专利名称：燃气轮机的叶片的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃气轮机的叶片，更具体地讲，涉及所述叶片的围带的冷却结构。
背景技术：
燃气轮机的围带(叶冠)用于密封和限制叶尖与径向相对的定子或转子之间的间隙空间中的泄漏流体。这种围带沿周向延伸，并且沿燃气轮机的轴线方向尽可能远地延伸经过限定区域，以匹配内侧壳体或转子的轮廓。为了改进密封，许多情况下传统的围带还具有一个或多个密封肋部，也称为翅片，它们沿径向从围带的平台部延伸，也就是说，从围带的大致平坦部分延伸。
为了延长围带在燃气轮机中的运行时间，其中热气体流经所述围带，以对流方式冷却所述围带，例如像专利文献EP 1013884和EP 1083299中公开的那样。在每个专利文献中说明了具有这样的围带的叶片，其中所述围带设有多个用于冷却气流的孔。这些孔与叶片瓣部中的冷却导管相连，并且分别造成了沿周向的横向出口。
专利文献EP 1041247公开了一种燃气轮机叶片，其设有内侧径向的冷却导管，所述导管通向增压室42和44。孔54、56、58从围带所在的平面那里延伸，所述围带通过所述孔借助于气膜冷却与对流式冷却的方式而被冷却。在改型中，孔斜向并相对于围带平台部的径向外侧表面稍微沿径向从所述增压室延伸。
燃气轮机叶片的围带沿热气体的流动方向承受变化的热载荷，并且在不同的区域中，还承受变化的机械载荷。因此，围带的不同区域中对于冷却以及机械载荷承载能力的要求也是不同的。在所述的公开的燃气轮机叶片中，也考虑到了这些，即通过匹配孔的直径以及用于改变压力差的其他措施。
发明内容
本发明的目的在于提供具有冷却式围带的燃气轮机叶片，在这种叶片中，较大程度地考虑了在围带的不同区域中对于冷却以及机械载荷承载能力的不同的要求，从而延长使用寿命，并且尽可能地减小冷却空气消耗。
该目的通过具有根据权利要求1的冷却结构的围带的燃气轮机叶片而实现。优选实施例在从属权利要求中公开。
燃气轮机的围带沿着叶尖沿周向延伸，并且相对于燃气轮机转子沿径向延伸，所述围带设置成与定子壳体相对。为了高效完成对于热载荷的冷却，围带被划分成承受不同的热载荷的区域。根据本发明，不同的区域借助于不同的冷却结构被冷却，每个冷却结构允许利用适合于热载荷的不同的物理作用来冷却，例如采用气膜冷却、冲击式冷却、对流式冷却或混合式冷却。
在本发明的第一实施例中，燃气轮机叶片包括第一冷却结构，其借助于来自所述叶片中的冷却系统的冷却空气而冷却所述围带的第一区域。该第一区域是沿热气流的方向的第一区域，并且因而承受了最大热载荷。沿所述热气流的方向位于所述第一区域下游的第二区域承受了与所述第一区域相比较小的热载荷。第二冷却结构设置在定子上，其中所述定子设置成径向与所述燃气轮机转子相对，并且所述第二冷却结构用于从所述叶片的外侧冷却所述围带的第二区域。第一冷却结构与第二冷却结构彼此不同之处在于，第一冷却结构实现对流式冷却以及气膜冷却，而第二冷却结构实现冲击式冷却。围带的根据本发明的冷却实现了适于对应区域上的热载荷的冷却，并且实现了相应适合的冷却空气消耗。
在本发明优选实施例中，更具体地讲，燃气轮机叶片的围带的第一区域设有翅片，所述翅片相对于燃气轮机转子沿径向延伸，并且沿所述燃气轮机转子的纵向布置，所述翅片沿周向延伸，在所述翅片中设置第一冷却结构。翅片设有多个孔，所述孔与叶片瓣部的冷却导管流体相连，并且在所述围带的热气体侧上设有出口。冷却气流在其流经所述各孔的过程中，完成所述翅片的对流式冷却。在所述气流从孔流出之后，其沿所述围带的外侧表面流动，并且在那里实现气膜冷却。
与围带径向相对设置的定子壳体设有多个冷却导管，所述冷却导管大致垂直指向围带的平台部。所述冷却导管用于冷却沿所述热气体流动方向的围带的第二区域。所述冷却导管与定子冷却系统相连，从而从定子冷却系统分流的冷却空气经由所述冷却导管流到围带的平台部上，并且在那里实现冲击式冷却。此后，冷却空气沿两个轴向漏出，在此过程中，阻挡气流可沿泄漏气流的相反方向出现。围带的第二区域由径向延伸的翅片沿轴向限定在其两侧。
