí)現(xiàn)，即冷卻劑通道在各葉身的內(nèi)部占有較大的空間，并且冷卻劑輸送到盡可能靠近各個(gè)承受熱煙氣的表面處。另一方面，為了在這樣的設(shè)計(jì)中確保足夠的機(jī)械穩(wěn)定性和承載能力，各透平機(jī)葉片內(nèi)部可以有多個(gè)冷卻流道，其中，在葉片型材的內(nèi)部，具有可供給冷卻劑的并彼此通過較薄隔板隔開的多個(gè)冷卻劑通道。
出于效率原因，在設(shè)計(jì)這種透平機(jī)葉片時(shí)希望有較低的冷卻劑消耗量。在透平機(jī)葉片上施加較熱工作介質(zhì)并在有限地消耗冷卻劑的情況下，對(duì)透平機(jī)葉片各部件的可靠冷卻，常常只有通過將各部件設(shè)計(jì)成具有較薄壁的材料消耗較小的結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)。但恰恰在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在透平機(jī)葉片的各部件中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和同樣出現(xiàn)的很高的機(jī)械負(fù)荷，可能會(huì)導(dǎo)致材料疲勞或者甚至材料斷裂?？墒鞘褂幂^厚壁的結(jié)構(gòu)件卻又是不希望的，因?yàn)闉榇怂璧睦鋮s劑量會(huì)增大并因而導(dǎo)致冷卻費(fèi)用增大。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種上述類型的透平機(jī)葉片，它一方面可承受高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，另一方面可保證比較節(jié)省地消耗冷卻劑。
上述技術(shù)問題通過這樣一種透平機(jī)葉片來解決，其具有一成型的并沿著葉片軸線延伸的葉身，按照本發(fā)明，在葉身的一端部上成型有一個(gè)橫向于葉片軸線延伸的熱工作介質(zhì)平臺(tái)和一個(gè)處于該熱工作介質(zhì)平臺(tái)上方的承載平臺(tái)，其中，該承載平臺(tái)與熱工作介質(zhì)平臺(tái)僅通過葉身進(jìn)行機(jī)械連接。
在此，本發(fā)明是基于如下考慮，即使在承受高熱負(fù)荷的透平機(jī)葉片中，通過盡可能將構(gòu)件設(shè)計(jì)為具有薄壁結(jié)構(gòu)，為可靠冷卻所需的冷卻劑消耗也能保持較少。為了在透平機(jī)葉片承受較強(qiáng)機(jī)械負(fù)荷的情況下，也能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，同時(shí)沒有值得一提的材料被破壞的危險(xiǎn)，透平機(jī)葉片上的熱負(fù)載量應(yīng)始終保持和機(jī)械負(fù)載量分開。為此，在葉片上成型兩個(gè)平臺(tái)段，其中一個(gè)，即熱工作介質(zhì)平臺(tái)，僅承受熱負(fù)荷，另一個(gè)，即承載平臺(tái)，僅承受機(jī)械負(fù)荷。
由于熱工作介質(zhì)平臺(tái)根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計(jì)幾乎不承受機(jī)械負(fù)荷，因此它可以特別保持具有薄的壁。為吸收機(jī)械負(fù)荷具有足夠壁厚的承載平臺(tái)則借助于該熱工作介質(zhì)平臺(tái)與工作介質(zhì)產(chǎn)生的直接熱負(fù)荷隔開，并由此即使在較厚的結(jié)構(gòu)中，也可以使其保持在可靠的工作溫度下，而不會(huì)消耗很多的冷卻劑。這樣設(shè)計(jì)的葉片可由此具有很高的工作可靠性，即，恰恰是在壁較薄的熱工作介質(zhì)平臺(tái)中始終保持不產(chǎn)生熱應(yīng)力。為阻止熱應(yīng)力的產(chǎn)生，熱工作介質(zhì)平臺(tái)盡可能地可自由膨脹，從而即使在交變熱負(fù)荷下，基于熱膨脹或收縮而不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。熱工作介質(zhì)平臺(tái)的這種自由膨脹的結(jié)構(gòu)可由此實(shí)現(xiàn)，即該平臺(tái)在機(jī)械上盡可能保持與承載平臺(tái)分離。
