專利名稱：帶主動(dòng)冷動(dòng)圍帶元件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)領(lǐng)域。即涉及一種氣冷渦輪葉片，其在葉尖帶有一個(gè)垂直于葉片縱軸伸展的圍帶元件，一組用于冷卻的冷卻孔穿過(guò)圍帶元件，所述冷卻孔在入口側(cè)連接著至少一個(gè)從渦輪葉片通向葉尖的冷卻通道，并在出口側(cè)通向環(huán)繞著渦輪葉片的外界空間。
DE 198 13 173 A1或US 5,785,496中公開(kāi)了一般型式的渦輪葉片。
現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)工作在極高的溫度中。這需要對(duì)渦輪葉片進(jìn)行強(qiáng)冷卻。一個(gè)特別的困難是可靠地冷卻葉片的暴露區(qū)域。這樣的區(qū)域之一是葉片的圍帶或圍帶元件。在DE 198 13 173 A1的開(kāi)始部分描述了冷卻圍帶元件的一種可行方法。在這個(gè)專利申請(qǐng)公開(kāi)說(shuō)明書(shū)中提出(見(jiàn)其圖3和4)利用多個(gè)平行的冷卻孔冷卻圍帶元件，這些冷卻孔從(中央)移動(dòng)葉片通過(guò)圍帶元件伸向圍帶元件的外緣，并在此通向外界空間。
然而，這種現(xiàn)有的解決方案有以下缺點(diǎn)- 相鄰葉片(例如，從US 5,482,435的圖3中可以看到)的兩個(gè)圍帶元件之間的對(duì)抵接頭至少部分地接近冷卻孔的出口。
這將阻礙冷卻氣的排出和分配。圍帶元件會(huì)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中過(guò)熱。- 由于出口的橫向安置，現(xiàn)有圍帶冷卻方法不能改變流過(guò)圍帶的氣流狀態(tài)；也就是說(shuō)，位于圍帶頂側(cè)的壓力和溫度保持相同。在US 5,460,486中提出的方法中，由于一些冷卻孔開(kāi)口于圍帶元件的底側(cè)，因此上述狀態(tài)也不會(huì)改變；- 冷卻效果主要取決于圍帶周圍的混合溫度，該混合溫度可以通過(guò)排出的冷卻氣與熱氣的混合而降低。在冷卻孔中沒(méi)有采取措施以增強(qiáng)冷卻氣與圍帶元件之間的熱傳遞能力。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是一種帶氣冷圍帶元件的渦輪葉片，其中，可以以簡(jiǎn)單的方式避免上述缺點(diǎn)，而且可以顯著實(shí)現(xiàn)圍帶元件的冷卻，特別是圍帶元件的暴露頂側(cè)。
這個(gè)目的可以通過(guò)這樣的技術(shù)方案而實(shí)現(xiàn)，即提供一種氣冷渦輪葉片，其在葉尖帶有一個(gè)垂直于葉片縱軸伸展的圍帶元件，一組用于冷卻的冷卻孔穿過(guò)圍帶元件，所述冷卻孔在入口側(cè)連接著至少一個(gè)從渦輪葉片通向葉尖的冷卻通道，并在出口側(cè)通向環(huán)繞著渦輪葉片的外界空間，其特征在于，冷卻孔在圍帶元件中大致平行于葉片的運(yùn)動(dòng)方向從內(nèi)側(cè)向外側(cè)伸展，并全部在圍帶元件的側(cè)緣的上游通入一個(gè)向著外界空間敞開(kāi)的表面凹槽中。
本發(fā)明的基本思想是，一方面，以這樣的方式構(gòu)造穿過(guò)圍帶元件的冷卻孔，即能夠確保圍帶元件與冷卻氣之間具有顯著的熱交換，另一方面，以這樣的方式使這些孔通向外界空間，即能夠使冷卻氣可靠地進(jìn)入圍帶的暴露區(qū)域，而且這些區(qū)域會(huì)被額外冷卻。
這個(gè)思想可以通過(guò)下面的事實(shí)實(shí)現(xiàn)，即冷卻孔從葉片中的冷卻通道開(kāi)始，在圍帶元件中大致平行于葉尖的運(yùn)動(dòng)方向從內(nèi)側(cè)伸向外側(cè)，而且全部在圍帶外邊緣的上游通入一個(gè)向著外界空間敞開(kāi)的表面凹槽中。
在這種情況下，在本發(fā)明的第一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，凹槽成形在頂側(cè)外邊緣附近，冷卻孔橫向開(kāi)口于該凹槽中。
