空心透平葉片的製作方法
2023-05-01 01:08:21 2
專利名稱：空心透平葉片的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種空心透平葉片，它具有一個由吸入側葉型壁和壓力側葉型壁構成的、可被熱氣體環流的支承面葉型，該支承面葉型從平臺直到葉型頂點具有一個沿著葉片軸線的葉型高度，所述空心的透平葉片還具有至少一個設置在透平葉片內部的支撐肋以及至少一個設置在葉型壁內熱氣體側的、沿著葉片軸線延伸的狹縫，所述支撐肋在各自的連接區域內將壓力側葉型壁與吸入側葉型壁連接起來。此外，本發明還涉及上述透平葉片的用途。
背景技術：
在EP1508399A1中公開了一種燃氣輪機的透平葉片，該透平葉片在空間上限制通過在葉片前緣的區域內延伸的狹縫而引起的裂縫的增大，從而防止出現不允許的大裂縫。在葉片前緣中所產生的裂縫可能沿著軸向增大，最大時只到達狹縫。這延長了透平葉片的使用壽命。
但是業已表明，沿著熱氣體的流動方向看，在狹縫後面，即在葉片葉型的中間區域中也可能產生裂縫。這裡所產生的裂縫隨後沿著後緣方向擴散。如果這種裂縫的長度大於最大允許極限裂縫長度，那麼不再能確保裝有它的燃氣輪機可靠地運行，因此一定得更換透平葉片。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種具有更長使用壽命的透平葉片。
上述技術問題通過一種本文開頭所述類型的透平葉片得以實現，在該透平葉片中，狹縫在葉型壁的熱氣體側上與由支撐肋和葉型壁所形成的連接區域相對。
本發明是基於下述認識，即，支承面葉型的材料基於在外面沿著流動的熱燃氣而被加熱。但是，在壓力側葉型壁和吸入側葉型壁之間在內部延伸的支撐肋比被加熱過的葉型壁材料更冷。但是，由於支撐肋成一體地過渡到壓力側或者吸入側的葉型壁上，因此局部熱能通過位於內部的連接區域從各葉型壁傳導到支撐肋中並且被排出，因此在葉型壁內的支撐肋的開口區域中，沿著在葉型高度上延伸的連接區域出現材料溫度降低。沿著相對於葉片軸線而言的橫向，葉型壁在較寬的區域中較熱。因此，在材料中產生了熱應力，該熱應力可能產生裂縫並且使裂縫增大。
為了減小在葉型壁材料中由受熱而產生的應力和焊接所產生的應力，本發明建議，在葉型壁的熱燃氣側上的狹縫位置與由支撐肋和葉型壁構成的連接區域相對。狹縫卸去材料所受的熱負荷，其原因是，狹縫可以使葉型壁產生局部更大的由受熱引起的膨脹。因此，卸載狹縫致使在葉型壁中由受熱引起的應力減小，從而延伸了使用壽命。那麼，在支承面葉型中繼續產生的熱應力以這樣的數量級形成，即，該數量級不會有損材料。在這種情況下，很少產生裂縫和/或使裂縫增大，由此使透平葉片的使用壽命延長。此外，狹縫起到裂縫阻止器或者裂縫限制器的作用，因此可以使透平葉片的使用壽命延長。一臺裝有這種使用壽命長的透平葉片的燃氣輪機具有更長的運行時間和更短的停機時間，因為透平葉片極少需要檢查裂縫以及極少需要更換。就這方面而言，通過本發明也可以降低燃氣輪機的維修費用並且進一步提高其經濟性。
優選的是，狹縫沿著葉片軸線延伸並且至少具有葉型高度的10％的長度，優選具有葉型高度的至少20％的長度。這種措施尤其延長了燃氣輪機的使用壽命，因為設置在透平葉片內部中的支撐肋也沿著葉片軸線延伸，並且壓力側葉型壁在各自的連接區域中與吸入側葉型壁相連。
