專利名稱：透平葉片和制造透平葉片的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種透平葉片，尤其是燃氣透平葉片，它帶有一個頂部區(qū)、一個根部區(qū)和一個葉片區(qū)，并帶有一個由多個可供冷卻氣體經(jīng)流動通路進入透平葉片內(nèi)部的通道構成的內(nèi)部通道系統(tǒng)以及一個影響冷卻氣體流量的節(jié)流件，其中，在所述通道中該冷卻氣體從根部區(qū)經(jīng)葉片區(qū)行進到頂部區(qū)，然后再反轉到相反方向，所述葉片上還帶有一個設置在透平葉片流出側、用于將冷卻氣體從透平葉片導出的出口孔；本發(fā)明還涉及一種如權利要求10前序部分所述的制造一種透平葉片的方法。
為了使得一個以反應流體來驅動的透平，尤其是一種以燃氣來驅動的燃氣透平在運行時達到高效率，將該反應流體加熱到高溫。在一個帶有產(chǎn)生熱燃氣的燃燒室的燃氣透平中，緊靠著燃燒室的導向葉片和動葉片被一種冷卻氣體流過，從而它們能承受在那里局部超過制造透平葉片所使用材料臨界值的高溫。通過冷卻氣體使透平葉片上及其內(nèi)部的溫度降低，從而在這種條件下保證該透平葉片的力學穩(wěn)定性和功能。
在這種冷卻結構中，由反應流體繞流的透平葉片的外壁包圍著一個曲折形(蛇形)的通道系統(tǒng)，其反復地將冷卻流體從透平葉片的根部區(qū)導送到頂部區(qū)，再送回到根部區(qū)。該冷卻氣體進入?yún)^(qū)稱作進口邊緣區(qū)，冷卻氣體出口區(qū)稱作出口邊緣區(qū)。在葉片的出口邊緣區(qū)有多個排出孔，它們使透平葉片通道系統(tǒng)與一個被反應流體流過的外部腔室連通。在透平運行時從透平葉片通道系統(tǒng)來到外壁表面的冷卻氣體從開口中流出。
為節(jié)省冷卻氣體，從而提高燃氣透平的功率，僅僅需要向葉片提供對避免過熱來說絕對必要的冷卻氣體。由于在設計葉片時鑒于各種熱傳遞引入了許多為避免損害葉片而保守地設定的假定，且透平葉片的實際幾何構造直到鑄造結束后才能確定，于是冷卻氣體通過葉片的流量事后、亦即在鑄造后才進行調(diào)節(jié)。通常這是按下述方式來實現(xiàn)的在冷卻空氣的進口邊緣區(qū)設置通往透平葉片的、對進入葉片的冷卻氣體進行節(jié)流的進口邊緣孔或孔眼(Lochblende)。然而其缺點是，這種節(jié)流件具有一個可觀的損失系數(shù)，會導致冷卻氣體進口區(qū)的流動分離，從而不能保證在透平葉片的這一區(qū)域有一個足夠的冷卻。此外，這種結構還影響該進口邊緣區(qū)，在第一冷卻室與位于其外部的熱氣體之間的壓差減少了。
因而，本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種具有本說明書開始部分所提到的技術特征、帶節(jié)流件的透平葉片，在調(diào)節(jié)冷卻流體的流量時不會影響冷卻流體在進口邊緣的流動，以及作為進一步的技術問題是提供一種構造簡單、與其可特別適應的制造這樣一種透平葉片的方法。
上述技術問題是采用下述措施來解決的將該節(jié)流件設置在流動通路的后面區(qū)段內(nèi)、該出口孔之前。
