專利名稱：燃氣輪機中的靜止葉片與裝有這種葉片的燃氣輪機的制作方法
技術領域：
本發明涉及設置在燃氣輪機之中的一種靜止葉片(或定子葉片)和一種裝有這種葉片的燃氣輪機。
背景技術：
一如圖4之中所示，一燃氣渦輪10具有以下主要組成部分(i)一壓縮機(未畫出)，用于壓縮供燃燒用的空氣并將壓縮空氣供給一燃燒器20，(ii)燃燒器20，用于通過將由壓縮機供給的燃料噴入空氣以便燃用空氣并產生高溫燃燒氣G，以及(iii)一渦輪部分30，位于燃燒器20下游一側并由自燃燒器20傳送的燃燒氣G予以驅動。
作為一項典型范例，渦輪部分30具有一第一排靜止葉片31，一第一排運動葉片(或轉子葉片)，一第二排靜止葉片33，一第二排運動葉片34，一第三排靜止葉片35，一第三排運動葉片36，一第四排靜止葉片37，以及一第四排運動葉片38。
第一排靜止葉片31具有一外罩31a，一主體31b-其截面具有翼面形狀，以及一內罩31c。第一排靜止葉片31經由外罩固緊在定子一側處的一腔室(未畫出)之內。同樣，第二排靜止葉片33具有一外罩33a，一主體33b-其截面也具有翼面形狀，以及一內罩33c。第二排靜止葉片33經由外罩33a固緊在定子一側處的腔室之內。另外同樣，第三排靜止葉片35具有一外罩35a，一主體35b-其截面也具有翼面形狀，以及一內罩35c。第三排靜止葉片35經由外罩35a固緊于定子一側處的腔室之內。另外同樣，第四排靜止葉片37具有外罩37a，一主體37b-其截面也具有翼面形狀，以及一內罩37c。第四排靜止葉片37經由外罩37a固緊在定子一側處的腔室之內。
這些第一、第二、第三和第四排靜止葉片設置得用于使燃燒氣G膨脹和降壓并導引從各靜止葉片吹出的氣體，以致氣體可以以一最佳角度與運動葉片32、34、36和38(它們位于下游一側處)相碰撞。
第一、第二、第三和第四運動葉片32、34、36和38分別具有主體32b、34b、36b和38b，而臺板32d、34d、36d和38d分別裝接于這些主體32b、34b、36b和38b的底端。運動葉片32、34、36和38分別經由這些臺板裝接于運動葉片圓盤32e、34e、36e和38e。
燃燒氣G的流動將說明如下。燃燒氣G，由于在燃燒器20中的燃燒而具有高溫，從第一排靜止葉片31吸入并在流經第二至第四靜止葉片時膨脹，從而使運動葉片32、34、36和38轉動并向一渦輪轉子提供轉動能量。燃燒氣G然后被排出。
圖5是圖4中由圓圈A′圍繞的部分的放大視圖。在圖5中，一種熱絕緣材料39，可以是由多孔陶瓷制成的蜂窩密封件，設置在內罩33c后緣附近部分33f處(亦即內罩33c后緣附近的一部分)和內部周邊表面33g上，冷卻空氣C沿著后者流過而后者面對各運動葉片圓盤的轉軸(見圖4)。
不過，在內罩33c后緣附近部分33f處具有熱絕緣材料39的這種結構中，內部周邊表面33g沒有與冷卻空氣C的熱力交換；因而，內罩33c后緣附近部分33f的熱量未被冷卻空氣C充分去除，從而在此部分處產生熱應力。
方面內容考慮到以上各種情況，本發明的目的是提供一種燃氣渦輪靜止葉片，它可以減小在內罩后緣附近部分處產生的熱應力，并且提供一種包括這樣一種靜止葉片的燃氣渦輪。
