專利名稱：圍帶件得到有效冷卻的渦輪葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)，本發(fā)明特別涉及一種空氣冷卻渦輪葉片。
這種空氣冷卻渦輪葉片例如見US-A-5,482,435或US-A-5,785,496。
現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)的工作溫度極高。因此需要對現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)中使用的渦輪葉片進(jìn)行充分冷卻。此時，一般特別難于有效冷卻葉片的露出部位。這些部位之一是葉片的圍帶或圍帶件。冷卻圍帶件的一種方法見上面提到的US-A-5,785,496。該專利提出(見該專利的

圖1A和1B)，用若干從(中部)運(yùn)動葉片經(jīng)圍帶件伸展到圍帶件外邊緣后通向外部空間的平行冷卻孔冷卻圍帶件。在US-A-5,482,435中，只有方向相反的兩個冷卻孔冷卻圍帶件。
但是，這些現(xiàn)有方法的缺點(diǎn)是現(xiàn)有冷卻孔在圍帶件內(nèi)部所占據(jù)的空間較小。由于為在圍帶件中鉆孔，圍帶件須保持一定厚度，而在這些孔的外部部位也得保持圍帶件的這一厚度或更大厚度，因此流體流過的圍帶體積與流體不流過的圍帶體積之比減小。其結(jié)果是，圍帶件得不到最佳冷卻，由于圍帶件固體材料所占比例大，因此較重，從而運(yùn)行中因向心力而受到很大機(jī)械負(fù)載。
為解決這一問題，例如在GB-A-2,290,833中提出，全部取消圍帶件內(nèi)部的冷卻孔，而是使冷卻空氣如薄膜冷卻那樣從一分布通道經(jīng)若干小孔流出到圍帶件的頂面上，以此減小圍帶件的厚度和重量。但是，此時的一個問題是，圍帶件的這一表面薄膜冷卻方法的有效性極大地依賴于圍帶件頂面上的流體條件，因此很難在各種運(yùn)行狀態(tài)下都獲得最佳冷卻。
因此本發(fā)明的目的是提供一種具有一空氣冷卻圍帶件的渦輪葉片，在該渦輪葉片中，可簡單地克服上述缺點(diǎn)，其特點(diǎn)是，在大大減輕圍帶件的重量的同時有效冷卻圍帶件。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種空氣冷卻渦輪葉片，其葉頂上有一圍帶件，該圍帶件橫向伸展在葉片的縱向軸線上，圍帶件的內(nèi)部有用來冷卻的空心空間，這些空心空間在進(jìn)口端與經(jīng)渦輪葉片通向葉頂?shù)闹辽僖粋€冷卻空氣通道連接，并在出口端開放而通入渦輪葉片周圍的外部空間，其中，空心空間與圍帶件的形狀和尺寸互相匹配，從而減輕圍帶件的重量。本發(fā)明的要點(diǎn)在于，把在圍帶件內(nèi)部攜帶冷卻流體的空心空間的形狀和尺寸設(shè)計成與圍帶件匹配，從而提高供冷卻流體流動的體積在圍帶件總體積中所占的比例。這樣，可在有效冷卻的同時大大減輕圍帶件的重量。
本發(fā)明渦輪葉片第一優(yōu)選實施例的特征在于，該空心空間包括冷卻孔；冷卻孔呈隧道形，圍帶件在冷卻孔外部的厚度減??；冷卻孔從內(nèi)到外與葉頂運(yùn)動方向平行地伸展，向上通向圍帶件外邊緣上游的外部空間。冷卻孔的隧道形設(shè)計不僅減小了圍帶件固體材料所占比例，同時提高了圍帶件的機(jī)械剛性。即使一渦輪的所有葉片的圍帶件依次排列在一直線上形成一環(huán)狀圍帶，冷卻空氣也可在葉頂處順暢排出。
為此，圍帶件的頂面上最好有凹槽，冷卻孔沿橫向通入凹槽中。此外，每一冷卻孔中最好有一限制冷卻空氣質(zhì)量流的節(jié)流口，各節(jié)流口位于冷卻孔的進(jìn)口端。某些冷卻孔也可設(shè)計成擴(kuò)散器。
本發(fā)明第二優(yōu)選實施例的特征在于，空心空間設(shè)計成伸展在圍帶件寬度上的縫；這些縫從內(nèi)到外與葉頂運(yùn)動方向平行地伸展，向上通向圍帶件外邊緣上游的外部空間；圍帶件的頂面上有凹槽；這些縫沿橫向通入這些凹槽。這些寬縫提高冷卻效果，同時大大減少圍帶件的材料。此時，這些縫中最好也有限制冷卻空氣質(zhì)量流的節(jié)流口，節(jié)流口位于縫的進(jìn)口和/或出口端。
