专利名称：用于透平的导向叶片和包含有这种导向叶片的透平的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于透平、尤其是用于燃气透平以产生电能的导向叶片，其包括一个沿径向朝向转子延伸的、且在两端分别具有一个横向延伸平台的中空型体，其中该型体被一热工作介质绕流，该导向叶片还包括一个设置在该型体内的、在该两平台之间延伸的中空嵌入件，其设置得与该型体的内侧有间隔，且该中空嵌入件具有一块朝着这两个平台之一的底板，其中冷却介质通过另一个平台径向流入该嵌入件的空腔，且至少局部通过设置在该嵌入件上、对着所述内侧的冲击式冷却孔流出，该导向叶片还包括一个设置在与该底板直接对置的平台上的凹隙。
本发明还涉及一种包含有上述导向叶片的透平。
背景技术：
用于透平的冷却导向叶片已为公众所知。导向叶片具有一个中空型体，在其端部分别延伸有一个与其相垂直走向的平台。一个用作冲击式冷却板的嵌入件以与外壁的内侧有间隔的方式设置在该型体的空腔内，且具有多个冲击式冷却孔。冷却介质流过冲击式冷却孔，撞击在外壁的内侧并将其冷却。
通常采用压缩空气作为冷却介质。虽然压缩空气在进入压气机前已借助一个空气过滤器使其净化，其仍然具有数量级小于10μm的细颗粒。这些可能由灰尘、粒子和象硫化物那样的粘化合物构成的细颗粒沉积在冲击式冷却板内。此外，这些颗粒的聚集物和其中的腐蚀性成分沉积在嵌入件的冲击式冷却孔中，在那里减小了冲击式冷却孔的横截面。这样就产生了流动损失，从而明显地减小了冷却作用。这导致外壁上经受大的热负荷，从而形成裂缝，并在已涂覆的导向叶片上产生涂层的剥落。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于透平的导向叶片和一种带有这种导向叶片的透平，该导向叶片在透平运行时能避免受到机械损害。
按照本发明，上述涉及导向叶片的技术问题是针对本说明书开始部分所提到的那种导向叶片通过采用下述技术手段来解决的将嵌入件延伸到凹隙中，从而在嵌入件的底板区存在具有预定的较小流动速度的区域以形成颗粒沉积。
上述技术方案是从下述认知得出的位于冷却介质中的颗粒优先在冷却介质流动速度强烈减小的区域和那些冷却介质流动速度较小的地方进行沉积。导向叶片上相应于这些地方的区域因此受到小得多的冷却，这些区域就容易受到机械损伤。通过将嵌入件沿着冷却介质的流动方向加长，即将嵌入件的底部伸入到平台冒口(Plattformdurchbruch)中，这些具有较小流动速度的区域延伸到凹隙中。这样在具有预定冷却介质流动速度的嵌入件底板区形成颗粒沉降。此外通过嵌入件几何形状的结构变化，具有较小流动速度的区域从强烈冷却的型体区转移到一个局部减弱的冷却区，即平台冒口区。于是，这承受热燃气作用的型体在整个长度上得到足够的冷却。
在一种改进结构中，用于在该底板区产生一预定压力梯度的底板至少具有一个冷却介质的流出口。这样一来，在嵌入件的底板区实现有针对性地将流动速度减小到一个较小的水平，从而在那里有利于颗粒沉积。
如果嵌入件在该底板区与凹隙有间隔，则存在所要求的冷却介质流出横截面。
如果将凹隙设计成平台冒口，则在铸造导向叶片时可以特别方便地制成凹隙。然后再借助一块盖板从外面将平台冒口封闭。
为使盖板在运行时可靠地固定在平台上，将它们彼此气密地焊接在一起。
如果流出口比冲击式冷却孔的孔径大，则可以确保在流出区具有较小的压力梯度。
一种合适的方式是流出口的孔径为1mm至3mm。
优选将该导向叶片应用于一透平中。
下面结合附图对本发明作进一步说明图1示出一种燃气透平的局部纵剖图；
图2示出通过一个透平导向叶片的横截面图。
具体实施例方式