通過對節(jié)流件這樣的布置，允許對冷卻流體的流量進行節(jié)流而不會對冷卻流體的流動帶來負面影響。在進口邊緣的流動繼續(xù)不受干擾地完成。該節(jié)流在該流動通路的后面區(qū)段才完成。因此，冷卻氣體流已經(jīng)過了其大部分的流程并足以解決與一個足夠流動速度相關的散熱問題。在第一冷卻室及周圍的熱反應流體之間的壓差仍然保持，從而不會出現(xiàn)會導致很大危害的熱燃氣進入葉片的情況。這樣確保對透平葉片可靠的冷卻。同時對冷卻氣體的消耗達到最少。僅僅需要向葉片提供對避免過熱來說絕對必要的冷卻氣體。以這種方式可以得到一種最佳的透平葉片的冷卻，同時具有一個良好的透平效率。
如果將該節(jié)流件設置在一個通道的折返處，則可能對冷卻氣流流量作有利于流動的調(diào)節(jié)。這里允許對通道的橫截面，從而對冷卻氣體的流量方便地按預定的程度進行調(diào)節(jié)。借助該節(jié)流件可以使制造燃氣透平所出現(xiàn)的偶然尺寸誤差不產(chǎn)生不利影響。從而對各種型號的透平葉片可以采用同一類的節(jié)流件。這減少了透平葉片所必需的不同部件的數(shù)量。
特別優(yōu)選的是將該節(jié)流件安裝在位于出口孔之前的最后一個折返處。在這個位置，流動通路加寬了，因而在此之后不再可能有足夠的高效率節(jié)流。同時該冷卻流體具有一個最大的流動通路，從而與通道系統(tǒng)的內(nèi)表面有最大的接觸，這使冷卻效果最佳。
特別優(yōu)選的是還可以將該節(jié)流件安裝在一個由鑄造造成的通孔中。在這種方式中，例如鑄造時由保持鑄造型芯而形成的通孔可以被合理地利用。通常這些通孔僅借助于板來封住。該節(jié)流件完成此同樣的封閉功能，同時對冷卻氣體進行節(jié)流。通過該節(jié)流件，一個對流量的事后調(diào)節(jié)和一個對鑄造后可能出現(xiàn)的尺寸不精確的補償成為可能。通過利用該通孔還可以節(jié)省制造步驟，這降低了制造成本。
為了防止在運行時丟失該節(jié)流件或者該節(jié)流件非希望地進入該通道系統(tǒng)，優(yōu)選將該節(jié)流件以不可拆卸的方式鎖定在此通孔中。如果該節(jié)流件例如在透平葉片承受很強的熱負荷或機構負荷時松脫而落入該通道系統(tǒng)中，則會對透平葉片造成很強的損害，或者導致冷卻完全失效，這會在短時間內(nèi)造成透平故障。一個位于透平內(nèi)部、但在透平葉片外部的節(jié)流件也會釀成很大的危害。此外，由于該冷卻氣體經(jīng)過因丟失該節(jié)流件而敞開的通孔在一個不合適的位置進入周圍環(huán)境中，也降低了冷卻效果。
優(yōu)選將該節(jié)流件設置在根部區(qū)。這樣一來，就可以在檢查透平葉片時毫無困難地到達該節(jié)流件，并提供了控制其密封和節(jié)流效果的可能性。
如果該節(jié)流件由一個堵頭的節(jié)流凸臺來構成，就能提供良好的穩(wěn)定性和充分發(fā)揮其功能。對此，該堵頭分別設計成與其所置入的孔的外形尺寸相匹配。如果其為一個由鑄造造成的通孔，這是特別有利的，因為在各種透平葉片的模型中其尺寸是波動的。該節(jié)流是借助該節(jié)流凸臺來實現(xiàn)的，該節(jié)流凸臺以很簡單的結構實現(xiàn)了其功能。從而該節(jié)流凸臺能在保證其功能下穩(wěn)定地構成，由此該節(jié)流件維護少，工作可靠。此外，該節(jié)流在高流量冷卻氣體情況以及與此相關的高壓和強負載變化情況下仍然很可靠。