如在該實施例的一優(yōu)選變種中在這些縫中使用提高冷卻空氣與圍帶件之間熱傳導(dǎo)的部件，則該冷卻特別有效。特別是，可把分布在這些縫中的銷釘用作提高熱傳導(dǎo)的部件，在這些銷釘周圍形成冷卻流體渦流，因此這些銷釘進(jìn)一步提高冷卻流體與圍帶件材料之間的熱傳導(dǎo)。
本發(fā)明渦輪葉片的第三優(yōu)選實施例的特征在于，該空心空間包括伸展在葉頂運(yùn)動方向上的冷卻孔；許多橫向孔與這些冷卻孔交叉；這些橫向孔用封閉端與外部空間隔絕。這些交叉的冷卻孔在幾何構(gòu)型上與其中分布有銷釘?shù)目p相當(dāng)。因此熱傳導(dǎo)大大提高，圍帶件的固體材料、從而重量大大減少。這些交叉的冷卻孔在圍帶件中很容易用現(xiàn)有方法加工。如用所謂的STEM鉆孔工藝制作這些冷卻孔和橫向孔，這些冷卻孔就可特別有利于冷卻。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明各實施例，附圖中圖1為本發(fā)明渦輪葉片第一優(yōu)選實施例的平面圖，該圍帶件中有隧道形冷卻孔(用虛線表示)；圖2為燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部圖1渦輪葉片的頂部與相對殼體壁的側(cè)視圖；圖3與圖1類同，但示出具有寬縫和均布在該縫中的銷釘?shù)谋景l(fā)明第二優(yōu)選實施例；圖4與圖2類同，示出圖3葉片的側(cè)視圖；圖5與圖1類同，但示出具有交叉冷卻孔和橫向孔的本發(fā)明第三優(yōu)選實施例；圖6與圖2類同，示出圖5葉片的側(cè)視圖。
圖1為本發(fā)明渦輪葉片第一優(yōu)選實施例的平面圖。渦輪葉片10包括實際葉型23(垂直于圖面伸展)和一圍帶件11，該圍帶件在葉頂上位于葉型23側(cè)部，與其他葉片(未示出)的圍帶件一起形成一連續(xù)、環(huán)狀、機(jī)械穩(wěn)定的圍帶。葉型23內(nèi)部的一部分為空心，其中有一個或多個冷卻空氣通道18(圖1中用虛線表示)把冷卻空氣從葉根向上輸送到葉頂(例如見US-A-5,482,435的圖2)。圍帶件11的頂面(圖2中22)上有兩根與葉頂運(yùn)動方向平行伸展的凸肋12和13，這些凸肋與燃?xì)廨啓C(jī)的相對殼體壁20一起形成一經(jīng)間隙與周圍連通的空腔21(圖2)。
在圍帶件11的內(nèi)部，在凸肋12、13之間有多個從中部與凸肋平行伸展的冷卻孔16、16’和17、17’(圖1和2中用虛線表示)。這些冷卻孔的構(gòu)型可相同，也可不同。在圖1實施例中，冷卻孔16、17的孔徑不變，而冷卻孔16’、17’設(shè)計成橫截面在流體方向上變寬的擴(kuò)散器。
冷卻孔16、16’和17、17’的進(jìn)口與冷卻空氣通道18連接，冷卻空氣(或其他冷卻流體)從該通道流入這些冷卻孔。如圖1所示，冷卻孔16、17不一直伸展到圍帶件11的側(cè)端或邊緣，而是分別通入形成在圍帶件11的頂面上的細(xì)長凹槽14或15中。從而即使(相鄰的)兩圍帶件機(jī)械接觸也能確保冷卻空氣總是在冷卻孔中流動。當(dāng)然，凹槽14、15也可不連續(xù)，而是冷卻孔16、16’和17、17’各自與其獨(dú)立凹槽連接。此外，需要時冷卻孔16、16’和17、17’的伸展方向也可不互相平行，而是稍稍成一角度，以在圍帶件11的整個面積上獲得最佳冷卻效果。
此外， 向葉頂流動的冷卻空氣對圍帶中的空腔(圖2)“充氣”。這造成圍帶件11與殼體壁20之間的間隙中的壓力提高，從而有助于防止高熱氣體24的質(zhì)量流的滲入。此外，該區(qū)域中的混合溫度也降低，從而圍帶件11頂面22中的熱負(fù)載也減小。此外，最好每一冷卻孔16、16’和17、17’在進(jìn)口端即在葉型23的冷卻空氣供應(yīng)部位中有一節(jié)流口19。這可特別限制冷卻空氣質(zhì)量流，從而大大提高冷卻效果。