在本发明另一个优选实施例中，除了第一实施例的结构以外，燃气轮机叶片设有沿热气流方向的围带的附加第三区域，所述第三区域设有第三冷却结构。该冷却结构设有多个孔，所述孔与叶片瓣部中的冷却导管流体相连。这些孔至少部分沿径向向外的方向以相对于径向的特定角度指向，并且将冷却气流引导至围带的径向外侧部分。流经这些孔的冷却空气实现该第三区域的对流式冷却。更具体地讲，这些孔在围带平台部所在的平面上以相对于周向的特定角度指向，从而冷却空气从这些孔大致沿叶片的转动方向相反的方向吹出。
在特定的实施例中，孔在端部区域中彼此相互平行延伸。
在本发明的另一个实施例中，相对于第一实施例的燃气轮机叶片，多个附加的冷却导管设置在定子中，其中所述定子设置成与围带径向相对，并且所述附加的冷却导管大致垂直指向沿热气流方向的围带的第三区域。所述附加的冷却导管用于冷却该第三区域。该第三区域由翅片沿轴向并沿相对于热气流相反的方向限定。在该第三实施例中，冷却导管与定子的冷却系统流体相连，从而冷却空气从定子冷却系统指向围带的端部区域，并且在那里实现冲击式冷却。
在图中图1示出了具有根据本发明第一实施例和第二实施例的冷却结构的转动的燃气轮机叶片以及相对的定子的一部分的剖视图；图2示出了燃气轮机叶片的围带的俯视图；图3示出了沿剖切线III-III的围带的侧视图，说明了第一区域中的气膜冷却孔；图4示出了沿剖切线IV-IV的围带的视图，说明了围带的端部区域中的冷却孔；图5示出了图4中的围带的端部区域的细节的视图，说明了端部区域中的冷却孔的优选出口轮廓；并且图6示出了如图1所示的、具有根据本发明第三实施例的冷却结构的转动的燃气轮机叶片的剖视图。
具体实施例方式
图1以燃气轮机的子午剖切面的方式示出了转动的燃气轮机叶片。方向x和z分别代表轴向，也就是说机器轴线的方向；以及相对于燃气轮机转子的径向。示出了叶片瓣部1以及围带2安置在其上的叶尖。定子壳体4示出为沿相对于燃气轮机转子3的径向向外方向与围带2相对。燃气轮机叶片与定子壳体分别包括冷却系统5和6。热气流的方向由箭头7表示。基本上，热气流的温度以及相应的机械部件上的热载荷沿方向7连续减小。围带2被划分成三个区域A、B和C。第一区域A与以下的两个区域B和C相比，暴露至较高温度的热气流，并且因而承受最大热载荷。根据本发明，第一区域设有翅片8，其径向向外并沿周向延伸。翅片8设有孔9，其与冷却系统5流体相连。例如，所述孔沿周向在所述翅片中延伸。多个附加孔10从该孔9分支，并且径向向内延伸，直至翅片的转子侧表面上的出口，也就是说，直至围带的热气体侧上的出口。在图3中示出了分支的孔10。来自叶片瓣部的冷却系统5的冷却空气流经孔9以及分支的孔10，所述冷却空气使得以对流方式冷却翅片8。孔的出口分别以这样的方式被构造成，所出现的冷却空气沿翅片的表面流动，并且在那里实现附加的气膜冷却。翅片因而通过两种不同的冷却机制被冷却。
与定子壳体中的冷却系统相连的冷却导管11与围带2的第二区域B相对设置成穿透壳体4的壁。由箭头12代表的冷却气流从该冷却系统流经冷却导管11，并且借助于所述导管的指向，所述冷却气流优选垂直指向所述围带2。取决于燃气轮机的导管以及围带的几何形状，冷却导管11还以相对于围带的不同角度指向。该冷却气流12因而造成冲击式冷却围带的中部区域B。区域B通过第一翅片8和第二翅片13沿轴向和热气流的方向被限定。冷却气流12作为泄漏流体从限定区域流出，这是因为冷却气流经由翅片8和翅片13沿两个轴向流出。取决于操作状态，这可产生与热气体的泄漏气流相对抗的阻挡气流。
大体上，因为退化(degradation)效应，将马上出现围带的混合式冷却。
对此可选地，在有利实施例中，在第二密封翅片13的对应区域中设置特定的开口或间隙，其允许精确控制冷却空气的流出。
根据本发明的第二实施例，在围带的另一个区域C中，设置多个孔，它们从叶片瓣部的冷却系统5伸出，并且延伸至围带的径向外侧表面。流经这些孔的冷却气流使得对流式冷却该区域。这些孔在图2中示出。
图2示出了根据本发明的围带的俯视图，还示出了区域A、B和C。分别由x和y表示相对于燃气轮机转子的轴向和周向，还示出了叶根14的轮廓，并且由虚线示出了叶片本身的轮廓。示出了区域A中的翅片8以及区域B中的翅片13，所述翅片沿周向延伸，并且用于密封防止流体泄漏。区域C设有孔15，其用于对流式冷却该特定区域，所述孔以相对于周向y的角度α延伸。例如，角度α在2°与90°之间的范围内。从孔15出来的冷却空气沿叶片的转动方向相反的方向吹出。优选地，各孔15彼此相互平行指向，从而简化制造。