由於通過相對較冷的支撐肋產生了局部的溫度降以及裾此尤其在位於平臺和支承面葉型之間的倒圓過渡區域中局部地提高了熱應力，因此狹縫也可以延伸到該過渡區域中。因此，可以有利地防止過渡區域產生裂縫。此外，因此在過渡區域中可以推遲或者限制裂縫增大。在熱燃氣繞流的外表面上設置的狹縫相宜地通過過渡區域還一直延伸到平臺中。
如果狹縫具有一個從葉型壁的熱燃氣側上表面一直延伸到連接區域中和/或支撐肋中的伸入深度，那麼可以特別有效地降低局部出現的冷卻滲透、亦即降低通過更冷的支撐肋局部調整的散熱，因此與現有技術相比，位於連接區域和對著它的外部上表面之間的葉型壁的材料更熱。其結果是，沿著環流方向在葉型壁中調節相對減小(vergleichmBigte)的溫度分布，並且因此調節減小的溫度梯度。由此使熱應力減小，這導致透平葉片使用壽命的延長。
在本發明的另一項有利的設計中，狹縫填滿了填充材料，從而避免由於邊緣而可能在熱燃氣中產生的空氣動力損失。在此，填充材料比葉型壁的材料更軟。在這種情況下，通過軟的填充材料可以特別好地補償所產生的、由受熱而導致的葉型壁膨脹。
參照附圖來描述本發明。附圖中圖1以縱向部分剖視圖表示燃氣輪機；圖2示出了根據本發明的透平葉片的透視圖；以及圖3表示沿著圖2中的透平葉片的剖面線III所截取示出的橫截面視圖。
具體實施例方式
圖1以縱向部分剖視圖示出了燃氣輪機1。該燃氣輪機在內部具有一個圍繞著旋轉軸線2可旋轉地支撐的轉子3，該轉子3也稱為透平轉子。沿著轉子3，相繼地依次是吸入殼體4、壓縮機5、具有許多相互旋轉對稱地布置的燃燒器7的環形燃燒室6、透平單元8和出氣殼體9。環形燃燒室6構成一個燃燒腔室17，該燃燒腔室17與環形熱燃氣通道18相連通。在這裡，四個依次連通的透平級10構成透平單元8。每個透平級10由兩個葉片圈構成。沿著在環形燃燒室6內所產生的熱燃氣11的流動方向看去，在熱燃氣通道18內，每個導向葉片組12之後分別是一個由工作葉片15所構成的工作葉片組14。導向葉片12固定在定子上，而工作葉片組14的工作葉片15藉助透平輪盤固定在轉子3上。(未示出的)發電機或者工作機器連接在轉子3上。
圖2以透視圖示出了根據本發明的透平葉片30。透平葉片30具有平臺32，在該平臺的上表面34上設置一個熱燃氣11可以環流的支承面葉型36。該支承面葉型36從前緣38延伸到後緣40。而且，該支承面葉型36具有一個在前緣38與後緣40之間延伸的、位於吸入側的葉型壁42和一個也在它們之間延伸的、位於壓力側的葉型壁44。
在透平葉片30中，例如設有三個空心腔46，這些空心腔通過兩個支撐肋48相互分隔開。支撐肋48將吸入側葉型壁42與壓力側葉型壁44連接並且用來提高支承面葉型36的剛性。
透平葉片30通常通過鑄造方法製造。在鑄造裝置中，使用了三個鑄芯，在製成透平葉片30之後，從鑄造裝置中取出這些鑄芯。在這種情況下，形成了空心腔46，支撐肋48布置在這些空心腔46之間。在所鑄造出的透平葉片30中，支撐肋48在連接區域50中成一體地過渡到吸入側和/或壓力側的葉型壁42、44中，並且與它們連接成一體，這產生了特別好的葉型壁42、44與支撐肋的熱耦合連接。