如果該節(jié)流件由一個以斂縫方式嵌入到一個堵頭中的螺栓的端部構成，則精確確定冷卻流體的流量成為可能。在那里，此螺栓置于一個固定在通孔中的堵頭中。這樣就避免在該鑄造的透平葉片上攻螺紋。該置于堵頭中的螺栓可以無級調(diào)節(jié)，從而使逐個調(diào)節(jié)節(jié)流以達到出口邊緣區(qū)的流動要求成為可能。通過將螺栓斂縫，螺栓鎖止在所期望的位置上。
通過將堵頭焊接，保證其不可調(diào)整地保持固定。這樣，該堵頭以一個簡單的措施就能精確地固定和保持在利用該堵頭的透平葉片的孔中所希望的位置上，而不會使其周圍的材料變形。該孔可以是一個由鑄造造成的通孔，還可以是鑄造后在透平葉片上如通過鉆孔形成的孔。對此該節(jié)流件的位置可較好地滿足與模具和鑄造相關的要求。
本發(fā)明有關于制造透平機葉片的技術問題可這樣來解決，即，在鑄造過程之后，將一個影響冷卻氣體流量的節(jié)流件安裝在流動通路的后面區(qū)段中，但設置在出口孔之前，并且借助測量冷卻氣體流量在一個由鑄造造成的通孔中調(diào)節(jié)該節(jié)流件，以使冷卻流體的一個流量參數(shù)達到一個預定值；接著將該節(jié)流件以不可拆卸的方式固定在節(jié)流位置。
按照該制造方法，在鑄造過程中本身不必考慮到要對冷卻氣體進行一定的節(jié)流。這方便了鑄造過程，簡化了鑄造模具，減少了次品。一個由鑄造造成的孔，例如通過為保持鑄造型芯在其位置而將鑄造型芯與鑄型外套連接形成的孔在這種方式中可以被利用。同時該節(jié)流件封住該通孔。由此省去了其他必要的加工步驟。通過隨后測量冷卻氣體的流量，可以逐個地(individuell)、簡單地使冷卻氣體的流量滿足透平葉片對冷卻氣體的需求。由于可以從外部來簡便地影響該節(jié)流效果，因而調(diào)節(jié)變得方便。該隨后的將該節(jié)流件固定在通孔中同樣能從外部來完成。在此，可以通過對冷卻氣體的測量來直接對該固定進行控制，且在必要時可重復進行，而不會損害透平葉片。
如果在鑄造過程中借助一個透平葉片根部區(qū)內(nèi)的控制保持件保持鑄造型芯與鑄型外套的相對位置，然后在由該保持件而成形的通孔中置入一個節(jié)流件，則該制造方法對用于制造各種類型的葉片來說十分相近。這簡化了制造過程，減少了制造各種類型透平葉片時的再設計時間和要采用部件的數(shù)量。
一種低材料成本的、且特別簡單和可適宜于重復生產(chǎn)的制造方法是這樣實現(xiàn)的對冷卻氣體流量的測量分別在將帶有不同節(jié)流凸臺的堵頭置入后進行，并將達到預定冷卻氣體流量的那個堵頭焊接在那里。通過對堵頭的選擇，還可預先確定節(jié)流凸臺。因此，通過模型測量，對同一系列的透平葉片采用近似同樣的堵頭。這降低了制造成本，因為簡化和省略了加工步驟。
逐個調(diào)節(jié)冷卻氣體流是這樣來實現(xiàn)的將一個帶有一個節(jié)流螺栓的堵頭置入由鑄造造成的通孔中，該節(jié)流螺栓具有一個伸入到流動通路中的節(jié)流凸臺，在調(diào)節(jié)螺栓時對流量進行測量，接著將該螺栓在所期望的節(jié)流位置進行斂縫。該螺栓位置在連續(xù)測量期間可以無級改變。這就允許進行很精確的、與冷卻要求相適應的調(diào)節(jié)。對該螺栓的斂縫用于可靠固定該螺栓，而不會損害透平葉片的材料。對于一系列具有近似相同的冷卻要求和相同內(nèi)部結構的冷卻通道的透平葉片來說，可以對一個事先在一個標稱化的冷卻流測量中確定的螺栓調(diào)節(jié)進行標定和調(diào)節(jié)。該帶有已調(diào)節(jié)過的螺栓的堵頭可直接置入透平葉片中，并對螺栓進行斂縫。