图3示出了图2中的线III-III的剖视图，并且示出了处于围带的区域A中的翅片8，以及横向孔9的路径和从所述横向孔分支的孔10的路径。横向孔9经由导管21与叶片瓣部的冷却系统流体相连。借助于叶片瓣部的冷却系统的延伸部确保流体相连，其中所述延伸部伸入翅片8中，并且通入所述横向孔9中。分支的多个孔10相对于燃气轮机转子大致径向向内延伸至翅片8的热气体侧上的出口。箭头表示了冷却气流经由横向孔9以及分支的孔10穿过导管21的路径。孔10的出口尤其被构造成实现热气体侧上的翅片表面的气膜冷却，例如采用稍微发散的出口部分以及优选的角度范围，如相关文献中所知。优选的制造方法是传统的利用了型芯的铸造方法，并且还从外部钻孔，并且随后借助于止挡块20封闭孔的出口，例如所述止挡块20被强制引入，或者以材料一体的方式(钎焊、焊接)被连接。
图4更加详细示出了孔15沿剖切线IV-IV的结构。示出了叶片以及位于其叶片瓣部中的冷却系统5的导管。孔15从导管伸出，并且延伸直至围带2的径向外侧表面。孔15的出口具有斜角结构，从而根据状态，可以有利影响与热气流的混合。为此，出口所在的平面与孔的轴线之间的角度χ优选在40°与140°之间的范围内。另外，孔的轴线与径向z之间的所选择的角度β优选在30°至120°的范围内。孔的直径在0.6与4.5毫米之间的范围内，优选在0.6与2.5毫米之间的范围内。此旨在为该区域的适合对流式冷却。
图5示出了沿剖切线IV-IV的孔15的出口的改型。出口所在的平面相对于孔的轴线被再次斜角并且被造成台阶，上侧唇部16的端部大致垂直于孔的轴线。尺寸s取决于出口所在平面的直径，并且更具体地讲，所述尺寸s与孔的直径之比在0.5至3的范围内，并且同样使得可以有利影响与热气流的混合。
图6以与图1相同的子午剖切面的方式示出了根据本发明第三实施例的燃气轮机叶片1。在此，与第一和第二实施例相比，除了借助于叶片的冷却系统的孔而实现区域C的对流式冷却以外，在定子壳体中设有附加的导管，通过所述导管，冷却空气由所述壳体的冷却系统指向所述围带。针对区域B，在那里完成冲击式冷却。
在本发明所有实施例的改型中，燃气轮机叶片根据其在燃气轮机中的应用，完全或者在个别区域涂有热障涂层。
附图标记列表1燃气轮机中的叶片2围带3燃气轮机转子4定子、燃气轮机的壳体5叶片(瓣部)中的冷却系统6定子中的冷却系统7热气流8第一翅片9横向孔10从孔9分支并径向向内延伸的孔11定子中的冷气气体导管12来自定子的冷却气流13第二翅片14叶根15区域C中的孔
16孔15的上侧唇部17冷气气体导管18冷却气流20止挡块21导管A沿热气流方向的围带的第一区域B沿热气流方向的围带的第二区域C沿热气流方向的围带的第三区域α孔15与方向y之间的角度β孔的轴线与径向z之间的角度χ孔15的出口所在的平面与孔的轴线之间的角度s孔15的出口所在的平面的直径
权利要求
1.一种燃气轮机的叶片(1)，其包括围带(2)，所述围带在所述燃气轮机的周向(y)上沿所述叶片(1)的叶尖延伸，其特征在于，所述叶片(1)包括第一冷却结构，其借助于来自所述叶片(1)中的冷却系统(5)的冷却空气而冷却所述围带(2)的第一区域(A)；以及第二冷却结构，其借助于来自定子(4)的冷却系统的冷却空气而冷却所述围带(2)的第二区域(B)，所述第二冷却结构与所述围带(2)径向相对地设置在所述定子(4)中，并且所述第一冷却结构和所述第二冷却结构分别实现不同类型的冷却。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机的叶片(1)，其特征在于，所述第一冷却结构实现所述围带(2)的所述第一区域(A)的对流式冷却以及气膜冷却，并且所述第二冷却结构实现所述围带(2)的所述第二区域(B)的冲击式冷却。
