專利名稱：渦輪葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按權(quán)利要求1前序部分所述的渦輪葉片。
背景技術(shù)：
渦輪葉片，尤其燃氣輪機的渦輪葉片，工作時遭受迅速超過材料應(yīng)力 極限的高溫。這種情況尤其發(fā)生在進氣邊周圍的區(qū)域，在這里高溫的工作 氣流最初沖擊在渦輪葉片的葉片型面上。為了使渦輪葉片也能在高溫下使 用，長期以來已知恰當(dāng)?shù)乩鋮s渦輪葉片，使渦輪葉片有更高的耐熱強度。 采用有高耐熱強度的渦輪葉片，尤其可以達到特別高的能量利用效率。
已知的冷卻方式尤其是對流冷卻、沖擊冷卻和氣膜冷卻。在對流冷卻
的情況下，冷卻空氣經(jīng)通道導(dǎo)入葉片內(nèi)部，利用對流效應(yīng)排出熱量。在沖 擊冷卻的情況下，冷卻氣流從內(nèi)部沖擊在葉片內(nèi)表面上。以此方式在命中 點可以實施非常良好的冷卻作用，當(dāng)然這種冷卻作用只限于命中點狹d、的 區(qū)域及其周圍。因此這種冷卻方式大多用于冷卻也稱為前緣的進氣邊。在 氣膜冷卻的情況下，冷卻空氣通過渦輪葉片上的一些孔從渦輪葉片內(nèi)部向 外導(dǎo)引。這種冷卻空氣繞流渦輪葉片，以及在高溫工作氣體與葉片表面之 間形成隔熱層。所說明的這些冷卻方式根據(jù)應(yīng)用情況恰當(dāng)組合，以達到盡 可能有效的葉片冷卻。
作為上述冷卻方式的補充，非常廣泛地使用冷卻裝置，如擾流子，它 們大多制備成肋的形式。冷卻裝置布設(shè)在用于對流流動的冷卻通道內(nèi)部， 冷卻通道在渦輪葉片內(nèi)部延伸。冷卻通道內(nèi)肋的置入，促使在邊界層內(nèi)的 冷卻氣流分離和擾流。在冷卻通道壁與冷卻空氣之間存在溫差時，通過這 種對流動的強迫干擾增強熱傳導(dǎo)。通過配備冷卻肋，持續(xù)地促使氣流形成
新的"再存留區(qū)(Wiederanlegegebiete)",在此區(qū)域內(nèi)可達到顯著增大當(dāng)?shù)?傳熱系數(shù)?；诟叩墓ぷ鳒囟?，限制了已知肋的使用壽命，這尤其是已知 肋的幾何形狀帶來的結(jié)果。與已知肋幾何形狀相關(guān)聯(lián)的熱應(yīng)力導(dǎo)致內(nèi)部裂 紋，這樣的裂紋會限制肋的使用壽命，并因而最終也限制渴輪葉片的使用
3壽命。
為了冷卻渦輪葉片在工作期間通常熱負荷非常高的進氣邊，亦即前緣， 往往在渦輪葉片內(nèi)靠近進氣邊設(shè)計有平行延伸的冷卻通道，其中通過設(shè)計 在葉片中的其他冷卻通道供入冷卻空氣。如此實現(xiàn)的進氣邊對流冷卻，對 于薄膜冷卻的葉片，大多通過對在進氣邊附近延伸的冷卻通道的沖擊冷卻 作為補充。在渦輪葉片不進行薄膜冷卻的應(yīng)用中，對流冷卻通過設(shè)在冷卻 通道內(nèi)壁上的擾流子強化。
總之，當(dāng)前不僅在氣膜冷卻式葉片中，而且在非氣膜冷卻的葉片中， 均存在更顯著地要改善冷卻，尤其要改善進氣邊冷卻的需求。尤其是當(dāng)前

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種渦輪葉片，它無論存在氣膜冷卻 與否，與已知的方案相比均能有效地冷卻，并有更長的使用壽命。
按照本發(fā)明此技術(shù)問題通過按照權(quán)利要求1特征所述的渦輪葉片得以 解決。
渦輪葉片具有一個在渦輪葉片一側(cè)延伸的前緣，其中冷卻通道相對于 前緣而言以一個壁段為界，以及，具有至少一個從此壁段起延伸到冷卻通 道中的冷卻元件。在這里的冷卻元件并不意味是傳統(tǒng)意義上的擾流子。
因此通常熱負荷很大的前緣可以非常有效地被冷卻。借助按照本發(fā)明 的從所述壁段延伸到冷卻通道中以及尤其促使冷卻劑強烈擾流的冷卻元 件，在所述壁段與冷卻劑之間存在溫差時可以顯著增強熱傳導(dǎo)，與此同時 顯著增大當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)?？傊?，以此方式可以將熱量非常有效地排出到前 緣的周圍環(huán)境內(nèi)，與此同時非常有效地冷卻前緣。