图1示出一种燃气透平的局部纵剖图。该燃气透平在其内部具有一个可绕转子轴2转动支承的转子3，其还称作透平转子。沿着此转子3相继为一吸气腔4、一压气机5、一个带有多个同轴设置的燃烧器7的圆环状的环形燃烧室6、一透平8和排气腔9。该环形燃烧室6在此成为一燃烧空间17，该燃烧空间与一个环状热燃气通道18相通。在那里，四个前后串接的透平级10构成该透平8。每个透平级10由两个叶片组构成。沿着工作介质11的流动方向看，在热燃气通道中紧随导向叶片组13是一组由动叶片15构成的动叶片组14。此时，导向叶片12固定在定子13上，与此相反，动叶片组14的动叶片15借助一个透平轮盘19安装在转子3上。在转子3上耦接着一台发电机或一台作功机械(图中未示出)。
在燃气透平1运行期间，由压气机5通过吸气腔4抽吸空气16，并将其压缩。此在压气机5的透平侧一端所提供的压缩空气被送往燃烧器7，且在那里与一种燃料相混合。然后该混合物在燃烧空间17中燃烧生成工作介质11。该工作介质从那里起沿着热燃气通道18流经导向叶片12和动叶片15。在动叶片15处工作介质11以传输冲量的方式膨胀，从而动叶片15驱动转子3，该转子再驱动耦接在其上的作功机械。
暴露于热工作介质11的构件在燃气透平1运行期间承受着巨大的热负荷。除涂覆在环形燃烧室6上的热屏蔽板外，沿着工作介质11流动方向看为第一级透平级10的导向叶片12和动叶片15承受着最大的热负荷。为了能忍受在那里占主导的温度，它们借助一种冷却介质K来冷却。
图2示出了通过局部描述的透平8导向叶片12的截面图。此导向叶片12具有一个型体22，在其顶侧端设置了一个平台23。图中未示出其上成形有第二个平台的导向叶片12根侧端。在两平台之间为型体区37。型体22沿着工作介质11流动方向看从一个钝的前缘25延伸到一个尖锐的后缘26。在后缘26处导向叶片12有一条从根侧端延伸到顶侧端的缝隙41，在其中设置有圆形的旋流器27。
在前缘25和后缘26之间在型体22内部设有一个由型体22外壁40围成的空腔21。此外，该空腔21沿着型体22的纵向延伸方向延伸穿过顶侧平台23，从而平台23上有一个凹隙24，其构成肾状平台冒口39。该空腔21在平台冒口39处借助一块盖板32气密地封闭。为此，将平台冒口39的边缘与盖板32彼此焊接起来。
一个位于空腔21中的嵌入件20用作冲击式冷却板。因此它与外壁40的内侧28有一间隔。此外，嵌入件20在其朝向前缘25的一侧具有冲击式冷却孔29。它们是直径为0.7mm的孔。
嵌入件20朝向顶侧平台23的一端伸入到平台冒口39中。在嵌入件20的端侧，其与一块板状的底板35相焊接。
嵌入件20伸入到凹隙24中的长度为V；嵌入件20的底板35伸入到平台冒口39中。
一个供冷却介质K流出的孔形流出口31位于嵌入件20的底板区30。该流出口的横截面为冲击式冷却孔29的横截面的二倍到五倍，因此直径为1mm到4mm。作为一种替换方式还可以设有多个流出口31，它们通常具有一个与此相当的横截面。
在嵌入件20和空腔21附近的壁33、34之间保留有缝隙形流出横截面S2、S3。同样在底板35和盖板32之间设有一个流出横截面S1。
在燃气透平1运行期间工作介质从前缘25环绕型体22外壁40流到后缘26。因而前缘25尤其暴露在热负荷下。
通过导向叶片的根侧端向导向叶片12输送作为冷却介质的冷却空气。且进而将冷却空气送到嵌入件20的内腔。冷却空气以一个较高的速度从这里流过嵌入件20的冲击式冷却孔29，且撞击在外壁40的内侧28上。因而前缘25和后缘26之间的外壁40在嵌入件20的区域以冲击方式进行冷却。接着冷却空气几乎平行于工作介质11的流动方向流向后缘26。冷却介质K通过旋流器27形成涡流，这加强了冷却介质K的对流冷却作用。然后冷却介质K通过缝隙41流出。
在底板区30由于有较大的流出孔31，其与嵌入件20型体区37相比有一个小的压力梯度。这是由于在底板区30冷却空气的流动速度比型体区37小而造成的。在嵌入件20延长的边缘区38成为静止的涡流或所谓的死水区；在此区域内流动速度几乎为零。通过加长具有较小速度的区域延长了颗粒的行径，从而包含在冷却空气中的颗粒和粘的化合物有利地沉积在嵌入件20的底板区30。
