专利名称：燃气涡轮发动机的导叶组件的导叶管道元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃气涡轮发动机的入口导叶装置。
背景技术：
燃气涡轮发动机、特别是轴流式燃气发生器涡轮机中的叶片(特别是 定子叶片)，在涡轮机操作期间要经受机械负荷和热负荷。热负荷和机械 负荷是由加热叶片并向这些叶片施加气体压力的热气流引起的。具体地， 紧挨燃气发生器的燃烧室的下游的笫 一喷嘴导叶经历热气体温度。
非常需要设计并构造有足够机械整体性的叶片，以抵档操作期间施加 的负荷。
此外，叶片的整体性也取决于叶片的耐久性寿命。具体地，当叶片长 期经受高温和高应变时，会出现叶片蠕变，导致叶片材料上的裂缝，并最 终导致机械故障。
叶片材料的强度取决于操作期间施加的应力、操作温度和操作时间。 为了改进叶片的机械整体性和耐久性寿命，通常的补救措施是冷却叶片材料。
叶片设有内部冷却通道，冷却空气流过该冷却通道。冷却空气乂人燃气 发生器的压缩机提取，该压缩机代表了相当大的效率和输出功率损失。
燃气发生器涡轮机的导叶组件由多个相互附接的导叶部分组成。每个 导叶组件都包括导叶、轮毂部分和护罩部分。 一个导叶部分的每个轮毂部 分都邻接相邻导叶部分的轮毂部分，从而形成导叶组件的轮毂。 一个导叶 部分的每个护罩部分都邻接相邻导叶部分的护罩部分，从而形成导叶组件 的壳体。
导叶组件分成导叶部分的分割是均匀的，使得每个导叶部分的几何形 状和尺寸都是相同的。因此，可相似地制造每个导叶部分。通常以铸造来 制造导叶部分。
但是，为了冷却目的，导叶组件的导叶设有内部冷却通道。因为导叶 的几何尺寸小，就精度和合理的制造成本而论，很难在导叶材料内部制造 内部冷却通道。鉴于现代燃气涡轮机中的叶片经受的气体温度能够达到或甚至超过
现有镍合金材料的熔化温度的80% ,铸造内部冷却通道的现有技术已经改
进至4艮高水平。主要障碍是内部铸造冷却特征的实际制造精度，尤其是在 高级微结构合金中，如定向凝固和单晶材料。这往往既降^f氐冷却效率，又 导致浪费空气的较大通道，从而损害机器性能。
此外，铸造中精度不高意味着冷却空气分布通常远离燃气涡轮机的周 围，意味着喷嘴导叶的设计要考虑最坏情况，并导致几乎所有其他喷嘴导 叶都浪费空气。这对于铸造公差是零件和通道尺寸的相对较大部分的小型 燃气涡轮发动机特别严重。这也意味着，平均壁厚要大于所需的以避免最 坏情况下的缺点。这就导致更大的热阻抗，从而再次降低了冷却效率。
本发明的目的是提供燃气涡轮发动机的入口导叶装置，其中导叶管道 元件具有高冷却效率，但制造精度仍然很高。
发明内容
根据本发明，权利要求1所述的燃气涡轮发动机的入口导叶装置实现 了该目的。从属权利要求限定了本发明的进一步改进方案。
燃气涡轮发动机的创造性的入口导叶装置包括多个导叶管道元件，导
叶管道元件包括吸力侧壁和压力侧壁，这两种壁彼此面对，并设计成可邻 接所述导叶管道元件的另一个，使得一个导叶管道元件的压力侧壁与相邻 导叶管道元件的吸力侧壁相配合，从而形成导叶。此外，导叶管道元件包 括接受钥匙元件的部分，该钥匙元件适于布置在压力侧壁和相邻吸力侧壁 之间，从而使得当两个导叶管道元件相互邻接时，该钥匙元件将两个邻接 的导叶管道元件固定在一起。
.导叶管道元件限定了由吸力侧壁和压力侧壁限定的流动通道。当并排 布置多个所述导叶管道元件时，导叶装置就形成了，其中，由相邻压力侧 壁和吸力侧壁限定的对形成相关导叶。如果预定数目的导叶管道元件一个 接一个地布置，那么就形成了导叶装置。
