渦輪葉片的加固和冷卻結構的製作方法
2023-06-04 15:16:26 1
專利名稱：渦輪葉片的加固和冷卻結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種葉片，特別是渦輪葉片，其具有至少一個由多個壁限定的而且冷卻流體可以導入其中的輸送管，多個湍流器設置在至少一個壁上，以提高壁和冷卻流體之間的熱交換。
背景技術：
這種渦輪葉片從(例如)EP0758932B1可得知。該公知的渦輪葉片為中空結構並具有四個輸送管。各輸送管分別由渦輪葉片的兩個外壁以及分立的各壁限定，冷卻流體流經各輸送管，以備冷卻使用。各外壁設有湍流器，以便提高各外壁和冷卻流體之間的熱交換。
在公知的渦輪葉片中，湍流器只用來改善熱交換。工作過程中發生的渦輪葉片上的負荷幾乎全部由各外壁接受，各外壁由此必須具有相對較厚的結構。當負荷增加，各外壁的壁厚也必須進一步增加。然而，由於壁厚的增加，冷卻效率降低，總體效率由此降低。
發明內容
因此，本發明要解決的技術問題是提供一種葉片，其具有較高的承載能力而不需增加壁厚，或者換句話說，對於相同的承載能力來說，其壁厚得以降低。
為了解決該技術問題，在說明書起始提及的那類葉片中，根據本發明提出了湍流器彼此匯合併用來加固壁。
根據本發明而且也是首次提出的，湍流器彼此匯合併用來加固壁。藉助該裝置，在不需要附加材料也不需要增加壁厚的情況下實現加固的大幅度增加。同時，各壁和冷卻流體之間實現良好熱交換。因此，冷卻效率高，總體效率高。壁的加固不僅僅在單個湍流器的區域中產生。各湍流器的相互連接確實能形成大面積的加固。
本發明優選實施例和改進在從屬權利要求中給出。
優選湍流器具有直的結構。直湍流器的使用能產生較高程度的加固，而且製造簡單。
在優選的第一實施例中，所有湍流器都具有相對於葉片縱向中心線相同的角度。這樣形成了湍流器的對稱布置，該布置可以均勻地接收來自所有方向的負荷。
在優選的改進中，湍流器之間為直角。作為備選方案，也可選擇銳角或鈍角。
根據優選的第二實施例，第一組湍流器與葉片的縱向中心線成第一角，而第二組湍流器與葉片的縱軸成第二角。
因此，兩組湍流器具有相對於葉片的縱向中心線不同的傾角。因此，葉片的加固取決於負荷衝擊的角度。故不同方向上的加固的具體配合可因不同傾角實現。
湍流器優選設置成形成彼此相鄰而且在彼此上方定位的多邊形凹陷，特別是正方形、菱形、六邊形形狀的凹陷。壁的內表面設有蜂窩結構。每一個多邊形或蜂窩結構分別形成一個封閉的、可承受高負荷的橫截面且互相支撐。可實現加固的大幅度增加。
在優選的改進中，壁厚(至少在湍流器之間的區域)降低。壁厚降低由於湍流器所導致的壁的加固的事實而成為可能。冷卻效率通過壁厚的降低而進一步增加。在葉片鑄造過程中，該布置的湍流器可以優選用作金屬輸送管。蜂窩結構易於製造。
根據優選實施例，葉片具有多個帶有不同湍流器布置的截面。各個截面中的這些不同布置可具體影響葉片的加固。結果是對存在於各個葉片截面中的負荷有最優匹配。
在優選的第一改進中，各截面彼此相距一距離。這樣就在湍流器的不同布置之間形成簡單過渡。
根據優選的第二改進，各截面彼此匯合。葉片的加固繼續增加。
根據本發明的葉片可構成導向葉片，或構成渦輪機的轉子葉片。
本發明在下文採用示例性實施例進行描述，所述實施例示意性繪於附圖中。在所有附圖中的相同的附圖標記用於相似或功能相同的部件。附圖中圖1為渦輪機的縱向截面圖；圖2為葉片的分解透視圖；圖3為圖2中x的放大詳細視圖；圖4為第一實施例的葉片的外壁內表面上的端視圖；圖5為第二實施例的類似於圖4的視圖；圖6為第三實施例的類似於圖4的視圖；圖7為轉子葉片的示意圖；圖8為導向葉片的示意圖。
具體實施例方式
圖1示出為具有殼體11和轉子12的渦輪10的渦輪機的縱向截面圖。殼體11設有導向葉片13，轉子12設有轉子葉片14。工作中，流體在箭頭方向15流過渦輪10，該流體沿導向葉片13和轉子葉片14流動，致使轉子12圍繞中心線16開始轉動。
在多數應用場合中，流體的溫度較高，特別是在第一排葉片區域中(圖1中左部所示)。為此，要對導向葉片13和轉子葉片14進行冷卻。冷卻流體的流動示意性地由箭頭17、18表示。特別是空氣可用作冷卻流體。
圖2示意性示出導向葉片13的分解示意圖。導向葉片13具有曲線形外壁19、20。外壁19、20之間的內部空間藉助兩個間隔壁21再分成總數為三個的輸送管22。工作中，冷卻流體導入到輸送管22中。
為了提高外壁19、20和冷卻流體之間的熱交換，外壁19、20設置了多個湍流器23。為了繪圖，圖2中湍流器23以極為簡化的方式示出。然而，可以看到湍流器23彼此匯合，且形成蜂窩結構。該蜂窩結構形成對外壁19、20的加固。
圖3示出圖2中x的詳細放大視圖。湍流器23具有直的結構且彼此匯合。在所示的示例性實施例中，每個凹陷24由四個湍流器限定。從湍流器23開始直到凹陷24的中心，外壁19的壁厚d持續降低。壁厚d的降低因為湍流器23的彼此支撐而成為可能，並且藉此，大幅度增加對導向葉片13的加固。同時，湍流器23起到衝擊保護的作用。
由於降低的壁厚d，冷卻效率增加。因此，需要較少的冷卻流體，從而渦輪10的總體效率可以較高。