下面結合附圖所描述的實施方式對本發(fā)明作詳細說明

圖1為帶有節(jié)流件的透平葉片根部區(qū)的縱剖圖；圖2為帶有一個堵頭的透平葉片根部區(qū)的縱剖圖；圖3為帶有堵頭的透平葉片根部區(qū)的透視圖；圖4為帶有一個堵頭和一個節(jié)流螺栓的透平葉片根部區(qū)的縱剖圖；圖5為一個透平葉片根部區(qū)的縱剖圖；圖6示出一個帶有一個鑄造型芯的鑄模。
圖1為一個氣體冷卻式透平葉片1的根部區(qū)2和部分通道系統(tǒng)5的縱剖圖。該通道系統(tǒng)5主要位于透平葉片1的葉片區(qū)3。其具有一個位于根部區(qū)2、在冷卻氣體流動通路6開始處的入口孔22以及位于透平葉片1流出區(qū)21的出口孔8，冷卻氣體經(jīng)過此入口孔22導入通道系統(tǒng)5，并通過此出口孔8在其流動通路6的終點離開通道系統(tǒng)5。該冷卻氣體在其流動通路6中以曲流方式導過被間壁21彼此隔開的通道12，多次從根部區(qū)2導至圖中未示出的頂部區(qū)再導回到根部區(qū)2。這些通道12通過與根部區(qū)2或頂部區(qū)相鄰的折返點13而彼此前后相通。一個影響冷卻氣體流量的節(jié)流件11位于該流動通路6的后面區(qū)段、但在出口孔的前方。從而不會干擾入口孔22區(qū)的流動，同時又減少了對冷卻氣體的需求。
圖2為一個帶有節(jié)流堵頭20的透平葉片根部區(qū)2的縱剖圖。該堵頭20借助一個臺階26保持在一個通孔10中。該堵頭20具有一個節(jié)流凸臺17，利用它在嵌入狀態(tài)可以減少冷卻氣體的流量。該堵頭20安裝在冷卻氣體從通道系統(tǒng)5流出的出口之前的最后一個折返處13，置于該透平葉片1根部區(qū)2壁32的孔中。優(yōu)選將其安裝在由鑄造造成的孔中，因為由此可省去該透平葉片的一個制造步驟，而堵頭20同時置于一個適于節(jié)流的位置，即通道的折返處13。在鑄造時在此位置優(yōu)選放置如圖6所示的鑄造型芯保持件29，其使鑄造型芯28相對于圍繞它的鑄型套31固定，并確保保持預定的尺寸。
該流動通路6在折返處13借助一個彎曲的導向肋18分成兩條支路，亦即與根部區(qū)2直接相鄰的第一冷卻氣體支路23和由該導向肋18分出的第二冷卻氣體支路24。由此而導出的冷卻氣體支流在流經(jīng)該導向肋18后再合二為一，經(jīng)出口孔8離開透平葉片1。該節(jié)流件11對第一冷卻氣體支流進行節(jié)流。該第二冷卻氣體支流與堵頭20的節(jié)流強度無關，以一個恒定流量流過一個側通道25。從而始終保證有一個最小的冷卻氣體流。
圖3為一個透平葉片根部區(qū)2的透視圖，該葉片具有一個由鑄造造成的通孔10和一個封住此通孔的堵頭20。該通孔10如圖6所示是在鑄造透平葉片時形成的。它具有一個與控制保持件29相配的形狀，該控制保持件將形成通道系統(tǒng)5的鑄造型芯28與鑄型套31相連接，從而該鑄造型芯28在鑄造和隨后的對鑄造材料冷卻期間保持在所期望的位置。在這種情況下該通孔10以四個側壁19沿長度方向延伸而形成。
