燃氣輪機的透平葉片、燃氣輪機的應用及其冷卻方法

2023-05-18 09:13:51 3

專利名稱：燃氣輪機的透平葉片、燃氣輪機的應用及其冷卻方法
技術領域：
本發明涉及一種燃氣輪機的透平葉片，以及一種帶有這種透平葉片的燃氣輪機和一種冷卻透平葉片的方法。
背景技術：
在多種領域中，燃氣輪機用於驅動發電機或工作機。在此，利用燃料的能含量來產生透平軸的旋轉運動。為此，燃料在其中供有由空氣壓縮機壓縮的空氣的多個燃燒器中進行燃燒。通過燃料的燃燒，產生高溫高壓的工作介質。這種工作介質將被導引至一個後接的透平單元中並在其中做功膨脹。
燃氣輪機的透平單元為了傳輸工作介質的衝量到透平軸上而具有多個連接在該透平軸上的可轉動的工作葉片。為此，所述工作葉片呈環狀地設置於透平軸上，並由此形成多個工作葉片環或工作葉片組。透平和壓縮機設置於一個共同的、也被稱作透平轉子的透平軸上，該透平軸也與發電機或工作機相連，並且被繞其中心軸線可轉動地支承。
通常，透平單元還包括多個固定的導向葉片，它們同樣呈環形地以構成導向葉片環或導向葉片組的方式固定在透平的內殼體或定子上。在此，工作葉片通過由流經該透平的工作介質傳遞來的衝量來驅動透平軸。相反，導向葉片用於對在每兩個沿工作介質的流動方向看彼此連續的工作葉片組或工作葉片環之間的工作介質進行導流。在此，由彼此相連續的導向葉片環或導向葉片組以及工作葉片環或工作葉片組的組成的一對也被稱作透平級。
導向葉片通常具有一個也被稱作葉根的平臺，它們作為壁元件設置於透平的內殼體上以固定各自的導向葉片，並形成用於流經該透平的工作介質的熱氣體通道的外邊界。為了有效地沿著指向與一導向葉片組相連的工作葉片組的方向對工作介質進行導流，該導向葉片組中所屬的導向葉片通常具有拱起的翼型橫斷面葉型，使得在保持摩擦損耗儘可能小的情況下在各導向葉片上形成預先設定的導流，並從而使導向葉片組或者其所屬的透平級具有儘可能高的效率。為此，導向葉片的前緣具有圓形橫截面，該圓形橫截面逐漸收縮形成所述導向葉片的以尖角收尾的後緣。工作葉片也類似地形成，其中通常將例如最大葉型厚度、前緣處的曲率半徑等的具體細節與其應用目的相匹配，即，為將工作介質的衝量特別有效地傳遞到各工作葉片上而進行優化。
在設計上述燃氣輪機時，在可達到的功率之外的設計目標通常是特別高的效率。同時，根據熱力學原理，效率的提高基本上可以通過溫度的升高來實現，其中，工作介質從燃燒室流出並流入到透平單元中。因此，對於這種燃氣輪機，力求並且也實現了約1200℃至1500℃的溫度。
不過，在工作介質的這種高溫下，承受這種工作介質的部件和構件承受較高的熱應力。所以，為了以高可靠性確保有關部件的較長使用壽命，通常需要對有關部件、尤其是透平葉片進行冷卻。為了防止材料產生對部件使用壽命造成限制的熱應力，通常力求對部件實現儘可能均勻的冷卻。在此，通常採用冷卻空氣作為冷卻介質，將待冷卻構件的熱量傳遞給這些冷卻空氣。在此，在所謂的衝擊式冷卻(Prallkühlung)的情況下可以基本垂直於待冷卻表面地導引冷卻空氣，或者，在所謂的薄膜式冷卻(Filmkühlung)的情況下可以沿著待冷卻表面、即基本與待冷卻表面相切地導引冷卻空氣。此外，為了對透平部件進行對流冷卻，可以在其中設置一體的冷卻空氣通道。最後，不同的冷卻方式也可以相互組合。