但是，在圖1和2實施例中，按照本發(fā)明減輕圍帶件11的重量的一個決定性因素是冷卻孔16、16’和17、17’設(shè)計成隧道形。如圖2側(cè)視圖所示，這意味著，圍帶件11在冷卻孔16、16’和17、17’外部的厚度減小。因此圍帶件的材料、從而重量大大減少。同時，所要冷卻的材料量減少。最后，隧道形冷卻孔16、16’和17、17’在圍帶件頂面上形成肋狀突起，這些肋狀突起大大提高了圍帶件11的機(jī)械剛性。
圖3和4實施例示出減輕重量的另一種形式。在該實施例中，用在圍帶件11內(nèi)部，從中部冷卻通道18向上伸展到側(cè)部凹槽14和15后通向外部的寬縫25或26取代葉型兩邊的許多冷卻孔。由于其寬度連續(xù)，因此縫25、26使得重量大大減輕，確保在整個寬度上均勻冷卻。這里，每一縫中也有限制冷卻空氣質(zhì)量流的節(jié)流口19和19’節(jié)流口可位于縫25、26的進(jìn)口端(節(jié)流口19)和/或出口端(節(jié)流口19’)。如用均勻分布在縫中的銷釘27(陣列)提高熱傳導(dǎo)，則可進(jìn)一步提高縫25、26的冷卻效果。銷釘27增強(qiáng)了冷卻氣流的漩渦運(yùn)動，增加了熱傳導(dǎo)面積。此外，如它們在縫中從一壁伸展到另一壁，葉片的機(jī)械穩(wěn)定性得到加強(qiáng)。為了使冷卻效果最佳，陣列中的銷釘?shù)臄?shù)量和布置可改變。
圖5和6示出本發(fā)明范圍內(nèi)的又一種重量減輕。這里，在圍帶件11中生成由平行冷卻孔16、17(鉆孔軸線29)和與冷卻孔16、17交叉的橫向孔28(鉆孔軸線30)構(gòu)成的一矩陣，其重量減輕和冷卻效果與圖3和4裝有銷釘?shù)目p相當(dāng)。冷卻孔16、17和橫向孔28-以及圖1和2中的冷卻孔-最好用詳情見US-A-5,306,401的所謂的STEM鉆孔工藝制作。因此，可(通過改變進(jìn)刀量)在冷卻孔16、17和橫向孔28內(nèi)生成起伏、例如提高渦流的起伏或凸肋。由于冷卻孔的形狀最佳，因此冷卻效果大大提高。冷卻孔16、17和橫向孔28用鉆孔后封閉的端部31和32與外部隔絕。這里，冷卻孔16、17最好也有節(jié)流口19并通向在頂面上開口的側(cè)部凹槽14、15。
權(quán)利要求
1.一種空氣冷卻渦輪葉片(10)，其葉頂上有一圍帶件(11)，該圍帶件(11)橫向伸展在葉片的縱向軸線上，圍帶件(11)的內(nèi)部有用來冷卻的空心空間(16、16’、17、17’；25、26；28)，這些空心空間(16、16’、17、17’；25、26；28)在進(jìn)口端與經(jīng)渦輪葉片(10)通向葉頂?shù)闹辽僖粋€冷卻空氣通道(18)連接，并在出口端開放而通入渦輪葉片(10)周圍的外部空間，其特征在于，空心空間(16、16’、17、17’；25、26；28)與圍帶件(11)的形狀和尺寸互相匹配，從而減輕圍帶件(11)的重量。
2.按權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其特征在于，空心空間包括冷卻孔(16、16’；17、17’)；冷卻孔(16、16’；17、17’)呈隧道形；在冷卻孔(16、16’；17、17’)外部的圍帶件(11)的厚度被減小。
3.按權(quán)利要求2所述的渦輪葉片，其特征在于，冷卻孔(16、16’；17、17’)向圍帶件(11)的頂面(22)開放而通入外部空間。
4.按權(quán)利要求2所述的渦輪葉片，其特征在于，冷卻孔(16、16’；17、17’)從內(nèi)到外與葉頂運(yùn)動方向平行地伸展，向上開放而通入圍帶件(11)外邊緣上游的外部空間。
5.按權(quán)利要求2-4中任一權(quán)利要求所述的渦輪葉片，其特征在于，圍帶件(11)的頂面上有凹槽(14、15)；冷卻孔(16、16’；17、17’)沿橫向通入凹槽(14、15)。
6.按權(quán)利要求2-5中任一權(quán)利要求所述的渦輪葉片，其特征在于，每一冷卻孔(16、16’；17、17’)中有限制冷卻空氣質(zhì)量流的節(jié)流口(19)；每一節(jié)流口(19)均位于冷卻孔(16、16’；17、17’)的進(jìn)口端。