圖4為對于由一個堵頭20和一個節(jié)流螺栓14構成的節(jié)流件所在折返處13的詳圖。該堵頭20固定，優(yōu)選焊接在該通孔10中。該螺栓14擰入堵頭20中。它以其用作節(jié)流凸臺的端部16從堵頭20伸入到節(jié)流區(qū)15，從而伸入到第一冷卻氣體支路23中。該節(jié)流螺栓14，或者說其端部16的位置可連續(xù)變化。在一個未示出的流量測試臺上測量冷卻氣體的流量，且改變該節(jié)流螺栓的位置直到達到所期望的流量。接著將該節(jié)流螺栓14固定在堵頭20中。為此對螺栓進行斂縫(verstemmen)、釬焊或熔焊。
圖5為與圖4縱剖圖成90°角的根部區(qū)2的縱剖圖。該節(jié)流螺栓14位于節(jié)流位置，已擰入到固定在通孔10中的堵頭20中。該節(jié)流凸臺17伸進第一冷卻氣體支流流過的節(jié)流區(qū)15。如圖5所示，僅僅流動通路的一部分被堵住，其取決于螺栓端部16的尺寸。但也可以使該端部與節(jié)流區(qū)精確相配，從而可在該區(qū)域將流動通路整個堵死。
圖6示出一個帶有鑄造型芯28和鑄型外套31的鑄模27。該鑄造型芯28與鑄型外套31由一個控制保持件29，所謂的型芯頭(Kemmarke)來連接。鑄造材料經(jīng)澆鑄通道30被導入鑄模27內(nèi)部并凝固。該控制保持件29用來使鑄造型芯28在澆鑄過程期間和在冷卻鑄造材料時保持在正確的位置，滿足尺寸要求。在澆鑄過程之后取走控制保持件29，從而在其位置上形成一個位于透平葉片1根部區(qū)2內(nèi)的、由鑄造造成的通孔10。
權利要求
1.一種透平葉片，尤其是燃氣透平葉片，它帶有一個頂部區(qū)、一個根部區(qū)(2)和一個葉片區(qū)(3)；并帶有一個由多個可供冷卻氣體經(jīng)流動通路(6)進入透平葉片(1)內(nèi)部的通道(12)構成的內(nèi)部通道系統(tǒng)(5)以及一個影響冷卻氣體流量的節(jié)流件，其中，在所述通道(12)中該冷卻氣體從根部區(qū)(2)經(jīng)葉片區(qū)(3)行進到頂部區(qū)，然后再反轉到相反方向；所述葉片還帶有一個設置在透平葉片(1)流出側(21)、用于將冷卻氣體從透平葉片(1)導出的出口孔(8)；其特征在于所述節(jié)流件(11)設置在流動通路(6)的后面區(qū)段內(nèi)、但在該出口孔(8)之前。
2.按照權利要求1所述的透平葉片，其特征在于所述節(jié)流件(11)安裝在一個通道(12)的折返位置(13)。
3.按照權利要求1或2所述的透平葉片，其特征在于所述節(jié)流件(11)安裝在位于出口孔(8)之前的最后一個折返位置(13)。
4.按照權利要求1至3中任一項所述的透平葉片，其特征在于所述節(jié)流件(11)安裝在一個由鑄造造成的通孔(10)中。
5.按照權利要求4所述的透平葉片，其特征在于所述通孔(10)被該節(jié)流件(11)以不可拆卸方式封住。
6.按照權利要求4或5所述的透平葉片，其特征在于所述節(jié)流件(11)設置在根部區(qū)(2)。
7.按照權利要求1至6中任一項所述的透平葉片，其特征在于所述節(jié)流件(11)由一個堵頭(20)的節(jié)流凸臺(17)構成。