按照本發(fā)明將由冷卻劑首先沖擊冷卻式地入流的冷卻元件，設(shè)計為榫 齒狀或肋狀。設(shè)計為榫齒狀或肋狀的冷卻元件， 一方面促使增大可冷卻的 壁面，另一方面在實施沖擊冷卻后，導(dǎo)致例如冷卻空氣形式的冷卻劑非常 強烈的擾流，在冷卻通道壁與冷卻劑之間存在溫差時，流動通過如此強烈 的強迫干擾增強熱傳導(dǎo)，與此同時顯著增大當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)。
此外，通過冷卻元件采用按照本發(fā)明規(guī)定的榫齒狀或肋狀的設(shè)計，在 渦輪葉片工作期間在冷卻元件內(nèi)形成的熱應(yīng)力保持為最低程度，從而不會產(chǎn)生內(nèi)部裂紋，在這里尤其使熱應(yīng)力比在已知的擾流子中形成的熱應(yīng)力小 得多。因此按照本發(fā)明改善整體的應(yīng)力狀況，與已知的方案相比，可以達 到顯著延長冷卻元件的使用壽命，與冷卻元件長的使用壽命相關(guān)聯(lián)地也使 渦輪葉片有長的使用壽命。
與已知的方案相比，按照本發(fā)明的渦輪葉片即使不采用氣膜冷卻也可 以經(jīng)受更高的燃氣溫度。如果采用氣膜冷卻，則允許有更高的燃氣溫度。 由此再次提供可能性，可以將按照本發(fā)明的渦輪葉片設(shè)計為有較薄的外壁。
按照本發(fā)明的 一 項實用的擴展設(shè)計，所述壁段具有面朝冷卻通道的壁 面，以及所述至少一個冷卻元件或兩個或多個冷卻元件，與該壁面成直角 或與拱形壁面成直角地延伸到冷卻通道中。按照本發(fā)明規(guī)定的沿 一個與冷 卻通道壁面成直角方向的延伸，促使冷卻劑非常有效地擾流，與此同時它 非常有效地冷卻尤其前緣，因為按照本發(fā)明可以實現(xiàn)冷卻元件的 一種與冷 卻元件的長度尺寸基本上成直角定向的冷卻劑入流。
按照本發(fā)明另一項有利的擴展設(shè)計，冷卻通道優(yōu)選地以一個壁段為界， 該壁段面朝冷卻通道具有拱形的壁面，其中設(shè)兩個或多個冷卻元件，這些 冷卻元件具有延伸到冷卻通道中的長度尺寸，以及，兩個或多個冷卻元件
以其長度尺寸指向壁面的拱形的中心。
借助這些以其長度尺寸指向壁面拱形的中心的冷卻元件，可以使流過 冷卻元件的冷卻劑達到非常有效的擾流。尤其可以借助按照本發(fā)明的此項 擴展設(shè)計，將借助冷卻元件實現(xiàn)的對流冷卻以這樣的方式非常有效地與沖 擊冷卻組合，即，使冷卻劑以沖擊在冷卻元件上的方式流向冷卻元件，從 而在各自的沖擊點內(nèi)可以獲得一種很高的冷卻效果，這種冷卻效果與提供 的對流冷卻相結(jié)合，導(dǎo)致十分有效地冷卻按照本發(fā)明的渦輪葉片。
按照本發(fā)明另 一項實用的擴展設(shè)計，所述至少 一個冷卻元件或兩個或 多個冷卻元件與所述壁段設(shè)計為一體。
按照本發(fā)明的一項特別實用的擴展設(shè)計，冷卻元件有不同的長度，此 時各冷卻元件的長度優(yōu)選地與當(dāng)?shù)仡A(yù)定的冷卻需求相適應(yīng)。
渦輪葉片工作時通常有很不均勻的溫度分布，這與渦輪葉片上作用高
的熱負荷相關(guān)聯(lián)，高熱負荷尤其對渦輪葉片的壽命造成有害的影響。例如 對于使用于軸流式渦輪中的渦輪葉片而言，在前緣形成沿徑向不均勻的溫 度分布。通過優(yōu)選地在前緣附近延伸的冷卻通道內(nèi)部按照本發(fā)明使用冷卻元件，它們沿其長度的冷卻能力與例如在冷卻元件周圍前緣預(yù)定的冷卻需 求相適應(yīng)，可以使例如前緣處的溫度分布"均勻化"，因為按照本發(fā)明在比 較熱的部位通過恰當(dāng)設(shè)計冷卻元件實施比較強烈的冷卻，或反之。因此按 照本發(fā)明的渦輪葉片可以以 一種針對不均勻溫度分布的方式冷卻，這尤其 對于有效冷卻前緣是有利的。