由于冷卻氣會(huì)與流過(guò)圍帶元件頂側(cè)的熱燃燒氣混合，因此這個(gè)區(qū)域中的溫度可以有效地降低，而且圍帶的過(guò)熱可以避免。通過(guò)這種方式，可以在整個(gè)表面上對(duì)圍帶元件均勻冷卻。除了能夠均勻冷卻圍帶頂側(cè)之外，這種結(jié)構(gòu)還有結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，由于在圍帶元件頂側(cè)帶有彼此相隔并相互平行的密封肋，并且使密封肋與燃?xì)廨啓C(jī)上的相面對(duì)的殼壁之間構(gòu)成一個(gè)空腔，而冷卻孔開(kāi)口于該空腔中，因此可以使排放到圍帶元件頂側(cè)的冷卻氣特別有效。冷卻氣使空腔中出現(xiàn)壓力升高，從而導(dǎo)致熱氣的穿透性降低。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，圍帶元件的側(cè)緣帶有凹槽部分，冷卻孔即開(kāi)口于其中。在這種情況下，相面對(duì)的圍帶元件之間的凹槽部分構(gòu)成一個(gè)間隙。冷卻氣在排入間隙時(shí)會(huì)分裂成兩個(gè)局部氣流。一部分流向頂側(cè)，并在上述相隔密封肋之間的間隙中具有上述效果。另一部分流向圍帶底側(cè)并與熱氣混合，從而獲得一個(gè)混合溫度，以降低次區(qū)域中的熱負(fù)載。向上和向下流動(dòng)的局部氣流的體積比可以通過(guò)間隙的幾何形狀而調(diào)節(jié)。
在本發(fā)明的一個(gè)附加便利方面，還提出在冷卻通道中帶有裝置，以提高冷卻氣與圍帶元件之間的熱傳遞能力。
冷卻孔中的用于提高熱傳遞能力的裝置包含粗糙特征、肋或渦流點(diǎn)。通過(guò)一種本身公知的方法，冷卻孔可以通過(guò)所謂的STEM鉆孔方法加工。具有改進(jìn)熱傳遞能力的冷卻孔可以通過(guò)簡(jiǎn)單且可靠的方式加工，特別是通過(guò)STEM鉆孔，該方法在，例如，美國(guó)專利5,306,401中接合渦輪葉片的冷卻孔的加工方法進(jìn)行了描述。
此外，在另一個(gè)有效實(shí)施例中，由于在每個(gè)冷卻孔中分別帶有一個(gè)用于限制冷卻氣質(zhì)量流的阻塞點(diǎn)，每個(gè)阻塞點(diǎn)均安置在冷卻孔的入口側(cè)，因此可以獲得改進(jìn)的冷卻氣利用率。
下面將通過(guò)參考示例性實(shí)施例和相關(guān)附圖而更詳細(xì)地解釋本發(fā)明，附圖包括

圖1是一個(gè)渦輪葉片優(yōu)選實(shí)施例的俯視圖，該渦輪葉片帶有向著圍帶頂側(cè)排放的冷卻孔；圖2中顯示了另一個(gè)根據(jù)圖1的帶有擴(kuò)散器狀冷卻孔的實(shí)施例；圖3是根據(jù)圖1的圍帶元件的一個(gè)側(cè)視圖，其中帶有環(huán)形橫截面冷卻孔；圖4是根據(jù)圖1的圍帶元件的一個(gè)側(cè)視圖，其中帶有橢圓形橫截面冷卻孔；圖5是根據(jù)圖1的一個(gè)圍帶元件的局部剖面圖；圖6是一個(gè)實(shí)施例中的兩個(gè)圍帶元件的俯視圖，它們中帶有向著側(cè)緣排放的冷卻孔；圖7是根據(jù)圖6的一個(gè)圍帶元件的局部剖面圖；圖8是一個(gè)圍帶元件的局部截面圖，其中帶有向著圍帶元件底側(cè)排放的冷卻孔。
圖1中顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)渦輪葉片的優(yōu)選實(shí)施例的俯視圖。渦輪葉片10中包含實(shí)際葉片型面23和一個(gè)圍帶元件11，其安置在位于葉片輪廓23橫向的葉尖上，并與其它葉片上的圍帶元件(未示出)一起，構(gòu)成一個(gè)連續(xù)的機(jī)械式穩(wěn)定圍帶。葉片型面23在內(nèi)部是局部中空的，并且有一個(gè)或多個(gè)冷卻氣通道18穿過(guò)葉片型面23，用以引導(dǎo)冷卻氣從葉片根部直到葉尖。圍帶元件在項(xiàng)側(cè)帶有兩個(gè)密封肋12和13，它們沿著平行于葉尖運(yùn)動(dòng)的方向伸展，并且與燃?xì)廨啓C(jī)上的相對(duì)面的殼壁20一起構(gòu)成一個(gè)空腔21，空腔21通過(guò)間隙連通周圍環(huán)境。在圍帶元件11內(nèi)部，有一組冷卻孔17在肋12、13之間并大致平行于兩個(gè)肋從中央向外伸展。在入口側(cè)，各冷卻孔17連接著冷卻氣通道18，并被冷卻氣通道供應(yīng)冷卻氣。從圖1中可以看到，冷卻孔17并不是完全伸到橫端，即圍帶元件11的邊緣，而是全部從這一側(cè)通入一個(gè)細(xì)長(zhǎng)凹槽14中，凹槽14在頂側(cè)22處凹入圍帶元件11中。顯然，除了凹槽14，每個(gè)冷卻孔17也可以自身分別連接到一個(gè)單獨(dú)的凹槽中。此外，還可以理解，如需要，也可以使冷卻孔17以一個(gè)小的角度伸展并從彼此平行的位置上偏離一些，從而使對(duì)圍帶元件11的整個(gè)表面冷卻最優(yōu)化。