在燃氣透平1中使用透平葉片30時，熱然氣11所環流的支承面葉型36充分地被加熱。因此，在由現有技術已知的透平葉片中，在支承面葉型36的材料中沿著熱燃氣11的流動方向、即從前緣38到後緣40的方向迄今為止都存在溫度變化過程，這種溫度變化過程在每個支撐肋48的區域中具有局部的最小溫度。由較冷的支撐肋48所引起的不均勻地對支承面葉型36的加熱，在葉型壁42、44的上表面區域中產生了這樣大的、由加熱引起的應力，以致在這裡可能產生裂縫，並且使裂縫增大。這縮短了公知的透平葉片的使用壽命。
為了確保在葉型壁42、44中從前緣38到後緣40均勻的溫度變化，因此根據本發明，在葉型壁42、44中熱燃氣側設置的狹縫56現在被布置在葉型壁42、44的與連接區域50以及進而也與支撐肋48相對置的區段上。狹縫56提高了在其區域內所產生的最小局部溫度，因為連接區域50的導熱性由於橫截面的減小而降低。相應地，沿著葉型壁42、44的溫度梯度從前緣38到後緣40減小，這在具有狹縫50的截面中引起應力減小。那麼，熱應力處於安全的水平上，支承面葉型36的材料因此更長時間地承受所產生的負荷。
狹縫56具有最小長度L，該最小長度L至少等於支承面葉型36的高度H的10％，優選至少等於支承面葉型36的高度H的20％。在平臺32的上表面34和支承面葉型36的頂部58之間確定支承面葉型36的高度H。由於尤其在支承面葉型36的平臺鄰近區域中出現了局部的最小溫度，因此狹縫56可以延伸到倒圓的過渡區域60中，該過渡區域60位於平臺32和支承面葉型36之間。狹縫56的這種結構通過點劃線所示出的結構62來表示。此外，當狹縫62一直延伸到平臺32中時，可以達到特別好地防止裂紋式的損壞。
圖3示出了沿著圖2中的剖面線III截取的本發明透平葉片30的剖面。透平葉片30可以設計為尤其用於靜止燃氣輪機1的工作葉片和/或導向葉片。
在該橫截面圖中所示出的支承面葉型36表示出了前緣38、後緣40、吸入側葉型壁42、壓力側葉型壁44和兩個分隔空心腔46的支撐肋48，這兩個支撐肋48在連接區域50內分別過渡到葉型壁42、44中。在根據圖3的剖面示意圖中，所示出的狹縫56填有填充材料，因此可以使支承面葉型36具有特別好的空氣動力學技術上的表面結構。因此，在葉型壁42、44中可以避免有橫向於熱燃氣11流動方向延伸的凸起和邊稜。
狹縫56各自以一個伸入深度E伸入到葉型壁42、44中。該伸入深度可以是這樣大，即，使得狹縫56伸入到連接區域50中並且在必要時甚至直到伸入到支撐肋48中為止。由此確保，溫差沿著支承面葉型36從前緣38到後緣48特別有效地相對減小，從而進一步提高了透平葉片30的使用壽命。
當冷卻介質、例如從燃氣輪機1的壓縮機5中獲得的壓縮空氣流過空心的透平葉片30和支承面葉型36時，本發明是特別富有成效的。在這種情況下，根據規定，不僅葉型壁42、44從內部冷卻，而且支撐肋48也從內部冷卻。由於特別好的熱學技術上的耦合連接，因此通過連接區域50和支撐肋48使所不希望的局部冷卻滲透或者從葉型壁42、44的局部散熱特別有效。相應地，使沿著葉型壁42、44的溫差以及進而使內部冷卻的透平葉片30中的熱應力特別大。因此，尤其是內部冷卻的透平葉片30的使用壽命通過本發明可以有效地得到延長。