卻元件周圍預(yù)定的當(dāng)?shù)乩鋮s需求相適應(yīng)。在其周圍存在高冷卻需求的冷卻 元件的長度，按照本發(fā)明比那些在其周圍冷卻需求低的冷卻元件長。通過 增加個別冷卻元件的長度， 一方面增大"擾流區(qū)，，以及也增大要冷卻的表 面，與此同時顯著提高當(dāng)?shù)氐膫鳠嵯禂?shù)。
優(yōu)選地，作為用于冷卻所述壁段的沖擊冷卻裝置采用一個與壁段相對 置的構(gòu)成冷卻通道的部分邊界的后壁，其中設(shè)有一個或多個沖擊冷卻孔。 冷卻孔優(yōu)選地以這樣的方式在后壁內(nèi)定位和定向，即，使通過它們流動的 冷卻空氣射流被導(dǎo)向冷卻元件，由此可以達到特別有效地冷卻前緣。尤其 基于冷卻元件伸入到冷卻通道內(nèi)的比較大的長度尺寸，在一方面冷卻元件 頂端與另 一 方面沖擊冷卻孔出口之間的距離可以保持得比較'J 、。這種情況 同樣存在于冷卻通道流出截面比較大時。由此能可靠地避免沖擊冷卻射流 受^t向于射流，亦即沿冷卻通道流動的冷卻空氣的干護G。
總之，本發(fā)明涉及一種渦輪葉片，它包括前緣、設(shè)計在渦輪葉片中沿 至少部分前纟彖延伸的用于流過冷卻空氣的冷卻通道、以及一些冷卻元件， 這些冷卻元件位置固定地沿冷卻通道縱向彼此相繼布置在冷卻通道內(nèi)，每 個冷卻元件具有一種與在冷卻元件周圍前緣預(yù)定的冷卻需求相適應(yīng)的冷卻 能力，以及，冷卻通道優(yōu)選平行于前緣地連續(xù)延伸通過渦輪葉片。


下面借助附圖詳細說明按照本發(fā)明的渦輪葉片的 一種實施例。其中 圖1概略地表示出按照本發(fā)明包括一些布置在冷卻通道中的榫齒狀冷 卻元件的渦輪葉片的橫截面圖；以及
圖2表示沿前緣通過渦輪葉片的縱剖面。
具體實施方式
圖1用一個與其前緣12成直角的剖切平面，概略表示按照本發(fā)明的渦
輪葉片IO的葉片前段。前緣12也可以稱為進氣邊。在渦輪葉片IO的內(nèi)部， 前緣12附近，設(shè)計一個平行于前緣12延伸的冷卻通道14 (在軸流式渦輪 中亦即沿徑向延伸的通道14)，它相對于前緣12以壁段24為界。 一些榫齒 狀冷卻元件18 /人冷卻通道14的拱形壁面16起延伸到冷卻通道14內(nèi)，其 中冷卻元件18以其縱向尺寸指向壁面16的拱形中心。
在冷卻通道14的后壁20內(nèi)設(shè)計一些孔22，以便從另 一些設(shè)計在渦4侖 葉片1的0后部區(qū)域內(nèi)的冷卻通道(未示出)，向冷卻通道14沖擊冷卻地 供給冷卻空氣。
圖2用一個平行于前緣12的剖切平面，表示按照本發(fā)明的渦輪葉片10 前段的另一個剖面圖。設(shè)計在冷卻通道14拱形壁面16上的冷卻元件18與 拱形壁面16成直角地延伸到冷卻通道14內(nèi)。由圖2可以看出，沿徑向R 冷卻元件18的長度不同。按照本發(fā)明這是為了針對渦輪葉片IO使用時沿 前緣12形成的不均勻溫度分布。例如尤其朝渦輪葉片10前緣12的中央方 向，有比前緣12邊緣區(qū)內(nèi).高的工作溫度。由于這一原因，截錐形冷卻元件 18在中央?yún)^(qū)有比在邊緣區(qū)大的長度，因為如上所述通過增加冷卻元件18的 長度，可以增大當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)并因而提高冷卻元件18的冷卻能力。
沖擊冷卻在這里包括從孔22排出的冷卻空氣沖擊在拱形壁面16上或 冷卻元件18上，為的是在那里能局部實施非常好的冷卻作用。因為按照本 發(fā)明規(guī)定，冷卻元件18以其長度尺寸指向壁面16的拱形的中心，所以可 以為提供非常有效的沖擊冷卻，利用沖擊冷卻結(jié)合相應(yīng)的對流冷卻總體上 可以為渦輪葉片IO提供非常有效的冷卻。冷卻通道14朝渦輪葉片10兩端 開口 ，以允.許冷卻空氣沿兩個方向從冷卻通道14流出。由此有利于渦輪葉 片10的溫度均勻化，因為在需要冷卻空氣的地方也可以提供冷卻空氣，而 且沖擊冷卻的效果不因 一黃向流動而減小。