由于导叶由一个导叶管道元件的压力侧壁和相邻导叶管道元件的吸 力侧壁形成，因此导叶由两个单独的导叶管道元件限定。因此，在导叶内 设置了分割面，当两个相邻导叶管道元件分离后，从外部可接近导叶的内部。
因此，当制造导叶管道元件时，吸力侧壁和压力侧壁之间的流通道制造在内部，而导叶的分割面暴露于外部。例如，导叶管道元件可铸造而成， 其中，带有吸力侧壁和压力侧壁的流动通道使用型芯形成，并通过例如机 加工分割面来制造导叶中的内部冷却通道。
与冷却通道的几何尺寸相比，流动通道的几何尺寸大得多。通常，与 铸造相比，机加工允许的制造公差更小。因此，借助^t具芯制造流动通道 并通过机加工制造冷却通道是适当的，因为与冷却通道的机加工公差对冷 却流的影响相比，流动通道的铸造公差对主流具有类似的相对影响。此外， 主流动通道的模具芯不是很复杂、并且更大更稳定，从而带来高制造产量。
此外，精确测量导叶冷却通道的位置的能力会导致通过^/L加工分割面， 可纠正芯和模具的未对准，这种纠正会带来较低的扩散(scatter)，因此， 冷却通道和流动通道设计余量、以及吸力侧壁和压力侧壁的厚度公差都可 以得到减小。结果，必要冷却空气的量可被减少，燃气涡轮发动机的总体 效率得到提高。
导叶管道元件可包括彼此面对的轮毂段壁和护罩段壁，当多个导叶管 道元件一个接一个地布置时，它们分别形成导叶排的轮毂或护罩。
因此，导叶管道元件具有由吸力侧壁、压力侧壁、轮毂段壁和护罩段 壁限定的盒状结构。该盒状结构是刚性的，并具有高机械强度和刚度。
此外，有利的是轮毂段壁和护罩段壁都具有处于导叶前缘上游和后缘 下游的预定延伸部分。
通常，燃气涡轮发动机包括带过渡区的燃烧室。因此，当导叶管道元 件安装在燃气涡轮发动机内接近燃烧室的下游时，该预定延伸部分的尺寸 有利地设计为至少延伸到过渡区。传统设计中，导叶之间的接缝从导叶排 上游边缘延伸到下游边缘，该接缝沿这整个长度暴露在管流下。通常泄漏 应该会提供进入接缝的热气体，并破坏导叶支撑结构。在本发明设计中， 导叶之间的接缝的大部分位于吸力表面和压力表面之间，因此不会暴露给 涡轮机中的热气体。因此，轮毂侧壁和护罩侧壁中的接缝泄漏在至上游延 伸部分和下游延伸部分的长度上减小了 。该接缝目前由于渗漏和浪费冷却 空气、以及扰乱涡轮机中的空气动力特性、降低空气动力效率而声名狼藉。
该实施方式也将;f艮好地适用于压力损失冷却方案，该方案允许在燃烧 室内重新使用导叶冷却空气。这将提高涡轮机的热力有效点火温度，而不 改变由材料和排放物限制的物理最热气体温度。其后果是对于任何特定材 料技术，改进了燃气涡轮发动机的输出和效率。这也允许第一叶片从燃烧室得到支撑。通过以这种方式从燃烧室支撑导叶，可节约涡轮力学的重要 部分以降低成本。与设计成允许通过中央壳体移除过渡管的筒型系统结 合，这种方法也允许最热叶片的快速检测和更换，给出进一步的计划停机 时间的优势。
导叶管道元件优选由高温材料制成，特别是陶瓷材料或难熔的金属合金。
高温材料的使用允许提高燃烧排气温度，从而增加燃气发生器的热力效率。
对于由这些高温材料制成的普通导叶，某些构造4艮难、甚至不可能形 成进入导叶的冷却通道。然而，导叶管道元件的提供却允许处在其压力侧 壁和吸力侧壁处的分割面包括冷却通道，尽管导叶管道元件的几何形状仍 然保持简单。冷却通道的更复杂几何形状可考虑通过机加工或铸造与机加 工的组合。复杂几何形状允许更有效地使用冷却剂(如冷却空气)，其提 供较低的叶片温度和/或降低冷却剂的用量。