因此，本發明提供一種設置在燃氣渦輪之中的靜止葉片，渦輪包括配置在許多排之中的各運動葉片和各運動葉片的各主體裝接所在的各運動葉片圓盤，其中靜止葉片包括一外罩、一主體和一內罩并在燃氣渦輪軸向上位于至少一個運動葉片圓盤附近；靜止葉片將燃燒氣送入下一排運動葉片的主體；以及一凹下部分以如下方式設置在內罩之中凹下部分制成在內罩后緣附近和內罩內部周邊表面上，在此冷卻空氣沿著面對各運動葉片圓盤轉軸的內部周邊表面流過；以及一朝向轉軸伸出的伸出部分制成在內罩的后緣處。
亦即，凹下部分制成在內罩的內部周邊表面上而伸出部分留在內罩的后緣處。因此，后緣附近內罩的厚度得以減小而冷卻空氣流經凹下部分。因此，有可能減小在此部分處的熱應力。
作為一項典型的范例，凹下部分具有兩個側壁，以各側壁基本上平行于各運動葉片圓盤轉動平面的方式連續制成得穿過內部周邊表面。因此，后緣附近內罩的厚度通過內部周邊表面得以減小而冷卻空氣流經凹下部分。于是，有可能進一步減小在此部分處產生的熱應力。
另外，許多用于輻射熱量的翅片可以配置在凹下部分的底面，它們朝向各運動葉片圓盤的轉軸伸出。熱輻射效率由于這些翅片而可以進一步提高，并且有可能進一步減小在凹下部分處產生的熱應力。
最好是，各翅片沿著相對于各運動葉片圓盤傾斜的方向配置并借以擾動冷卻空氣氣流。于是，冷卻空氣與各翅片相碰撞并可以去除已經形成在各翅片上方的各熱邊界層，從而進一步減小在凹下部分處產生的熱應力。
此外，一種熱絕緣材料可以裝接于內部周邊表面的一部分，此部分位于凹下部分與內罩后緣之間。由于這樣一種熱絕緣材料，此部分與面對這部分的一個運動葉片的構件(諸如一臺板)之間的間隙可以變窄。因此，有可能抑制或減小冷卻空氣的流動，冷卻空氣流動在(后緣附近)靜止葉片內罩與一運動葉片的臺板或類似構件之間并流向各靜止和運動葉片的各主體。
作為一項優先的范例，熱絕緣材料在燃氣渦輪軸向上的長度(比如以下所述實施例中為10mm)是根據由于裝接于一個運動葉片并面對伸出部分的一個構件(比如以下所述實施例中的臺板34d(更為具體地說，臂桿34f))的熱膨脹而造成的差別來確定的。于是，設置熱絕緣材料的區域可以減至最小而制成凹下部分的區域可以增至最大，從而進一步減小在凹下部分處產生的熱應力。
本發明還提供一種燃氣渦輪，包括一渦輪部分，具有一如上述的一種靜止葉片；一壓縮機，用于壓縮供燃燒用的空氣并把壓縮空氣供給一燃燒器；以及燃燒器，用于通過把燃料噴入空氣而燃用從壓縮機供給的空氣并用于產生高溫性燃燒氣。
亦即，此燃氣渦輪具有一種靜止葉片，它具有一如上述的凹下部分；因而，此部分的厚度得以減小而冷卻空氣流經此部分。因此，有可能減小在此部分處產生的熱應力。
圖1是一簡圖，表明符合本發明的一種燃氣輪機靜止葉片的一項實施例，并且是表明靜止葉片一區別部分的局部放大視圖。
圖2是一類似于圖1的局部放大視圖，表明在凹下部分上具有各翅片的一種結構。
圖3是一視圖，表明凹下部分的底面并且是從圖2中參照符號A所指出的方向上看到的。
圖4是通常燃氣輪機的一渦輪部分的剖視圖。
圖5是由圖4中圓圈A′圍繞的那部分的一局部放大視圖。
具體實施例方式
此后，符合本發明的一項實施例將參照各圖予以說明。燃氣輪機10的各主要組成部分(參照圖4)和渦輪部分30的結構與以上說明的那些是一樣的；因而，免去了對其的說明而將在此只說明本實施例的一些區別特性。此外，等同于上述各圖中的那些零部件的零部件均給予等同的各參照符號。