取代截錐形結(jié)構(gòu)，冷卻元件18也可以設(shè)計為肋狀，它們沿冷卻通道14, 亦即沿冷卻空氣的流動方向延伸。在這種情況下壁面16的表面積顯著增大， 以改善優(yōu)選地對流冷卻式渦輪葉片的冷卻。還可以設(shè)想，基于前面提及的 前緣12上當(dāng)?shù)夭煌臏囟?，肋的高度可以對?yīng)地與之相適應(yīng)。
權(quán)利要求
1. 一種渦輪葉片(10)，其包括帶有冷卻通道(14)的葉身和沿葉身延伸的前緣(12)，其中冷卻通道(14)相對于前緣(12)而言以壁段(24)為界，以及，設(shè)有用于冷卻壁段(24)的沖擊冷卻裝置，其特征為至少一個設(shè)計為榫齒狀或肋狀的冷卻元件(18)，從壁段(24)起延伸到冷卻通道(14)中。
2. 按照權(quán)利要求1所述的渦輪葉片(10)，其中，所述壁段(24)具有 面朝冷卻通道(14)的壁面(16),以及所述至少一個冷卻元件(18)與該 壁面(16)成直角地延伸到冷卻通道(14)中。
3. 按照權(quán)利要求1或2所述的渦輪葉片(10),其中，所述壁段(24) 具有面朝冷卻通道(14)的拱形壁面(16),設(shè)有兩個或多個冷卻元件(18)， 這些冷卻元件(18)具有延伸到冷卻通道(14)中的長度尺寸，以及所述 兩個或多個冷卻元件(18)以其長度尺寸指向壁面(16)的拱形的中心。
4. 按照前列諸權(quán)利要求之一所述的渦輪葉片(10),其中，所述至少一 個冷卻元件(18)或兩個或多個冷卻元件(18)與所述壁段(24)設(shè)計為 一體式的。
5. 按照前列諸權(quán)利要求之一所述的渦輪葉片(10)，其中，采用兩個或 多個有不同長度的冷卻元件(18)。
6. 按照權(quán)利要求5所述的渦輪葉片(10),其中，各冷卻元件(18)的 長度與當(dāng)?shù)仡A(yù)定的冷卻需求相適應(yīng)。
7. 按照前列諸權(quán)利要求之一所述的渦輪葉片(10)，其中，所述冷卻通 道(14)至少部分平行于前緣(12)地連續(xù)延伸通過渦輪葉片(10)。
8. 按照前列諸權(quán)利要求之一所述的渦輪葉片(10),其中，所述冷卻元 件(18)設(shè)計為沿冷卻通道(14)延伸的肋，或設(shè)計為沿冷卻通道(14) 分布的榫齒，它們的長度與當(dāng)?shù)氐睦鋮s需求相適應(yīng)。
9. 按照前列諸權(quán)利要求之一所述的渦輪葉片(10)，其中，所述壁段(24) 的沖擊冷卻裝置是一個與該壁段(24)相對置的構(gòu)成冷卻通道(14)邊界 的后壁(20)，其中設(shè)有多個沖擊冷卻孔(22)。
10. 按照權(quán)利要求9所述的渦輪葉片(10 ),其中，所述沖擊冷卻孔(22 ) 布置為，使通過它們流動的冷卻空氣射流被導(dǎo)向所述冷卻元件(18)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種渦輪葉片(10)，其包括至少一個冷卻元件(18)和一個流過冷卻劑的冷卻通道(14)，所述至少一個冷卻元件(18)布設(shè)在冷卻劑流路中以及設(shè)計為榫齒狀。本發(fā)明還涉及一種渦輪葉片(10)，它包括一個前緣(12)、一個設(shè)計在渦輪葉片(10)內(nèi)流過冷卻空氣的冷卻通道(14)，它至少沿部分進氣邊(12)延伸，以及包括一些冷卻元件(18)，這些冷卻元件沿冷卻通道(14)的縱向位置固定地相繼排列在冷卻通道內(nèi)，其中，每個冷卻元件(18)具有一種與冷卻元件(18)周圍前緣(12)預(yù)定的冷卻需求相適應(yīng)的冷卻能力。
文檔編號F01D5/18GK101535602SQ200780041599
公開日2009年9月16日 申請日期2007年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月8日
發(fā)明者海因茨-于爾根·格羅斯 申請人:西門子公司