可替代地，为了降低温度，进一步处于管元件下游的导叶可用片材或 板材沖压或锻造出来，该片材或板材可以预制成单一件，例如锥形管，或 预制成两个半部，然后将这两个半部结合在一起。
这两个半部可通过熔焊接合在一起。
具体地，这两个半部可在处于吸力侧壁和压力侧壁之间的轮毂段壁和 护罩段壁上结合在一起。
导叶管道元件的这种制造方法减少了生产准备时间，并允许具有高机 加工强度的锻造材料的使用。
另外，导叶管道元件可设有涂层。
有利地，导叶管道元件的表面可单独被掩膜用于涂层，这允许预定涂 层组分在暴露于冷却空气的表面和暴露于热气体的表面上有不同功用。如 果冷却通道在吸力侧壁表面或压力侧壁表面上的开口通入带有冷却孔的 流通道，则有利地是在整修期间，可重新涂覆流通道，然后可沿着已有路 径从"背后，，冷却表面再腐蚀冷却通道，以除去任何阻碍，并确保碎片不 会阻塞冷却通道。
此外，对流动均匀性有利的是，穿透冷却孔的通路得到改进，并允许 清理和消除冷却通道中的毛刺，这是现有技术难以实现的。
优选地，组装好的导叶包括适用于空气冷却的中空内部，其中，具体地，内部设有湍流器。
此外,优选的是钥匙元件适于通过形状配合(form fit)能固定在压力 侧壁和相应的吸力侧壁上，这消除了在每个叶片上螺紋固定装置的需要。
有利地，钥匙元件设有湍流器和/或冲击管，由于钥匙元件无需接触热 气体，因此与导叶管道元件相比，钥匙元件可由更加柔软的材料制成，鉴 于这样的事实，该钥匙元件更容易制造。
优选的是，当两个导叶管道元件相互邻接时， 一个导叶管道元件的压 力侧壁和相邻导叶管道元件的吸力侧壁在前缘和/或后缘处限定了分割线， 该分割线分别包括了至少一个前缘开口和/或至少 一个后缘开口 。
如果相邻导叶元件之间接缝的形式设计成使得前缘开口和/或后缘开 口形成一 系列将冷却空气排入主流的离散孔，则是有利的。
此外，优选的是，钥匙元件适于使压力侧壁远离相邻吸力侧壁，从而 使得该至少一个前缘开口和/或该至少一个后缘开口形成为空气动力槽，其 在流动通道与内部之间能穿透，并将排出冷却剂作为膜附到导叶元件的暴 露给气体的壁。
该创造性装置的叶片可以附接到燃烧室出口。
以下参照附图，基于导叶管道元件的优选实施方式说明本发明。附图
中
图1示出了两个邻接导叶管道元件的透^f见图， 图2示出了导叶管道元件的透视图，
图3示出了由两个邻接导叶管道元件形成的导叶的横截面，
图4示出了由两个邻接导叶管道元件形成的可替代导叶的横截面，
图5示出了由两个邻接导叶管道元件形成的另一可替代导叶的横截
面，
图6示出了与筒形燃烧室过渡管形成整体的三个邻接导叶管道元件的 装置，
图7示出了与环形燃烧室过渡管形成整体的三个邻接导叶管道元件的 装置，以及
图8示出了包括一系列出口的导叶的后缘的视图。
具体实施例方式
参照图1至图5，导叶管道元件1包括吸力侧壁2、压力侧壁3、轮 穀段壁4和护罩段壁5。压力侧壁3布置成与吸力侧壁2面对面，轮毂段 壁4布置成与护罩段壁5面对面，使得所述壁2、 3、 4、 5形成用作流动 通道9的管道。
根据图1,两个单独的导叶管道元件1并排布置，使得一个导叶管道 元件1的吸力侧壁2和另一个导叶管道元件1的压力侧壁3至少在某些点 上相互邻接，从而配合形成导叶6。导叶6具有前缘7和后缘8，每一个 都通过一个导叶管道元件1的吸力侧壁2和另一个导叶管道元件1的压力 侧壁3匹配形成。