根據(jù)其設(shè)計(jì)，熱工作介質(zhì)平臺(tái)保持基本上無機(jī)械負(fù)荷。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，比較有利的是將承載平臺(tái)的尺寸設(shè)計(jì)成，使它適合完全承受由環(huán)繞葉片流動(dòng)的工作介質(zhì)所產(chǎn)生的力。
在一個(gè)有利的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，承載平臺(tái)的造型設(shè)計(jì)僅僅局限在那些為滿足預(yù)定邊界條件地實(shí)現(xiàn)機(jī)械固定所需的結(jié)構(gòu)部分上，由此可以很低的加工成本和材料成本制造出透平機(jī)葉片。按照一種比較有利的設(shè)計(jì)，通過在葉身的工作介質(zhì)流出側(cè)邊緣上成型構(gòu)造出承載平臺(tái)，有利于實(shí)現(xiàn)這種最小造型設(shè)計(jì)。為此，葉片懸置部段的(沿工作介質(zhì)的流動(dòng)方向看過去的)后緣擴(kuò)展延伸成所述承載平臺(tái)，而盡可能地放棄了在葉身(沿工作介質(zhì)的流動(dòng)方向看過去的)前側(cè)區(qū)域成型出與承載平臺(tái)相配置的耗費(fèi)材料的結(jié)構(gòu)部分。
在一種特別具有優(yōu)點(diǎn)的設(shè)計(jì)構(gòu)造中，透平機(jī)葉片通過承載平臺(tái)的機(jī)械固定限制到最少量的一些為靜態(tài)確定性(statische Bestimmtheit)所需的固定點(diǎn)上。為此，比較有利的是，承載平臺(tái)上成型有一個(gè)用于徑向鉤連接的筋條和另一個(gè)位于該筋條上的用于軸向鉤連接的筋條。在這種設(shè)計(jì)構(gòu)造中，只需唯一的一個(gè)軸向支承點(diǎn)就足以滿足在透平機(jī)葉片的內(nèi)側(cè)完整地建立起靜態(tài)確定性。按照需要，還可以設(shè)置一個(gè)徑向上的防扭轉(zhuǎn)裝置和/或在透平機(jī)葉片外側(cè)設(shè)置一個(gè)周向固定裝置；它們可以通過在各筋條上成型的適當(dāng)結(jié)構(gòu)，例如槽或凸緣來實(shí)現(xiàn)。
該透平機(jī)葉片優(yōu)選為燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)向葉片，特別是固定式燃?xì)廨啓C(jī)的導(dǎo)向葉片。
利用本發(fā)明取得的優(yōu)點(diǎn)主要在于，通過將承載平臺(tái)與熱工作介質(zhì)平臺(tái)之間的機(jī)械連接簡(jiǎn)化為僅通過葉身的連接，可以使承受熱負(fù)荷的結(jié)構(gòu)件與承受機(jī)械負(fù)荷的結(jié)構(gòu)件始終分開。各結(jié)構(gòu)件，即熱工作介質(zhì)平臺(tái)和承載平臺(tái)，因此可以專門根據(jù)其實(shí)際用途來構(gòu)造，其中，特別是熱工作介質(zhì)平臺(tái)可自由膨脹并可以構(gòu)造成具有較薄的壁。熱工作介質(zhì)平臺(tái)和承載平臺(tái)為此也可以完全彼此獨(dú)立地成型，其中，特別是熱工作介質(zhì)平臺(tái)可以具有與承載平臺(tái)不同的寬度和形狀。承載平臺(tái)可以按照最小成型設(shè)計(jì)的方式完全針對(duì)力傳遞的必要性來進(jìn)行設(shè)計(jì)，由此在一定意義上可以省去成型出一些多余的結(jié)構(gòu)區(qū)域。因此，除了熱工作介質(zhì)平臺(tái)可有利于承受很高的熱負(fù)荷這一優(yōu)點(diǎn)外，同時(shí)還降低了材料的消耗，也就是說還具有制造成本特別低的優(yōu)點(diǎn)。