7.按權(quán)利要求2-6中任一權(quán)利要求所述的渦輪葉片，其特征在于，至少某些冷卻孔(16’、17’)設(shè)計成擴(kuò)散器。
8.按權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其特征在于，空心空間設(shè)計成伸展在圍帶件(11)整個寬度上的縫(25、26)。
9.按權(quán)利要求8所述的渦輪葉片，其特征在于，縫(25、26)向圍帶件(11)的頂面(22)開放而通入外部空間。
10.按權(quán)利要求8所述的渦輪葉片，其特征在于，縫(25、26)從內(nèi)到外與葉頂運(yùn)動方向平行地伸展，向上開放而通入圍帶件(11)外邊緣上游的外部空間。
11.按權(quán)利要求8-10中任一權(quán)利要求所述的渦輪葉片，其特征在于，圍帶件(11)的頂面上有凹槽(14、15)；縫(25、26)沿橫向通入凹槽(14、15)。
12.按權(quán)利要求8-11中任一權(quán)利要求所述的渦輪葉片，其特征在于，每一縫(25、26)中有限制冷卻空氣質(zhì)量流的節(jié)流口(19、19’)；所述節(jié)流口(19、19’)位于縫(25、26)的進(jìn)口端和/或出口端。
13.按權(quán)利要求8-12中任一權(quán)利要求所述的渦輪葉片，其特征在于，縫(25、26)中有提高冷卻空氣與圍帶件(11)之間的熱傳導(dǎo)的部件(27)。
14.按權(quán)利要求13所述的渦輪葉片，其特征在于，縫(25、26)包括一個銷釘(27)分布結(jié)構(gòu)作為提高熱傳導(dǎo)的部件。
15.按權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其特征在于，空心空間包括伸展在葉頂運(yùn)動方向上的冷卻孔(16、17)；許多橫向孔(28)與冷卻孔(16、17)交叉。
16.按權(quán)利要求15所述的渦輪葉片，其特征在于，橫向孔(28)用封閉端(31、32)與外部空間隔絕。
17.按權(quán)利要求15或16所述的渦輪葉片，其特征在于，冷卻孔(16、17)向上開放而通入圍帶件(11)外邊緣上游的外部空間中。
18.按權(quán)利要求15-17中任一權(quán)利要求所述的渦輪葉片，其特征在于，圍帶件(11)的頂面上有凹槽(14、15)；冷卻孔(16、17)沿橫向通入凹槽(14、15)。
19.按權(quán)利要求15-18中任一權(quán)利要求所述的渦輪葉片，其特征在于，每一冷卻孔(16、17)中有限制冷卻空氣質(zhì)量流的節(jié)流口(19)；每一節(jié)流口(19)位于冷卻孔(16、17)的進(jìn)口端。
20.按權(quán)利要求2-7和15-19中任一權(quán)利要求所述的渦輪葉片，其特征在于，冷卻孔(16、16’；17、17’)和橫向孔(28)用所謂的STEM鉆孔工藝制作。
21.按權(quán)利要求1-20中任一權(quán)利要求所述的渦輪葉片，其特征在于，圍帶件(11)的頂面上有相間距、互相平行伸展的凸肋(12、13)，這些凸肋(12、13)與燃?xì)廨啓C(jī)的相對殼體壁(20)一起形成一空腔(21)；空心空間(16、16’；17、17’)通入該空腔(21)。
全文摘要
一種空氣冷卻渦輪葉片,其葉頂上有一圍帶件,該圍帶件橫向伸展在葉片縱向軸線上,圍帶件內(nèi)部有用來冷卻的空心空間,這些空心空間在進(jìn)口端與經(jīng)渦輪葉片通向葉頂?shù)闹辽僖粋€冷卻空氣通道連接,并在出口端開放而通入渦輪葉片周圍的外部空間,其中,空心空間與圍帶件的形狀和尺寸互相匹配,從而減輕圍帶件的重量。
文檔編號F01D5/22GK1301911SQ0013707
公開日2001年7月4日 申請日期2000年12月28日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月28日
發(fā)明者易卜拉欣·埃爾－那沙爾, 哈特穆特·亨勒, 魯?shù)婪颉た死绽谞? 比特·馮·阿克斯, 伯恩哈德·魏甘德 申請人:阿爾斯通電力(瑞士)股份公司