3.根据权利要求2所述的燃气轮机的叶片(1)，其特征在于，所述围带(2)的所述第一区域(A)是沿热气流的方向的第一区域，并且所述第一区域设有第一翅片(8)，其相对于燃气轮机转子(3)沿径向延伸，并且沿所述周向(y)延伸，所述第一冷却结构设置在所述第一翅片(8)中，所述第一翅片(8)包含多个与所述叶片(1)中的冷却系统(5)流体相连的孔(9、10)，并且所述第二冷却结构包括穿透所述定子壳体(4)的冷却导管(11)，所述冷却导管(11)与所述定子壳体(4)中的冷却系统(6)流体相连，并且指向所述围带(2)的所述第二区域(B)。
4.根据权利要求2或3所述的燃气轮机的叶片(1)，其特征在于，所述围带(2)包括沿热气流方向的第二翅片(13)，用于冲击式冷却所述围带(2)的第二区域(B)的冷却气流在所述翅片(8、13)与所述定子壳体(4)之间漏出。
5.根据权利要求2所述的燃气轮机的叶片(1)，其特征在于，所述围带(2)包括沿热气流方向的第二翅片(13)，在所述第二翅片中设有开口或间隙，通过所述开口或间隙，用于冲击式冷却所述第二区域(B)的冷却气流漏出。
6.根据权利要求3所述的燃气轮机的叶片(1)，其特征在于，所述翅片(8)中的孔(10)分别具有位于所述翅片(8)的热气体侧上的出口。
7.根据权利要求3至6任一所述的燃气轮机的叶片(1)，其特征在于，所述围带(2)包括具有第三冷却结构的第三区域(C)，所述第三冷却结构设有多个孔(15)，所述孔(15)与所述叶片(1)中的冷却系统(5)流体相连，并且所述孔至少沿部分径向向外的方向延伸穿过所述围带(2)，到达所述围带(2)的径向外侧表面。
8.根据权利要求7所述的燃气轮机的叶片(1)，其特征在于，所述第三区域(C)中的孔(15)分别具有这样的出口，所述出口指向与所述燃气轮机的转动方向相反的方向。
9.根据权利要求7或8所述的燃气轮机的叶片(1)，其特征在于，所述第三区域(C)中的孔(15)彼此相互平行延伸。
10.根据权利要求7或8所述的燃气轮机的叶片(1)，其特征在于，所述第三区域(C)中的孔(15)以相对于所述周向(y)的特定角度(α)延伸，其中所述角度(α)处于2°至90°的范围内。
11.根据权利要求7或8所述的燃气轮机的叶片(1)，其特征在于，所述第三区域(C)中的孔(15)的出口所在的平面以相对于所述孔(15)的轴线的特定角度(χ)延伸，其中所述角度(χ)处于40°至140°的范围内。
12.根据权利要求7或8所述的燃气轮机的叶片(1)，其特征在于，所述第三区域(C)中的所述多个孔(15)的轴线以相对于所述径向(z)的特定角度(β)延伸，其中所述角度(β)处于30°至120°的范围内。
13.根据权利要求7或8所述的燃气轮机的叶片(1)，其特征在于，所述围带(2)在所述第三区域(C)中设有唇部(16)，所述唇部(16)对应地垂直于所述多个孔(15)的轴线产生台阶，并且对应地，孔(15)的出口所在的平面的直径与所述孔(15)的直径之比在0.5至3的范围内。
14.根据权利要求3所述的燃气轮机的叶片(1)，其特征在于，所述围带(2)包括设有第三冷却结构的第三区域(C)，所述冷却结构包括多个冷却导管(16)，所述冷却导管与所述定子壳体(4)的冷却系统(6)流体相连，并且所述冷却导管(16)指向所述围带(2)的第三区域(C)。
15.根据前述权利要求任一所述的燃气轮机的叶片(1)，其特征在于，所述叶片(1)至少部分地设有热障涂层。
全文摘要
公开了一种燃气轮机叶片(1)，其包括围带(3)，根据不同的热载荷，所述围带由不同区域(A、B、C)中的不同的冷却机构冷却。在第一区域(A)中，孔设置在翅片(8)中，利用所述孔，实现所述翅片的对流式冷却以及所述翅片的热气体侧的气膜冷却。第二区域(B)通过来自于径向相对的定子壳体中的导管的冷却气流借助于冲击式冷却的方式被冷却。第三区域(C)设有多个孔，它们彼此平行延伸，并且从叶片瓣部的冷却系统的冷却导管延伸至所述围带的径向外侧表面。流经这些孔的冷却气流实现该区域的对流式冷却。
文档编号F01D5/20GK1950589SQ200580013896
公开日2007年4月18日 申请日期2005年4月19日 优先权日2004年4月30日
发明者乌尔里希·拉特曼 申请人:阿尔斯通技术有限公司