下面借助一附圖所示實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明予以詳細(xì)說明。
圖1為一透平機(jī)葉片的斜視圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，透平機(jī)葉片1具有一成型的葉身2，它沿著一葉片軸線4延伸。該葉身2為適當(dāng)影響在一個(gè)透平單元中流動(dòng)的工作介質(zhì)成拱形和/或凹曲。
透平機(jī)葉片1作為燃?xì)廨啓C(jī)的導(dǎo)向葉片。為了在約1200℃至1300℃的較高工作介質(zhì)溫度下應(yīng)用，透平機(jī)葉片1設(shè)計(jì)成可被冷卻。為此，葉身2內(nèi)部成型有一空腔6，一種冷卻劑，例如冷卻蒸汽可從其中通過。
在葉身2的端部8成型有一個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)10。該平臺(tái)系統(tǒng)10設(shè)計(jì)成既能承受工作介質(zhì)的熱負(fù)荷，也能承受工作介質(zhì)的機(jī)械負(fù)荷。為了高熱負(fù)荷時(shí)利用較少的冷卻劑量實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)有高度可靠的機(jī)械性能，平臺(tái)系統(tǒng)10的熱負(fù)荷部件與其機(jī)械負(fù)荷部件始終在結(jié)構(gòu)上分離。
為此，該平臺(tái)系統(tǒng)10一方面包括熱工作介質(zhì)平臺(tái)12，另一方面包括相對(duì)于該平臺(tái)在很大程度上保持獨(dú)立的承載平臺(tái)14。熱工作介質(zhì)平臺(tái)12用于承受熱負(fù)荷。承載平臺(tái)14設(shè)置在熱工作介質(zhì)平臺(tái)12遠(yuǎn)離工作介質(zhì)流動(dòng)空間的一側(cè)上，并因此處于熱工作介質(zhì)平臺(tái)12的上方，這樣一來，熱工作介質(zhì)平臺(tái)12相對(duì)于承載平臺(tái)14起到隔熱板作用。因此，承載平臺(tái)14不會(huì)承受工作介質(zhì)傳導(dǎo)來的熱量的熱負(fù)荷。
無論是熱工作介質(zhì)平臺(tái)12還是承載平臺(tái)14，在機(jī)械上僅與葉身2連接；承載平臺(tái)14與熱工作介質(zhì)平臺(tái)12之間不通過例如橫支撐或支板實(shí)現(xiàn)直接的機(jī)械連接。因此，熱工作介質(zhì)平臺(tái)12在其為實(shí)現(xiàn)自支撐而適當(dāng)加厚的環(huán)繞邊16處可在很大程度上自由膨脹延伸，而不會(huì)由于承載平臺(tái)14受到限制。在熱工作介質(zhì)平臺(tái)12因承受交變的熱負(fù)荷而產(chǎn)生橫向膨脹或收縮時(shí)，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力因此會(huì)特別小。
基于熱工作介質(zhì)平臺(tái)12的熱隔離作用，承載平臺(tái)14只承受較小的熱負(fù)荷并因此可較為簡(jiǎn)便地冷卻到一個(gè)可靠的工作溫度，它可以設(shè)計(jì)成用于完全承受工作介質(zhì)作用在葉身2上的力并因此設(shè)計(jì)成具有較厚的壁。然而，該承載平臺(tái)14可按照最小化設(shè)計(jì)方式僅在較少數(shù)量的機(jī)械固定點(diǎn)上成型，從而在很大程度上省去了除此之外更多的成型結(jié)構(gòu)部分。為此，承載平臺(tái)14只在葉身2的(沿工作介質(zhì)在透平單元中的流動(dòng)方向看過去的)流出側(cè)邊緣18上成型；而在葉身2的上端部8(沿工作介質(zhì)的流動(dòng)方向看過去的)前側(cè)邊緣20處卻沒有通過連續(xù)擴(kuò)展延伸來構(gòu)成一個(gè)屬于承載平臺(tái)14的結(jié)構(gòu)部分。