8.按照權利要求7所述的透平葉片，其特征在于所述節(jié)流件(11)由一個以斂縫方式嵌入到一個堵頭(20)中的螺栓(14)的端部(16)構成。
9.按照權利要求7或8所述的透平葉片，其特征在于所述堵頭是被焊接的。
10.一種制造透平葉片、尤其是一種燃氣透平葉片的方法，該透平葉片帶有一個頂部區(qū)、一個根部區(qū)(2)和一個葉片區(qū)(3)；并帶有一個由多個可供冷卻氣體經(jīng)流動通路(6)進入透平葉片(1)內(nèi)部的通道(12)構成的內(nèi)部通道系統(tǒng)(5)以及一個影響冷卻氣體流量的節(jié)流件，其中，在所述通道(12)中該冷卻氣體從根部區(qū)(2)經(jīng)葉片區(qū)(3)行進到頂部區(qū)，然后再反轉到相反方向；所述葉片還帶有一個設置在透平葉片(1)流出側(21)、用于將冷卻氣體從透平葉片(1)導出的出口孔(8)；尤其是制造一種帶有權利要求1至9中任一項或多項權利要求技術特征的透平葉片的方法，其中，該制造方法包括一個利用一個鑄模(27)的鑄造過程，該鑄模由一個鑄造型芯(28)和一個鑄型外套(31)構成，其特征在于在鑄造過程之后，將一個影響冷卻氣體流量的節(jié)流件(11)安裝在流動通路(6)的后面區(qū)段中，但設置在出口孔(8)之前，并且借助在測量冷卻氣體流量時在一個由制造造成的通孔(10)中調(diào)節(jié)該節(jié)流件，以使冷卻流體的一個流量參數(shù)達到一個預定值；接著將該節(jié)流件(11)以不可拆卸的方式固定在節(jié)流位置。
11.按照權利要求10所述的方法，其特征在于所述鑄造型芯(28)在鑄造過程中借助一個在透平葉片(1)根部區(qū)(2)中的控制保持件(29)保持其與鑄型外套(31)的相對位置，然后將一個節(jié)流件置入由該保持件(29)而成形的通孔(10)中。
12.按照權利要求10或11所述的方法，其特征在于所述對冷卻氣體流量的測量分別在將帶有不同節(jié)流凸臺(17)的堵頭(20)置入后進行，并將達到預定冷卻氣體流量的那個堵頭(20)焊接在那里。
13.按照權利要求10至12中任一項所述的方法，其特征在于將一個帶有一個節(jié)流螺栓(14)的堵頭(20)置入由鑄造造成的通孔(10)中，該節(jié)流螺栓具有一個伸入到流動通路(6)中的節(jié)流凸臺(17)，在調(diào)節(jié)螺栓(14)時對流量進行測量，接著將該螺栓在所期望的節(jié)流位置進行斂縫。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種透平葉片(1)，尤其是燃氣透平葉片，它帶有一個頂部區(qū)、一個根部區(qū)(2)和一個葉片區(qū)(3)，并帶有一個由多個可供冷卻氣體經(jīng)流動通路(6)進入透平葉片(1)內(nèi)部的通道(12)構成的內(nèi)部通道系統(tǒng)(5)以及一個影響冷卻氣體流量而不影響該冷卻氣體在進口區(qū)流動的節(jié)流件，本發(fā)明建議，將該節(jié)流件(11)設置在流動通路(6)的后面區(qū)段中、但在出口孔(8)之前。
文檔編號F02C7/00GK1409800SQ00816995
公開日2003年4月9日 申請日期2000年10月30日 優(yōu)先權日1999年11月12日
發(fā)明者德克·安丁, 邁克爾·肖伊爾倫, 彼得·蒂曼 申請人:西門子公司