為對承受特別高熱應力的透平葉片(尤其是導向葉片)進行冷卻，通常在其內部導引冷卻空氣，使得各透平葉片的壁從內向外地受到冷卻。所述冷卻空氣的至少一部分通過排氣口沿工作介質的流動方向從葉片內部自透平葉片後緣向後吹出。為了按空氣動力學有利地構造後緣或者為了以從其中吹出的冷卻空氣對較為細長的後緣進行有效冷卻，在保持葉片吸力面側在空氣動力學方面特別有利的輪廓的條件下，向回切去原來在後緣區域內與吸力面側葉片壁呈錐形地聚攏的壓力面側葉片壁到這樣的程度，即，使得吸力面側葉片壁超出壓力面側葉片壁末端邊緣的區段形成一個具有較小厚度的所謂後緣拖尾(Hinterkantenfahne)。這種後緣結構也被稱作「回切後緣(Cut-Back-Hinterkante)」。視製造商的不同而定，也還有其它的稱謂，例如「壓力側面剪裁(Pressure Side Bleed)」。後緣拖尾利用薄膜冷卻由從壓力面側葉片壁末端邊緣和吸力面側葉片壁後緣之間的間隙流出的冷卻空氣冷卻。後緣拖尾的自由區段由被稱作「槽脊(Land)」的加強區段或隔板斷開，在此加強區段或隔板處，壓力面側葉片壁為了實現透平葉片在後緣區域內的穩定而分別一直延伸至後緣末端，因此後緣在該處保持較為實心的結構。
在此的問題在於，儘管進行了所述的冷卻，但在這一區域還是可能出現由結構形式決定的過熱。尤其是，由該過熱所導致形成的裂紋對有關透平葉片的使用壽命造成限制。因為在對消除這種磨損損害所必需的維護工作中，必須拆卸燃氣輪機或者各透平單元的絕大部分零件，並隨後再將它們組裝起來，因此，在購置和安裝替換零件的費用之外還造成較長的停機時間。儘管可以通過增加冷卻空氣的使用來抵抗透平葉片的腐蝕、尤其是在其各自的後緣區域內的腐蝕，但是這降低了燃氣輪機的總體效率。

發明內容
本發明所要解決的技術問題在於，提供一種燃氣輪機透平葉片，該透平葉片在較低冷卻空氣需求的條件下具有特別高的使用壽命。本發明所要解決的另一個技術問題在於這種透平葉片的應用。此外，還提供了一種透平葉片的冷卻方法。
本發明有關透平葉片所要解決的技術問題優選由在後緣的壓力面側的表面具有多個槽形凹坑的透平葉片解決。
在此，本發明出於如下考慮沿壓力面側流動的工作介質或熱氣體與從葉片內部流出的冷卻空氣在後緣的區域內相混合，使得由於其細長結構形狀而尤其敏感的後緣拖尾承受冷卻能力相應較低的較暖冷卻空氣。後緣末端由此可能出現過熱，這種過熱可能導致裂紋的形成，並由此導致各透平葉片使用壽命的降低。此外，本發明還出於以下考慮從實現燃氣輪機高效率的利益角度出發，應當放棄增加採用冷卻空氣。取而代之，應當這樣設計對後緣區域進行冷卻的裝置，即，儘可能地充分利用在與熱工作介質相混合之後所存在的冷卻空氣的剩餘冷卻能力。為此應提高從後緣或後緣拖尾向沿其流動的熱燃氣/冷卻空氣混合物的熱傳遞。
在此，應在後緣拖尾上這樣地設計適當的元件，使得一方面對切向地沿後緣拖尾流動的熱燃氣/冷卻空氣混合物形成流動影響或使之形成渦流，這起到提高的熱傳遞作用。不過，另一方面又要這樣設計所述流動影響，即，使得待冷卻表面上的冷卻薄膜不發生斷裂或由該待冷卻表面偏轉出。為此，設置若干槽形凹坑、即所謂的「酒窩(Dimples)」，這些凹坑提高了沿後緣拖尾流過的冷卻薄膜的湍流，不過卻不會導致其偏離後緣表面。在此，提高了可排出的熱量，而避免了不希望的壓力損失。在此，這樣設計這些凹坑，使得它們分別具有一個僅在後緣拖尾的壓力面側的表面內環繞的(umlaufende)邊界邊緣。
