用于燃气涡轮的叶片以及燃气涡轮的制作方法

本公开的实施例总体上涉及燃气涡轮，并更为具体地涉及用于燃气涡轮的叶片和包括该叶片的燃气涡轮。

背景技术：

涡轮静叶和动叶是燃气涡轮的关键部件，并且对于提高运行效率至关重要。具体而言，由于它们在被热气体旋转和冲击时受到高温影响，因此现代燃气涡轮通常采用用于涡轮静叶和动叶的内部冷却系统，其中静叶和动叶由穿过内部冷却通道的空气来被冷却。

已经提出了与静叶和动叶的改进设计有关的各种冷却系统。在WO2017/153219A1中提出了一种用于燃气涡轮的叶片。该叶片包括在其端部区域上的凹部。此外，在凹部内另外提供了台阶/台座以有利于冷却孔的定位并且防止摩擦影响端部冷却设计。

然而，这种基于台阶的设计增加了底板厚度，这增加了冷却通道与端部凹部的热侧壁之间的距离。在这种情况下，基于对流的冷却被恶化。此外，台阶区域中增加的底板厚度增加了制造冷却孔的难度，这是因为冷却孔会变的更长。

技术实现要素：

本公开的实施例提供了一种用于燃气涡轮的叶片和一种包括该叶片的燃气涡轮。

在第一方面，提供了一种用于燃气涡轮的叶片。该叶片包括：端部，其包括在径向方向上朝叶片的相对的根部延伸的凹部；内部结构，其被构造在叶片内以用于容纳至少一个冷却回路，并且布置在端部和根部之间，其中凹部的底部和内部结构的顶部在径向方向上彼此基本对齐，并共同限定出端部底板，其特征在于，凹部的底部包括第一底部区域和第二底部区域，第二底部区域在径向方向上从第一底部区域突出，以在凹部的周边处形成台阶；以及内部结构的顶部的轮廓在径向方向上以与凹部的底部的轮廓成预定的关系的方式延伸。

根据本公开的各种实施例，内部结构的顶部轮廓被构造为以预定的方式遵循凹部的底部轮廓。特别地，可以构造与由第一底部区域和第二底部区域形成的台阶状轮廓相对应的内部结构的顶部的台阶状轮廓。

以这种方式，例如可以在凹部的整个底部上获得减小的甚至最小的底板厚度。这样，可以实现端部区域改进的基于对流的冷却。此外，随着底板厚度的减小，也降低了在台阶上制造(例如，钻出)冷却孔的难度，这是因为随着端部底板厚度的减小，不再需要较长的孔。另外，由于这种改进的基于对流的冷却更加有效，因此所需的冷却空气消耗量也可能被减少。

在一些实施例中，内部结构的顶部被构造为使得第一底部区域与内部结构的顶部之间的第一厚度基本上等于第二底部区域与内部结构的顶部之间的第二厚度。

在一些实施例中，第二底部区域包括冷却孔，其中凹部与内部结构经由冷却孔流体连通。

在一些实施例中，至少一个冷却回路包括蛇形通道，蛇形通道包括：基本在轴向方向上延伸的部分和基本在径向方向上延伸的部分。

在一些实施例中，至少一个冷却回路至少包括靠近叶片的前缘的冷却回路和靠近后缘的另一冷却回路。

在一些实施例中，第二底部区域沿凹部的第一周边延伸，第一周边抵靠叶片的压力侧的内壁，并且与叶片的后缘相交。

在一些实施例中，第二底部区域还与叶片的前缘相交。

在一些实施例中，第二底部区域沿凹部的第二周边延伸，第二周边抵靠叶片的吸力侧的内壁，并且与叶片的后缘相交。

在一些实施例中，第二底部区域还与叶片的前缘相交。

在第二方面，提供了一种燃气涡轮。该燃气涡轮包括根据本公开的第一方面的叶片。

通过以下实施例可以理解，通过这种适当设计的叶片，可以获得叶片端部更加有效的冷却。此外，随着嵌入式冷却系统的进一步优化，可以实现贯穿整个端部区域的均匀且稳定的冷却。此外，制造可以被简化，因此整体成本可以降低。

应当理解，本使用新型内容不旨在标识本文描述的技术方案的实施例的关键或基本特征，也不旨在用于限制本文描述的技术方案的范围。通过以下描述，本文描述的技术方案的其他特征将变得易于理解。

附图说明

通过本文结合附图描述的技术方案的示例实施例的更详细的描述，本文描述的技术方案的以上和其他目的、特征和优点将变得更加明显，其中在本文描述的技术方案的示例实施例中，相同的附图标记通常表示相同的部件。