用來卸去熱負荷的狹縫56也可以只設置在葉型壁、例如吸入側葉型壁42或者壓力側葉型壁44中。此外，狹縫56、62也用作限制在鄰近葉片材料中產生的裂縫。當例如在兩個葉型壁42、44中的一個中的中間空心腔46區域內存在裂縫並且該裂縫沿著熱燃氣11流動方向延長時，它被迫擴大到最大達到兩個狹縫56中的一個。裂縫從狹縫56中延長出來是不可能的。
總之，通過本發明，提供了一種相應減小透平葉片30的支承面葉型36內的熱應力的措施，從而提高了透平葉片30的使用壽命，並且相應地提高了裝有這種葉片的燃氣輪機1的運行時間。為此，本發明建議，空心的透平葉片30在支撐肋48的區域內具有布置在熱氣燃氣側的用來卸載熱負荷的狹縫56，所述支撐肋48將吸入側葉型壁42與壓力側葉型壁44在各自的連接區域50連接。
權利要求
1.一種空心的透平葉片(30)，其具有由吸入側葉型壁(42)和壓力側葉型壁(44)構成的、可被熱燃氣(11)環流的支承面葉型(36)，該支承面葉型從平臺(32)直到葉型頂點(58)具有一個沿著葉片軸線的葉型高度(H)，至少一個設置在所述透平葉片(30)內部的支撐肋(48)，該支撐肋在各自的連接區域(50)內將壓力側葉型壁(44)與吸入側葉型壁(42)連接，以及至少一個在熱燃氣側設置在所述葉型壁(42、44)內的狹縫(56)，其特徵在於，所述狹縫(56)在熱燃氣側在所述葉型壁(42、44)內與由所述支撐肋(48)和葉型壁(42、44)構成的連接區域(50)相對置。
2.如權利要求1所述的透平葉片(30)，其特徵在於，所述狹縫(56)沿著葉片軸線延伸並且至少具有葉型高度H的10％的長度，優選具有葉型高度H的至少20％的長度。
3.如權利要求1或者2所述的透平葉片(30)，其特徵在於，在所述平臺(32)和支承面葉型(36)之間設有倒圓的過渡區域(60)，所述狹縫(56)延伸到該過渡區域中。
4.如權利要求3所述的透平葉片(30)，其特徵在於，所述狹縫(56)延伸到所述平臺(32)中。
5.如權利要求1至4中任一項所述的透平葉片(30)，其特徵在於，所述狹縫(56)具有一直延伸到所述連接區域(50)中和/或支撐肋(48)中的伸入深度(E)。
6.如權利要求1至5任一項所述的透平葉片(30)，其特徵在於，所述狹縫(56)中填有填充材料。
7.如權利要求6所述的透平葉片(30)，其特徵在於，所述填充材料比所述葉型壁(42、44)的材料更軟。
8.一種如前面權利要求中任一項所述的冷卻的透平葉片(30)。
全文摘要
本發明涉及一種空心透平葉片(30)，它具有一個由吸入側葉型壁(42)和壓力側葉型壁(44)構成的、可被熱燃氣(11)環流的支承面葉型(36)、至少一個設置在透平葉片(30)內部的支撐肋(48)以及至少一個在熱燃氣側設置在葉型壁(42、44)內沿著葉片軸線延伸的狹縫(56)，所述支承面葉型從平臺(32)直到葉型頂點(58)具有一個沿著葉片軸線的葉型高度(H)，所述支撐肋在各自的連接區域(50)內將壓力側葉型壁(44)與吸入側葉型壁(42)連接。為了使透平葉片(30)具有特別長的使用壽命，建議，狹縫(56、62)在熱燃氣側，在葉型壁(42、44)內與由支撐肋(48)和葉型壁(42、44)構成的連接區域(50)相對置。
文檔編號F01D5/14GK1936273SQ20061014637
公開日2007年3月28日 申請日期2006年8月25日 優先權日2005年8月26日
發明者法蒂·阿邁德, 邁克·丹克特 申請人:西門子公司