湍流器23的截面為近似三角形結構，並從外壁1 9開始逐漸變細。因此，在導向葉片13的鑄造過程中，湍流器可用作金屬輸送管。因此，本發明的導向葉片13易於製造。
圖4至6示出了三個不同實施例中的外壁19內部的示意性端視圖。在圖4的實施例中，所有湍流器23a、23b都具有相對於導向葉片13的中心線25相同的角度α、β。湍流器23a、23b之間為直角26。因此由湍流器23a、23b限定的凹陷24為方形。
在各種情形下，湍流器23a、23b在兩個接觸點31之間延伸。在接觸點31的區域中，湍流器23a、23b彼此匯合。直湍流器23a、23b的使用簡化了生產。此外，使得加固增加。
圖5的實施例中，第一組湍流器23a與縱向中心線25成第一角α，而第二組湍流器23b與縱軸25成第二角β。在該實施例中，湍流器之間的角度26大於90°。相應結果是形成菱形凹陷24。湍流器23a、23b相對於縱軸的不同傾角導致導向葉片13的取決於負荷方向的不同加固。由此實現對不同邊界條件的良好匹配。
圖6的實施例中，在各情形下，六個湍流器23形成六邊形凹陷24。結果是產生了可大幅度增加對導向葉片13加固的蜂窩結構。
湍流器23的其他適當配置當然也可採用。優選湍流器23布置成可產生圖4至6所示的凹陷24。在端視圖中，這些凹陷24具有封閉的橫截面，因此加固程度高。作為備選方案，湍流器23也可以布置成v或x形。
當然，在轉子葉片14的情形中也可以設置湍流器23。圖7示意性示出這樣一種轉子葉片14，其具有多個帶有不同布置的湍流器23的截面28、29、30。在該情形下，截面28中湍流器的布置與圖4所示一致，而截面29、30中湍流器的布置與圖5和6的結構一致。各截面28、29、30彼此間距一距離。轉子葉片14可在截面28、29、30之間的區域中以較少的生產成本進行橫截面和形狀的變化。為了獲得所需的加固，外壁19、20的壁厚d在這些過渡區中相應增加。採用不同湍流器23的布置使得葉片14的加固受到各截面28、29、30的具體影響。因此，結果是沿縱向中心線25有對不同邊界條件的最優匹配。
截面28、29、30還可以彼此匯合，如圖8中採用導向葉片13所示意性示出的。在該情形下，各截面28、29、30的湍流器23彼此在接觸點匯合(未詳細示出)。因此，結果是導向葉片13沿其縱向中心線25連續加固。
本發明能夠藉助設置用來提高熱交換的湍流器的特殊布置而使加固增加。對於相同負荷，外壁19、20的壁厚d可降低。冷卻效率因壁厚降低而增加，從而導致渦輪10的總體效率較高。
權利要求
1.一種葉片，特別是渦輪葉片(13；14)，其具有至少一個由多個壁(19、20、21)限定的而且冷卻流體可以導入其中的輸送管(22)，多個湍流器(23)設置在至少一個壁(19；20)上，以提高壁(19；20)和冷卻流體之間的熱交換，其特徵在於，所述湍流器(23)彼此匯合，並用於加固壁(19；20)。
2.根據權利要求1所述的葉片，其特徵在於，所述湍流器(23)具有直的結構。
3.根據權利要求2所述的葉片，其特徵在於，所有湍流器(23a、23b)都與葉片(13；14)的縱向中心線(25)成相同角度(α、β)。
4.根據權利要求2或3所述的葉片，其特徵在於，所述各湍流器(23a、23b)之間為直角(26)。
5.根據權利要求2所述的葉片，其特徵在於，第一組湍流器(23a)與縱向中心線(25)成第一角(α)，而第二組湍流器(23b)與縱軸(25)成第二角(β)。
6.根據權利要求2至5中任一項所述的葉片，其特徵在於，湍流器(23)設置形成彼此相鄰而且在彼此上方定位的多邊形凹陷，特別是正方形、菱形、六邊形形狀的凹陷。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的葉片，其特徵在於，所述壁(19；20)的壁厚(d)至少在湍流器(23)之間的區域中降低。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的葉片，其特徵在於，葉片(13；14)具有多個帶有不同湍流器(23)布置的截面(28、29、30)。
9.根據權利要求8所述的葉片，其特徵在於，所述截面(28、29、30)彼此間隔開。
10.根據權利要求8所述的葉片，其特徵在於，所述截面(28、29、30)彼此匯合。
11.根據權利要求1至10中任一項所述的葉片，其特徵在於，所述葉片構成導向葉片(13)或構成渦輪機(10)的轉子葉片(14)。
全文摘要
本發明公開了一種用於渦輪(10)的葉片(13；14)，其具有至少一個可被冷卻流體衝擊的輸送管(22)。提高壁(19；20)和冷卻流體之間熱交換的幾個湍流器(23)設置在輸送管(22)的至少一個壁(19；20)。此外，湍流器(23)加固壁(19；20)並會聚。所述加固的結果是，湍流器(23)之間區域中的壁(19；20)的厚度(d)可以降低。
文檔編號F01D5/14GK1606655SQ01806791
公開日2005年4月13日 申請日期2001年3月15日 優先權日2000年3月22日
發明者漢斯-託馬斯·博爾姆斯, 彼得·蒂曼 申請人:西門子公司