在导叶6内，即在一个导叶管道元件1的吸力侧壁2和另 一个导叶管 道元件1的压力侧壁3之间，形成导叶6的中空内部10。冷却空气可流动 通过内部IO,用来在操作期间冷却导叶6。
从图2可见，为了导引并控制内部10中的冷却空气流，在内部10中 形成冷却通道11。冷却通道11由肋12限定，肋12设置在内部10中的吸 力侧壁2上，并平行于前缘7和后缘8延伸。因此，肋12引导冷却空气 与其平行，使得例如进入内部10的冷却空气在轮毂段壁4处被引导朝向 护罩段壁5的方向。肋12布置在位于前缘7和导叶6中部的区域中。
在内部10中，在导叶6的后部区域和后缘8处，设置了基座湍流器 13以混合冷却气流并产生湍流。因此，增加了从导叶6的材料至冷却空气 的传热。包括肋12的区域和包括基座湍流器13的区域由分隔壁14分开。 与吸力侧壁2相似，肋12、分隔壁14和基座湍流器13同样也设置在压力 侧壁3上。
当制造导叶管道元件1时，基座湍流器13由(多个)空心铣刀或(多 个)研磨"管"形成。肋12可由槽铣削/研磨工具制造。可替代地，可应 用来自负主电极的化学或放电加工。冷却通道11能够降低到与吸力侧壁2 和压力侧壁3的空气动力表面分别离得更近，并被制造得更精确，以降低 热阻抗，同时允许更深的肋12,以使吸力侧壁2和压力侧壁3有更高的机 械强度。
可替代地，自适应湍流器可设置在内部10中。由于制造导叶管道元 件1时可进入内部10,所以所述自适应湍流器可易于附接。
图3至图5示出了导叶6的横截面视图。导叶6由一个导叶管道元件1的吸力侧壁2和另一个导叶管道元件1的压力侧壁3形成。在内部10中 布置钥匙元件15。钥匙元件15包括面对压力侧壁3的侧和面对吸力侧壁 2的侧。钥匙元件15的两侧都设有两个突起，吸力侧壁2和压力侧壁3分 别设有与突起配合的腹板28,从而在钥匙元件15的每侧都形成两个楔形 榫16。楔形榫16平行于前缘7和后缘8延伸，从而将内部IO分为从轮毂 段壁4延伸至护罩段壁5的四个冷却通道11。
此外， 一个导叶管道元件1和另一个导叶管道元件1经由钥匙元件15 借助于楔形榫16互锁。当安装两个导叶管道元件1时，所述两个导叶管 道元件1必须并排布置，且钥匙元件15必须引入内部10,使得突起在相 应的腹板间接合，从而形成楔形榫16。因此，导叶管道元件l的互锁是可 拆卸的，从而提供了移走单个导叶管道元件1的快速方式以便例如局部维 修。
此外，可向轮毂段壁4和护罩段壁5提供一个或两个安装环，以获得 从吸力侧壁2和压力侧壁3的空气动力表面传过钥匙元件15的力。
钥匙元件15设有处于钥匙元件15的楔形榫16之间基座湍流器13, 钥匙元件15的前缘部分设有肋湍流器17。因此，所述湍流器特征13和 17制造在钥匙元件15上，而可替代地，吸力侧壁2和压力侧壁3缺少任 何湍流器特征。当导叶管道元件1由硬度大于钥匙元件15的材料制造以 简化并加快生产时，这是特别有利的。此外，导叶管道元件l的几何形状 有利地是简单的。
传热仍会通过从壁2和3到钥匙元件的辐射而发生，然后由环绕湍流 器13和17的流释放。
为了形成多个导叶组件， 一些导叶管道元件1和它们的钥匙元件15 可通过熔合或扩散方法或机械锁合接合在一起。
可替代地，在内部IO的后缘部分中，吸力侧壁2设有基座湍流器13, 且压力侧壁3设有肋湍流器17。进一步可替代地，在内部10的后缘部分 中，吸力侧壁2和压力侧壁3设有肋梳18作为湍流器(图5 )。
可替代地，在内部10的后缘部分，沖击管19并入了钥匙元件15,冲 击管19包括沖击管排放开口 20 (图4,图5)。