多個嵌在後緣拖尾內的凹坑優選分別具有橢圓形、尤其是圓形的邊界邊緣。在一種特別適合的實施方式中，僅導致流阻相對於平滑的後緣拖尾特別微小地提高，通過使各凹坑具有截球體結構而實現這種邊界。
作為所述凹坑對於沿後緣流動的工作介質/冷卻空氣混合物的速度及流量以及對於透平葉片尺寸的適當匹配，在凹坑具有圓形邊界的情況下，其半徑優選為後緣拖尾寬度的約1/10至1/4。截球體的(最大)深度優選對應於相應球半徑的約1/3。具有略微非圓形邊界(例如具有較小偏心率的橢圓形邊界)的凹坑優選在其深度和其平面範圍方面與具有圓形邊界或具有截球體形結構的凹坑有相近的設計尺寸。
為對沿(所述表面)流動的工作介質/冷卻空氣混合物造成尤其均勻的影響，優選將所述凹坑規則地分布在後緣拖尾壓力面側的表面上，其中在截球體形狀的結構下，每兩個相鄰凹坑的邊界之間的距離優選為球直徑的一至一點五倍。
根據本發明，上述的其後緣具有若干槽形凹坑的透平葉片可應用在一種優選固定的燃氣輪機中，以便解決提供一種所述透平葉片的應用的技術問題。透平葉片尤其可以是導向葉片。優選在多個導向葉片組中分別匯集了多個這種導向葉片。相應情形在工作葉片的條件下亦適用。尤其可以為提高一個配備有傳統透平葉片的燃氣輪機的效率而用這種針對後緣的冷卻進行了改進的透平葉片來在後改裝該燃氣輪機。
通過利用在後緣拖尾上設置的凹坑使沿後緣拖尾流動的冷卻空氣產生局部渦流而解決在方法方面所要解決的技術問題。
利用本發明實現的優點尤其在於，在帶有所謂的回切後緣的透平葉片的條件下，通過在後緣拖尾的壓力面側的表面有針對性地布設一種帶有多個較小且較平的凹坑(「酒窩」)的表面結構，類似於高爾夫球的表面，改善了對於在其一旁流過的冷卻空氣的熱傳遞。由此可以在這一特別重要的區域降低熱應力，並由此避免後緣末端的損壞和至少延緩其損壞，使得後緣末端或所述的透平葉片可以具有更高的使用壽命和/或在更高的溫度下運行。而且，因為流阻並沒有由於所述凹陷而相對於帶有平滑的後緣拖尾的透平葉片提高，並且冷卻空氣射流或工作介質由此並沒有受到壓力損失。所以透平葉片的空氣動力學特性數據保持不變，使得各透平單元的總體效率由於節約了冷卻空氣而提高。所述表面結構可以通過相應構造鑄模以較低費用在澆鑄透平葉片時直接形成。


下面藉助於附圖詳細解釋本發明的實施例。在附圖中圖1是燃氣輪機的縱截面，圖2是圖1所示燃氣輪機的透平葉片的局部剖開的側視圖，而圖3是圖2所示透平葉片的橫截面的局部截取圖。
所有圖中相同的部分具有相同的附圖標記。
具體實施例方式
圖1所示的燃氣輪機1具有用於燃燒用空氣的壓縮機2、燃燒室4以及用來驅動壓縮機2和未示出的發電機或工作機的透平6。為此，透平6和壓縮機2設置於一根共同的、也被稱作透平轉子的透平軸8上，發電機或工作機也與該透平軸相連，並且該透平軸被以可圍繞其中心軸線9轉動的方式支承。
設計為環形燃燒室形式的燃燒室4安裝有用於燃燒液態或氣態燃料的多個燃燒器10。該燃燒室還在其內壁上設置有未詳細示出的熱屏蔽元件。