图1图示了根据本文描述的技术方案的实施例的叶片的立体图；

图2示意性地图示了根据本文描述的技术方案的实施例的叶片的截面视图；

图3示意性地图示了如图2所示的叶片的局部视图；

图4示意性地图示了如图3所示的叶片的俯视图；

图5示意性地图示了根据本文描述的技术方案的实施例的叶片的截面视图；

图6图示了如图5所示的叶片的俯视图；以及

图7示意性地图示了根据本文描述的技术方案的实施例的叶片的另一截面视图。

具体实施方式

现在将参照若干示例实施例来讨论本文描述的技术方案。应当理解，这些实施例仅出于使本领域技术人员能够更好地理解并因此实现本文所描述的技术方案的目的被讨论，而不对技术方案的范围提出任何限制。

如本文所使用的，术语“包括”及其变型应被解读为意指“包括但不限于”的开放术语。术语“基于”应解读为“至少部分基于”。术语“一个实施例”和“实施例”应被解读为“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”应被解读为“至少一个其他实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指代不同或相同的对象。其他的定义，明确的和隐含的，可以被包括在下文中。除非上下文明确指出，否则术语的定义在整个说明书中是一致的。

虽然本文描述的技术方案的原理将参照动叶进行说明，但是应当理解，相同的原理也可以应用于静叶。

图1示意性地图示了根据本文描述的技术方案的实施例的叶片10的立体图。如图所示，叶片10在径向方向R上延展，并且包括端部1和相对的根部2。叶片10还包括前缘4、后缘5，以及在前缘4和后缘5处接合在一起的凸压力面7和凹吸力面8，以形成连续的侧表面。

图2示意性地图示了根据本文描述的技术方案的实施例的叶片10的截面视图。如图所示，叶片10的端部1还包括朝向叶片10的根部2延伸的凹部11。发明人已经发现，这样的凹部11可以形成均匀的端部间隙，并且可以有利于防止端部1磨损或与可磨损基底(未示出)的接触。

如图2所示，叶片10还包括布置在端部1和根部2之间并且构造在叶片10内的内部结构3，内部结构3用于容纳一个或多个冷却回路30(以虚线示出)以冷却叶片10。换言之，内部结构3限定出了由端部1、根部2、前缘4、后缘5和侧表面所包围的内部空间。冷却回路30分别连接到相应的冷却空气入口并延伸通过根部2。用于冷却回路30中的每个冷却回路的冷却空气通过来自根部2的各自通道来供应，该通道可以利用常规制造方法制造。

仍然参照图2，在该实施例中，凹部11的底部和内部结构3的顶部在径向方向R上彼此基本对齐并共同限定出端部底板6。因此，端部底板6的厚度由凹部11的底部与内部结构3的顶部之间的垂直距离限定。

如以上所讨论的，在一些情况下，如图2所示，凹部11可以包括台阶或台座，这有利于冷却孔的定位并避免摩擦影响端部冷却设计。例如，如图2所示，凹部11的底部可以包括第一底部区域110和第二底部区域120。第二底部区域120在径向方向R上从第一底部区域110突出一定高度。由此，在凹部11的周边处形成了台阶12，这增加了端部底板在台阶12区域中的厚度。

考虑到端部底板厚度增加可能导致潜在的低效的冷却，根据本公开的各种实施例，内部结构3的顶部轮廓被构造为以优化的方式遵循或跟随凹部11的底部轮廓，使得端部底板在台阶区域中的厚度可以减小甚至最小化。从而增强对流以改善台阶区域的冷却效果。

具体而言，根据本公开的各种实施例，内部结构3的顶部的轮廓可以在径向方向R上以与凹部11的底部的轮廓成预定的关系的方式延伸。换言之，在这个示例中，考虑到在凹部11中设置的台阶(如果有的话)，可以形成径向错开的内部结构3。此外，根据发明人的发现和观察结果，制造难度将不会随着内部结构3的轮廓改变而增加，因为例如在一些实施例中，内部结构3可以整体铸造成单件而以常规方式形成冷却回路。

与用于容纳冷却回路的内部结构的顶部轮廓不随着凹部的底部轮廓的变化而改变的常规设计相比，根据本公开的各种实施例，台阶区域中端部底板厚度的减小将改善用于冷却的对流。

在一些实施例中，冷却回路30可以包括或者采取蛇形通道的形式，该蛇形通道包含基本上在轴向方向C上延伸的多个部分和基本上在径向方向R上延伸的多个部分，如图2所示。这种蛇形通道能够在保持叶片2的刚度的同时实现叶片10内部的充分冷却。

在一些实施例中，如图2所示，在内部结构3中可以设置两个不同的冷却回路，其中一个冷却回路31位于靠近前缘4处，而另一个冷却回路32位于靠近后缘5处。具有两个独立冷却回路的这种冷却回路配置使得能够根据实际的冷却要求，例如基于叶片的不同区域中的热载荷分布来实现更灵活的冷却设计。