此外，向上吹出冷卻氣將導(dǎo)致圍帶與殼壁20之間的空腔21充氣。這將使得空腔中的壓力升高并有助于減少熱氣24的質(zhì)量流穿透。此外，這個(gè)區(qū)域中的混合溫度顯然也可以降低，這是因?yàn)閲鷰г?1在頂側(cè)22處受到的熱負(fù)載減少了。
圖示的冷卻結(jié)構(gòu)中的冷卻孔17優(yōu)選通過(guò)所謂的STEM鉆孔方法加工，該方法詳細(xì)描述于美國(guó)專利5,306,401中。其結(jié)果是，能夠(通過(guò)進(jìn)給變化)使冷卻孔17的表面帶有粗糙特征、肋或渦流點(diǎn)。這將導(dǎo)致冷卻效率顯著提高，因?yàn)槔鋮s孔的形狀可以最優(yōu)化。此外，還希望在所有冷卻孔17中均帶有一個(gè)阻塞點(diǎn)19，優(yōu)選位于入口側(cè)，即型面23的冷卻氣供應(yīng)區(qū)。其結(jié)果是，可以精密地限制冷卻氣的質(zhì)量流并使冷卻效率顯著提高。
根據(jù)圖2的實(shí)施例與根據(jù)圖1的實(shí)施例的區(qū)別之處在于，從冷卻孔入口側(cè)阻塞點(diǎn)19處開(kāi)始的所述冷卻孔17均分別構(gòu)成一個(gè)擴(kuò)散器，或構(gòu)成擴(kuò)散器形結(jié)構(gòu)。在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖4所示，冷卻孔具有橢圓形狀。與帶有內(nèi)部粗糙特征的表面和擴(kuò)散器式的加寬形狀一樣，這種結(jié)構(gòu)也會(huì)增加熱交換器的可用有效表面。作為附加或替換結(jié)構(gòu)，冷卻孔17可以具有不同于上述形狀的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)可以是，例如，規(guī)則或不規(guī)則保持的凹槽或波紋。
在根據(jù)圖6和7的本發(fā)明的另一個(gè)改良例子中，冷卻孔在圍帶元件11的側(cè)緣25處排放。然而，為了避免現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，圍帶元件11的側(cè)緣25被這樣設(shè)計(jì)，即相鄰元件11之間只有區(qū)域性接觸，從而使冷卻孔的排放區(qū)域后退到一個(gè)凹槽15。在相鄰元件之間，兩個(gè)面對(duì)著的凹槽15構(gòu)成一個(gè)間隙26，冷卻氣即進(jìn)入該間隙26中。本實(shí)施例可以可靠地防止排放口被相鄰圍帶元件堵塞。即使兩個(gè)相鄰圍帶元件11之間構(gòu)成機(jī)械式接觸，也可以確保冷卻氣總是穿過(guò)冷卻孔17。
從兩個(gè)相鄰圍帶元件11進(jìn)入間隙26的冷卻氣將分裂成兩個(gè)局部氣流。一個(gè)局部氣流向上流動(dòng)并導(dǎo)致位于圍帶上方的空腔21充氣，而另一個(gè)局部氣流則流到圍帶底側(cè)并與熱氣混合。所形成的混合溫度將導(dǎo)致這個(gè)區(qū)域中的熱負(fù)載降低。
兩個(gè)局部氣流的體積比受間隙結(jié)構(gòu)的影響。因此，頂側(cè)和底側(cè)可以具有不同的間隙寬度，或者從射流點(diǎn)處看，邊界壁可以傾斜或具有不同結(jié)構(gòu)。
在圖8中顯示的一個(gè)實(shí)施例中，冷卻介質(zhì)排放到圍帶元件底側(cè)。冷卻孔17橫向通向凹槽16中。在這個(gè)變型中，圍帶底側(cè)區(qū)域中的混合溫度被降低，因此熱負(fù)載減少。
參考標(biāo)號(hào)清單10葉片11圍帶元件12，13密封肋14，15，16凹槽17冷卻孔18冷卻氣通道19阻塞點(diǎn)20殼壁21空腔22頂側(cè)(圍帶)23葉片型面24熱氣25圍帶元件的外邊緣26外端元件之間的間隙
權(quán)利要求