透平6具有多個與透平軸8相連、可轉動的工作葉片12。工作葉片12在透平軸8上呈環狀地設置並由此形成多個工作葉片組。透平6還包括多個固定的導向葉片14，它們同樣通過形成導向葉片組而呈環狀地固定在透平6的內部殼體16上。在此，工作葉片12通過傳遞流過透平6的工作介質M的衝量用於驅動透平軸8。導向葉片14用於對在每兩個沿工作介質M的流動方向看彼此連續的工作葉片組或工作葉片環之間的工作介質M進行導流。由一個導向葉片14環或者導向葉片組以及一個工作葉片12環或者工作葉片組組成的彼此連續的一對葉片組在此也被稱作一個透平級。
每個導向葉片14具有也被稱作平臺18的葉根，其作為壁元件設置於透平6的內壁16上，以固定各自的導向葉片14。在此，平臺18是具有較強熱應力的構件，所述構件形成用於流過透平6的工作介質M的熱氣通道的外邊界。每個工作葉片12以相似的方式通過一個被稱作葉根的平臺20固定在透平軸8上。
為實現較高的效率，燃氣輪機1針對從燃燒室4排出的工作介質M有約為1200℃至1500℃的較高出口溫度來設計。在此，為了保證燃氣輪機1具有較高使用壽命或運行壽命，以可冷卻的方式構造其主要部件、尤其是透平葉片15(即導向葉片14和/或工作葉片12)。
為對透平葉片15、特別是導向葉片14進行冷卻，採用冷卻空氣K，該冷卻空氣被導引到透平葉片15內部，以便尤其是從內向外地冷卻外壁。這些冷卻空氣K的一部分從透平葉片15的設置於端側的排氣口吹出，以便冷卻帶有後緣22的尤其熱敏感的後緣區域21。
因此，在圖2和圖3中，為詳細描述後緣區域22內的透平葉片15的冷卻系統而示出了一個透平葉片15，其中圖2示出了透平葉片15的一個局部剖開的側視圖，而圖3則示出了葉片葉型的橫截面。由附圖可知，透平葉片15在兩側被工作介質M沿後緣方向22繞流，其中葉片葉型相對於工作介質M以壓力面側葉片壁24以及壓力下遊側或吸力面側葉片壁26為邊界。為了在高的空氣動力學效率下也取得適合於冷卻的後緣區域21結構，透平葉片15具有一個所謂的回切後緣，其中壓力面側葉片壁24從後緣22這樣向回錯移，即，使得吸力面側葉片壁26構成超過壓力面側葉片壁24的末端邊緣27突伸出的後緣拖尾28。帶有露出的、兩側遭受工作介質M的後緣拖尾28的這些區段僅被起穩定作用的肋板元件30斷開，其中，後緣區域21在這些所謂的「槽脊」區段中由延長至後緣22的壓力面側葉片壁24共同形成。不過，也可以考慮帶有縮短的或不漸縮成尖端的「槽脊」區段的變型方案。
在這種回切後緣中，後緣拖尾28以及背離壓力面側的或吸力面側的葉片壁26利用一個由來自透平葉片15內部空間的冷卻空氣K形成的冷卻薄膜來冷卻。在此，冷卻空氣K在後緣拖尾28的區域內與壓力面側流入的工作介質M相混合，使得沿背離壓力側的葉片壁26的內側流動的冷卻薄膜的溫度在後緣拖尾28的區域內連續地升高。
為了避免由此使透平葉片15的後緣拖尾28發生可能導致裂紋的過熱，後緣拖尾28專門針對為了向通過與熱工作介質M相接觸已被預先加熱的冷卻空氣K特別有效地傳熱而設計。為此，後緣拖尾28的壓力面側設有多個槽形凹坑32。它們使得冷卻空氣層內部形成渦流，同時又不會導致該冷卻空氣層流脫離後緣拖尾或被該後緣拖尾排擠出，從而提高了後緣拖尾28向冷卻薄膜的傳熱。因此，在保持壓力損失較小的情況下提高了冷卻作用。