此外，在前缘7和后缘8处，吸力侧壁2和压力侧壁3匹配并形成分 割线。
楔形榫16尺寸设计成使得钥匙元件15隔开吸力侧壁2和压力侧壁3。因此，在前缘分割线处，导叶6形成有前缘槽21,如图3至图5所示。此 外，在后缘分割线处，导叶6形成有后缘槽22，如图5所示。
前缘槽21和后缘槽22将冷却通道11与流通道9连接，使得冷却空 气可从导叶6内部10中的冷却通道11流到外部进入流通道9。
因为例如在制造期间处理个体的导叶管道元件1时，可从外部接近分 割线，所以对前缘槽21和/或后缘槽22的精确加工是简单的。特别是，前 缘槽21和/或后缘槽22能够制成具有平滑内缘，从而减少槽21和22的流 动阻力，并增加冷却空气通流，减少通过相邻叶片的流动可变性。此外， 导叶6的后缘8更为尖锐，从而减少热力和空气动力损失，并限制下游扰 动。
前缘槽21位于前缘7的弯曲部，朝向导叶6的吸力侧。当冷却空气 从内部10通过前缘槽21流至流通道9时，冷却空气在导叶6吸力侧上输 送以起到冷却作用。因此，借助于前缘槽21可执行导叶的膜层冷却。可 替代地，通道可向压力侧壁排放。
作为槽的替代，分割线可在压力侧壁3和/或吸力侧壁2上设有多个凹 陷28。图8 (后缘的视图)示出了在压力侧壁3上具有凹陷28的实施方 式。凹陷28在前缘和/或后缘上形成了一系列开口，用于冷却空气排放。
此外，冷却空气从导叶6的内部10进入后缘8后面的流体。从而有 利地增强了导叶的尾流区域。因此，下游叶片经受的空气动力特性得到了 改进，特别是相对于振动流态。
由图6可见，三个导叶管道元件1与筒形燃烧室23过渡管24形成整体。
因为每个导叶管道元件1的位置相对燃烧室23固定，所以在组装和 结合之前，可以将不同的冷却模式机加工到导叶管道元件1的相同的基本 部分中，以考虑由燃烧器造成的温度分布上的已知变化。这允许整个冷却 空气流量的减少。在这种情况下，中间的导叶管道元件1具有可替^f戈的加 工冷却方案以处理例如热点。
图7示出了三个导叶管道元件1的装置，其带有包括外部冷却壳26 的环形燃烧室25。导叶6包括冷却通道端口 27,用于使冷却空气进入导 叶6的冷却通道11。外部冷却壳26构造为将导叶6排放的冷却空气输送 回燃烧器以重新使用(见图7的箭头，其指示了冷却空气的流动)。可替 代地，流可从外部通道进入，并通过入口通道返回燃烧器。机性能、生产和服务的优势以及到目前为止的设计自由度，以优化冷却利 用率，这直接影响了发动机的功率输出和效率。
此外，由于通过改进的制造通路而获得更好的几何公差，所得到的零 件寿命的更大可预测性也会改进受迫停运率。
权利要求
1.一种燃气涡轮机的入口导叶装置，其包括多个导叶管道元件，这些导叶管道元件包括吸力侧壁(2)和压力侧壁(3)，这两种壁(2，3)面对彼此，并且这两种壁设计成能邻接所述导叶管道元件(1)中的另一个，从而使得一个导叶管道元件(1)的压力侧壁(3)与相邻导叶管道元件(1)的吸力侧壁(2)相配合，由此形成导叶(6)，其特征在于导叶管道元件(1)包括接收钥匙元件(15)的部分，该钥匙元件(15)适于布置在压力侧壁(3)和相邻吸力侧壁(2)之间，当两个导叶管道元件(1)彼此邻接时，钥匙元件(15)适于将两个邻接的导叶管道元件(1)固定在一起。
2. 如权利要求l所述的装置，其特征在于导叶管道元件(1)包括 面对彼此的轮毂段壁(4)和护罩段壁(5),当多个导叶管道元件(1) 布置成一个接一个时，轮毂段壁(4)和护罩段壁(5)分别形成导叶排的 轮毂环或护罩环。