為形成徑向鉤型連接，承載平臺(tái)14上伸出一筋條22，其上設(shè)置一個(gè)用于軸向鉤型連接的筋條24。此外，為補(bǔ)充該軸向鉤型連接，在透平機(jī)葉片1的內(nèi)側(cè)上安裝一定位銷26，它預(yù)先確定軸向上的另一支承點(diǎn)。在為形成軸向鉤的筋條24上開出一槽28，它為構(gòu)成周向固定可與在透平機(jī)外殼上成型的結(jié)構(gòu)件咬合。為補(bǔ)充所述徑向鉤型連接，可另外設(shè)置一個(gè)在本實(shí)施方式中僅示意性示出的徑向筋30。
透平機(jī)葉片1因此具有機(jī)械上彼此盡可能分開的熱工作介質(zhì)平臺(tái)12和承載平臺(tái)14。由此，承載平臺(tái)14的造型結(jié)構(gòu)可專門用于符合規(guī)定的要求，而不必忍受在熱區(qū)域中出現(xiàn)的缺陷。與此相反，熱量完全被熱工作介質(zhì)平臺(tái)12攔截，它的成型又完全獨(dú)立于承載平臺(tái)14。
權(quán)利要求
1.一種透平機(jī)葉片(1)，其具有一成型的并沿著葉片軸線(4)延伸的葉身(2)，在該葉身的一端部(8)上成型有一個(gè)橫向于葉片軸線(4)延伸的熱工作介質(zhì)平臺(tái)(12)和一個(gè)處于該熱工作介質(zhì)平臺(tái)(12)上的承載平臺(tái)(14)，其中，該承載平臺(tái)(14)與熱工作介質(zhì)平臺(tái)(12)僅通過該葉身(2)進(jìn)行機(jī)械連接。
2.按權(quán)利要求1所述的透平機(jī)葉片(1)，其中，所述承載平臺(tái)(14)設(shè)計(jì)成可承受由環(huán)繞葉身(2)流動(dòng)的工作介質(zhì)所產(chǎn)生的力。
3.按權(quán)利要求1或2所述的透平機(jī)葉片(1)，其中，所述承載平臺(tái)(14)在葉身(2)的工作介質(zhì)流出側(cè)邊緣(18)上成型。
4.按權(quán)利要求1至3之一所述的透平機(jī)葉片(1)，其中，所述承載平臺(tái)(14)上成型有一個(gè)用于徑向鉤型連接的筋條(22)和一個(gè)位于該筋條上的用于軸向鉤型連接的筋條(24)。
5.按權(quán)利要求1至4之一所述的透平機(jī)葉片(1)，它作為燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)向葉片，特別是固定式燃?xì)廨啓C(jī)的導(dǎo)向葉片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種透平機(jī)葉片(1)，其具有一成型的，沿著葉片軸線(4)延伸的葉身(2)。為了一方面可承受高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，另一方面保證比較節(jié)省地消耗冷卻劑，依據(jù)本發(fā)明，在葉身(2)的一端部(8)上成型有一個(gè)橫向于葉片軸線(4)延伸的熱工作介質(zhì)平臺(tái)(12)和一個(gè)處于該熱工作介質(zhì)平臺(tái)(12)上的承載平臺(tái)(14)，其中，承載平臺(tái)(14)與熱工作介質(zhì)平臺(tái)(12)僅通過葉身(2)進(jìn)行機(jī)械連接。
文檔編號(hào)F01D9/04GK1436920SQ03120700
公開日2003年8月20日 申請(qǐng)日期2003年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月17日
發(fā)明者彼得·蒂曼 申請(qǐng)人:西門子公司