相对较慢地流过流出孔31的冷却空气流量可通过该流出孔31下游处紧接在底板35后的冷却空气压力作为背压来确定。因此平台冒口39通过盖板32来封闭，以便将冷却空气-流动区在压力方面区分开。冷却空气可以流过流出横截面S1、S2和S3，接着通过冷却空气出口27泄漏到热燃气通道18中。
在平台23的底板区30，凹隙24位于一个相对热工作介质11受到保护的区域。因而该区域比型体22具有较低的温度，于是较低速度的冷却空气所产生的较小冷却作用就已经足够了。此外，在由前缘25到平台23的过渡区36占主导地位的冷却空气的流动速度基本上高于导向叶片12型体区37中的流动速度。因而在过渡区36同样保证足够的冷却。
通过在底板区30有针对性地加长死水区和具有较小流动速度的区域在那里实现了一种有利的颗粒沉积。在其他区域、尤其是嵌入件20的冲击式冷却孔29不会被污染、堵塞和封死。
权利要求
1.一种用于透平(1)、尤其是用于发电的燃气透平(1)的导向叶片(12)，其包括一个沿径向朝向转子(3)延伸的、且在两端分别具有一个横向延伸的平台(23)的中空型体(22)，其中该型体(22)被一热工作介质(11)绕流，该导向叶片还包括一个设置在该型体(22)内的、在该两平台(23)之间延伸的中空嵌入件(20)，其设置得与该型体(22)的内侧(28)有间隔，且该中空嵌入件具有一块朝着这两个平台(23)之一的底板(35)，其中冷却介质(K)通过另一个平台(23)径向流入该嵌入件(20)的空腔(21)，且至少局部通过设置在该嵌入件(20)上、对着所述内侧(28)的冲击式冷却孔(29)流出，该导向叶片还包括一个设置在与该底板(35)直接对置的平台(23)上的凹隙(24)，其特征在于所述嵌入件(20)延伸到所述凹隙(24)中，从而在嵌入件(20)的底板区(30)存在具有预定的较小流动速度的区域以形成颗粒沉积。
2.按照权利要求1所述的导向叶片(12)，其特征在于所述用于在该底板区(30)产生一预定压力梯度的底板(35)至少具有一个用于冷却介质(K)的流出口(31)。
3.按照权利要求1或2所述的导向叶片(12)，其特征在于所述嵌入件(20)在该底板区(30)与凹隙(24)有间隔，从而存在相应的冷却介质(K)流出横截面(S1，S2，S3)。
4.按照权利要求1、2或3所述的导向叶片(12)，其特征在于所述凹隙(24)设计成一个可从外面借助一盖板(32)封闭的平台冒口(39)。
5.按照权利要求4所述的导向叶片(12)，其特征在于所述盖板(32)与所述平台(23)从外面相焊接。
6.按照权利要求2至5中任一项所述的导向叶片(12)，其特征在于所述流出口(31)是一个孔。
7.按照权利要求6所述的导向叶片(12)，其特征在于所述流出口(31)具有一个比所述冲击式冷却孔(29)更大的孔径。
8.按照权利要求6所述的导向叶片(12)，其特征在于所述流出口(31)的孔径为1mm至3mm。
9.一种透平(8)，其带有如权利要求1至8中任一项所述的导向叶片(12)。
全文摘要
本发明涉及一种用于透平的导向叶片和包含这种导向叶片的透平。这种尤其用于燃气透平(1)的导向叶片(12)包括一个沿径向朝向转子(3)延伸的、且在两端分别具有一个横向延伸平台(23)的中空型体(22)和一个设置在该型体(22)内的、且设置得与该型体(22)的内侧(28)有间隔、并具有一块朝着这两个平台(23)之一的底板(35)的中空嵌入件(20)，其中冷却介质(K)流入该嵌入件(20)的空腔(21)，且通过设置在该嵌入件(20)上的冲击式冷却孔(29)流出，该导向叶片还包括一个设置在与该底板(35)直接对置的平台(23)上的凹隙(24)。为提供一种在透平运行时避免受机械伤害的导向叶片(12)，建议将该嵌入件(20)延伸到凹隙(24)中，从而在嵌入件(20)的底板区(30)存在具有预定的较小流动速度的区域。
文档编号F01D5/18GK1497130SQ20031010246
公开日2004年5月19日 申请日期2003年10月21日 优先权日2002年10月22日
发明者于尔根·德尔曼, 于尔根 德尔曼, 训倌系隆ざ虮, 马丁-费蒂南德·厄本 申请人:西门子公司