3. 如权利要求2所述的装置，其特征在于轮毂段壁(4)和护罩段 壁(5) 二者都具有预定的延伸部分，该延伸部分从导叶(6)的前缘(7) 向上游延伸，并处于导叶(6)的后缘(8)的下游。
4. 如权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于导叶管道元件 (1)由高温材料制成，特别是陶瓷材料或金属合金。
5. 如权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于导叶管道元件 (1)通过沖压或锻造片材或板材制成，该片材或板材预制成单一件，或预制成两个半部，然后再将这两个半部结合在一起。
6. 如权利要求5所述的装置，其特征在于这两个半部通过熔焊结合 到一起。
7. 如权利要求5-6所述的装置，其特征在于这两个半部是在处于吸 力侧壁(2)和压力侧壁(3)之间的轮毂段壁(4)和护罩段壁(5)上结 合在一起。
8. 如权利要求1-7中任一项所述的装置，其特征在于导叶管道元件 (1 )设有涂层。
9. 如权利要求1-8中任一项所述的装置，其特征在于组装好的导叶 (6)包括适用于空气冷却的中空内部(10),特别地，内部(10)设有湍流器(12, 13, 17, 18)。
10. 如权利要求1-9中任一项所述的装置，其特征在于钥匙元件(15 ) 适于通过形状配合能固定到压力侧壁(3)和相应的吸力侧壁(2)上。
11. 如权利要求1-10中任一项所述的装置，其特征在于钥匙元件 (15)设有湍流器(13, 17)和/或冲击管(19， 20)。
12. 如权利要求1-11中任一项所述的装置，其特征在于当两个导叶 管道元件(1 )彼此邻接时， 一个导叶管道元件(1 )的压力侧壁(3 )和 相邻导叶管道元件(1 )的吸力侧壁(2 )在前缘(7)和/或后缘(8 )处限 定了分割线，这分割线包括至少一个前缘开口 (21)和/或至少一个后缘开 口 ( 22 )。
13. 如权利要求12所述的装置，其特征在于钥匙元件(15)适于使 压力侧壁(3)远离相邻的吸力侧壁(2),从而使得所述的至少一个前缘 开口 (21)和/或所述的至少一个后缘开口 (22)形成为空气动力槽，该空 气动力槽在流动通道(9)与内部(10)之间是能穿透的。
14. 如权利要求12所述的装置，其特征在于相邻导叶元件(1 )之 间的接缝形式设计成使得前缘开口 (21)和/或后缘开口 (22)形成为一系 列的离散孔。
15. 如权利要求1-14中任一项所述的装置，其特征在于导叶附接到 燃烧室出口。
全文摘要
一种燃气涡轮机的入口导叶装置，包括多个导叶管道元件，导叶管道元件包括吸力侧壁(2)和压力侧壁(3)，这两种壁(2，3)彼此面对，并设计成能邻接这多个导叶管道元件(1)中的另一个，使得一个导叶管道元件(1)的压力侧壁(3)与相邻导叶管道元件(1)的吸力侧壁(2)相配合，由此形成导叶(6)，导叶管道元件(1)包括接受钥匙元件(15)的部分，当两个导叶管道元件(1)彼此邻接时，该钥匙元件(15)适于装置在压力侧壁(3)和相邻吸力侧壁(2)之间，并且适于将两个邻接的导叶管道元件(1)固定在一起。
文档编号F01D9/04GK101622423SQ200880007165
公开日2010年1月6日 申请日期2008年2月29日 优先权日2007年3月6日
发明者M·哈塞尔奎斯特, P·西尼尔 申请人:西门子公司