1.一種氣冷渦輪葉片(10)，其在葉尖帶有一個(gè)垂直于葉片縱軸伸展的圍帶元件(11)，一組用于冷卻的冷卻孔(17)穿過(guò)圍帶元件(11)，所述冷卻孔(17)在入口側(cè)連接著至少一個(gè)從渦輪葉片(10)通向葉尖的冷卻通道(18)，并在出口側(cè)通向環(huán)繞著渦輪葉片(10)的外界空間，其特征在于，冷卻孔(17)在圍帶元件(11)中大致平行于葉片(10)的運(yùn)動(dòng)方向從內(nèi)側(cè)向外側(cè)伸展，并全部在圍帶元件(11)的側(cè)緣(25)的上游通入一個(gè)向著外界空間敞開(kāi)的表面凹槽(14)和/或(15)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪葉片，其特征在于，通向外界空間的凹槽(14)安置在圍帶元件(11)的頂側(cè)(22)，而所述冷卻孔(17)沿橫向通入凹槽(14)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪葉片，其特征在于，通向外界空間的凹槽(15)安置在圍帶元件(11)的側(cè)緣(25)處。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一的渦輪葉片，其特征在于，至少兩個(gè)彼此相隔且平行于葉片運(yùn)動(dòng)方向伸展的密封肋(12，13)設(shè)置于圍帶元件(11)的頂側(cè)(22)并與燃?xì)廨啓C(jī)上的相面對(duì)著的殼壁(20)一起構(gòu)成一個(gè)空腔(21)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的渦輪葉片，其特征在于，所述冷卻孔(17)通過(guò)凹槽(14)通入空腔(21)中。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的渦輪葉片，其特征在于，冷卻孔(17)通入一個(gè)由所述凹槽(15)構(gòu)成的間隙(26)中，而且在此排放的冷卻氣中的至少一個(gè)局部氣流流入空腔(21)中。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的渦輪葉片，其特征在于，從間隙(26)沿圍帶項(xiàng)側(cè)和底層方向排出的局部氣流的體積比由間隙的幾何形狀控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一的渦輪葉片，其特征在于，在所述冷卻孔(17)中帶有用于提高冷卻氣與圍帶元件(11)之間熱傳遞能力的裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的渦輪葉片，其特征在于，所述冷卻孔(17)中的用于提高熱傳遞能力的裝置包含粗糙特征、肋或渦流點(diǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的渦輪葉片，其特征在于，所述冷卻孔(17)是通過(guò)所謂的STEM鉆孔方法加工的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪葉片，其特征在于，在每個(gè)冷卻孔(17)中分別帶有一個(gè)用于限制冷卻氣質(zhì)量流的阻塞點(diǎn)(19)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的渦輪葉片，其特征在于，每個(gè)阻塞點(diǎn)(19)均安置在所述冷卻孔(17)的入口側(cè)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪葉片，其特征在于，所述冷卻孔(17)具有橢圓形橫截面。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪葉片，其特征在于，所述冷卻孔(17)分別構(gòu)成一個(gè)擴(kuò)散器，或沿流動(dòng)方向構(gòu)成擴(kuò)散器形結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種氣冷渦輪葉片(10)在葉尖帶有垂直于葉片縱軸伸展的圍帶元件(11),一組用于冷卻的冷卻孔(17)穿過(guò)圍帶元件。所述冷卻孔在入口側(cè)連接著至少一個(gè)從渦輪葉片通向葉尖的冷卻通道(18),在出口側(cè)通向環(huán)繞著渦輪葉片的外界空間,在圍帶元件中大致平行于葉片的運(yùn)動(dòng)方向從內(nèi)側(cè)向外側(cè)伸展,并全部在圍帶元件的側(cè)緣(25)的上游通入一個(gè)向著外界空間敞開(kāi)的表面凹槽中,因此可以獲得改進(jìn)的和確實(shí)的冷卻能力。
文檔編號(hào)F01D5/22GK1260442SQ9912498
公開(kāi)日2000年7月19日 申請(qǐng)日期1999年12月24日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月24日
發(fā)明者亞歷山大·貝克, 易卜拉欣·那莎, 貝亞特·馮·阿克斯, 伯恩哈特·魏甘德 申請(qǐng)人:Abb阿爾斯通電力(瑞士)股份公司