应当理解，内部结构3可以包括多于两个的冷却回路，以实现更大的冷却灵活性。例如，在一些实施例中，可以使用两个分离的冷却回路来冷却压力侧7的前缘4和后缘5，而可以使用另外两个分离的冷却回路来冷却吸力侧8的前缘4和后缘5。

在一些实施例中，第二底部区域120可以包括一个或多个冷却孔101，凹部11通过这些冷却孔101与内部结构3流体连通，如图1所示。也就是说，冷却孔101可以是连接凹部11和内部结构3的通孔的形式，以用于将冷却的气流引导至端部区域。通过底板厚度的减小，这些冷却孔101的制造可以被进一步简化，因为与厚台阶区域相对应的相对较长的冷却孔相比，减小的或最小化的底板厚度仅需要较短的冷却孔。

图3图示了如图2所示的叶片的局部放大视图。在一些实施例中，如图3所示，内部结构3的顶部被构造为使得第一底部区域110与内部结构3的顶部之间的第一厚度H1基本上等于第二底部区域120与内部结构3的顶部之间的第二厚度H2。以这种方式，可以实现端部底板6基本上恒定的厚度，这确保了贯穿整个端部区域的基本均匀的对流。因此，该冷却系统具有很高的鲁棒性。

在其他实施例中，取决于不同区域中的特定热载荷分布，第一厚度H1可以不同于第二厚度H2。在又一其他实施例中，第一厚度H1或第二厚度H2甚至可以分别在第一底部区域110或第二底部区域120内作为热分布的函数而变化。这将例如有助于实现更高效的冷却设计。

图4示意性地图示了如图3所示的叶片的俯视图。从另一个角度来看，图3可以被看作是沿前缘4和后缘5之间延伸的弧形线401切割的图4所示的叶片截面示图。如图4所示，在一些实施例中，第二底部区域120沿凹部11的第一周边71延伸，第一周边71抵靠叶片10的压力侧7的内壁，并且仅与叶片10的后缘5相交。

图5示意性地图示了根据本文描述的技术方案的另一个实施例的叶片的截面视图，并且图6图示了如图5所示的叶片的俯视图。在那些实施例中，第二底部区域120不仅可以与后缘5相交，而且还可以与叶片10的前缘4相交。因此，在沿弧形线401切割叶片的截面视图中，在靠近前缘4处形成了另一台阶13，如图5所示。

在这种情况下，需要考虑可以被包含在凹部11中的两个台阶12和13来形成内部结构3的轮廓。相应地，在另一个台阶13的区域中的端部底板厚度(也可以称为第三距离)H3也减小。同样地，应当理解，在一些实施例中，尽管台阶12的台阶高度可以与台阶13的台阶高度相同，但是第三距离H3可以不同于第一距离H1或第二距离H2。

备选地或附加地，在一些实施例中，第二底部区域120可以沿凹部11的第二周边81延伸，第二周边81抵靠叶片10的吸力侧8的内壁。这样，第二底部区域120与叶片10的后缘5相交。在一些其他实施例中，第二底部区域120可以不仅与后缘5相交，而且还与叶片10的前缘4相交，如图6所示。

图7示意性地图示了沿基本垂直于弧形线401的线A-A切割的叶片的另一截面视图。如该视图所示，在一些实施例中，内部结构3也可以具有这样的轮廓，即，该轮廓沿叶片厚度的方向以预定方式遵循或跟随对应的凹部11的台阶状底部轮廓。当然，为了避免设计和制造方面的冷却回路30的复杂性，在其他实施例中，也可以省略在轴向方向C上观察到的错开的内部结构3(如图7所示)。

此外，发明人的实验表明，例如，仅沿轴向方向C(如图4和图5所示)的错开内部结构3的简化设计仍然足以实现大多数情况下的优化冷却。

总而言之，本公开的各种实施例为在叶片端部的凹部内具有台阶的叶片提供了优化的冷却系统的设计。基于冷却系统的顶部轮廓对凹部的底部轮廓的预定依赖性，可以贯穿整个端部区域来实现优化的基于对流的冷却效果。此外，由于本公开的各个实施例中不再需要较长的冷却孔，所以整体的制造难度可以进一步降低。

应当理解，本公开的上述详细实施例仅仅是为了举例说明或解释本公开的原理，而不是限制本公开。因此，不脱离本实用新型的精神和范围的任何修改、等同替换和改进等均应被包括在本实用新型的保护范围之内。同时，本公开的所附权利要求旨在覆盖落入权利要求的范围和界限内或范围和界限的等同物内的所有变化和修改。