這樣設計所述多個凹坑32，即，使得它們各自環繞的邊界邊緣34僅設置於後緣拖尾28的壓力面側的表面內。在本實施例中，凹坑32分別具有截球體結構。在此，它們具有半徑為後緣拖尾28的寬度x的約1/10的圓形邊界邊緣34。截球體的深度對應於球半徑的約1/3。因此，保證了對於空氣流的良好影響性，同時至多不明顯地降低了後緣拖尾28的機械穩定性。所述多個凹坑32排列形成一規則的圖案，使得所述的冷卻效應在後緣拖尾28的整個壓力面側的表面上(除了原本就針對要承受較高熱應力來設計的由肋板元件30斷開的區段)均勻地起作用。為了實現特別均勻的冷卻效應，還要對即使已由所述圖案預先給定、但由於後緣拖尾28末端缺乏位置而不再與餘下的剩餘表面完全匹配的凹坑32進行補加。
權利要求
1.一種燃氣輪機(1)的透平葉片(15)，其具有吸力面側葉片壁(26)以及在後緣區域內向該吸力面側葉片壁靠攏的壓力面側葉片壁(24)，其中，吸力面側葉片壁(26)包括一個至少在後緣區域(21)的部分區段中超過壓力面側葉片壁(24)的末端邊緣(27)突伸出的後緣拖尾(28)，並且，該後緣拖尾(28)的壓力面側的表面具有多個槽形凹坑(32)，其特徵在於，所述多個槽形凹坑(32)分別具有一個僅在後緣拖尾(28)的壓力面側的表面內環繞的邊界邊緣(34)。
2.根據權利要求1所述的透平葉片(15)，其中，所述多個凹坑(32)分別具有一個橢圓形、尤其是圓形的邊界邊緣(34)。
3.根據權利要求2所述的透平葉片(15)，其中，所述多個凹坑(32)分別具有一個截球體結構。
4.根據權利要求3所述的透平葉片(15)，其中，由所述邊界邊緣(34)形成的圓形的半徑分別是後緣拖尾(28)的寬度(x)的1/10至1/4。
5.根據權利要求3或4所述的透平葉片(15)，其中，所述截球體的深度分別為球半徑的約1/3。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的透平葉片(15)，其中，所述多個凹坑(32)規則地分布。
7.根據權利要求3至5中任何一項所述的透平葉片(15)，其帶有規則分布的分別具有相同尺寸的多個凹坑(32)，其中，每兩個相鄰凹坑(32)的邊界邊緣(34)之間的距離是球直徑的一倍至一倍半。
8.一種用於冷卻根據權利要求1至7中任一項所述的透平葉片(15)的方法，其中，沿著後緣拖尾(28)流動的冷卻空氣(K)被設置在後緣拖尾(28)上的凹坑(32)引起局部渦流。
9.一種根據權利要求1至7中任一項所述的透平葉片(15)在燃氣輪機中的應用。
全文摘要
一種燃氣輪機(1)的透平葉片(15)，其具有吸力面側葉片壁(26)以及在後緣區域內向該吸力面側葉片壁延伸的壓力面側葉片壁(24)，其中吸力面側葉片壁(26)包括一個至少在後緣區域(21)的部分區段中突出到壓力面側葉片壁(24)的末端邊緣(27)之外的後緣拖尾(28)，該葉片會在低的冷卻空氣需求下具有尤其高的壽命。此外，根據本發明，該後緣拖尾(28)的壓力面側的表面具有多個槽形凹坑(32)，它們通過冷卻空氣(K)的局部渦流增大該後緣拖尾(28)的熱傳遞。
文檔編號F01D5/18GK101057061SQ200580038972
公開日2007年10月17日 申請日期2005年11月7日 優先權日2004年11月23日
發明者史蒂芬·鮑多夫, 麥可·漢德勒, 克裡斯琴·勒納 申請人:西門子公司