圖1，對應于圖5，是燃氣渦輪10一(第二排)靜止葉片133的局部放大視圖，而此視圖表明靜止葉片133內罩(inner shroud)133c的一后緣附近部分133f(亦即，內罩133c后緣133h附近的一部分)。
一如圖1之中所示，一凹下部分40設置在內罩133c的后緣附近部分133f處和一內周邊表面133g上，沿著此表面流過冷卻空氣C和此表面面對各運動葉片圓盤的轉軸R(見圖4)，此處凹下部分40在徑向上是凹下的并設置得以致在后緣133h處形成(或保持)一突出部分133i而朝向轉軸R突出。
在此結構中，此凹下部分40的側壁41和42以致使這些側壁基本上平行于各運動葉片圓盤的轉動平面(亦即，一垂直于各運動葉片圓盤的轉軸R的平面)的方式穿過內周邊表面133g連續制成。
亦即，在圖1中，凹下部分40的底面43與內周邊表面133g相比形成在一上部位置上，從而形成后緣附近部分133f的一個較薄厚度。因此，此部分133f受到冷卻空氣C的有效冷卻，而在此部分處產生的熱應力可以減小。
凹下部分40的深度和側壁41與42之間的距離適當地予以確定，以便充分地減小在后緣附近部分133f處產生的熱應力。
這里，冷卻空氣C的流動速度大約是運動葉片圓盤32e、34e、36e和38e周邊速度的一半(見圖4)。
另外，一如圖2之中所示，許多用于輻射熱量的翅片44可以設置在凹下部分40的底面43，朝向各運動葉片圓盤的轉軸R(見圖4)伸出。
按照以上結構，后緣附近部分133f的熱輻射效率得以提高，而在此部分處產生的熱應力可以進一步減小。
圖3是從圖2中參照符號A所指出的方向上看到的視圖。一如圖3之中所示，如果用于輻射熱量的各翅片44以每一翅片相對于運動葉片圓盤轉動方向D傾斜成一角度α的方式予以配置以便擾動冷卻空氣C的氣流F，則是有效的。
因此，冷卻空氣C與各翅片44相碰撞并可除去已經形成在各翅片44上方的熱邊界層。因此，此部分的熱輻射效率進一步得到提高，從而進一步減小在此部分處產生的熱應力。
作為一項優選范例，傾角α是45度，各翅片的節距P(亦即相鄰翅片間的距離)是10mm，以及各翅片44的(伸出)高度是1mm。
運動葉片的臺板(platform)34d具有一臂桿34f，而上述10mm節距對應于冷態下臂桿34f的長度與熱態下臂桿34f的長度之間的差值，亦即，由于熱膨脹所造成的差值。因此，如果在冷態下臂桿34f位于后緣附近部分133f的后緣133h緊下面(見圖1)和在熱態下臂桿34f位于凹下部分40側壁42緊下面，則更為有效。
一如圖1至3中所示，一種熱絕緣材料39(比如一種由多孔陶瓷制成的多孔密封件(honeycomb seal))可以裝接于內周邊表面133g的一部分，而此部分位于凹下部分40與內罩133c后緣之間。最好是，熱絕緣材料39在軸向上具有大致上10mm的長度。這一10mm的長度對應于上述冷態下臂桿34f長度與熱態下臂桿34f長度之間的差值，亦即，由于熱膨脹所造成的差值。
按照這樣一種熱絕緣材料39，可以抑制或減少在內罩133c與臺板34d之間流過并流向靜止葉片133的主體133b和運動葉片34的主體34b的冷卻空氣C的氣流。
上述內罩133c的凹下部分40可以通過澆鑄、EDM(電火花加工)或類似手段制成。
在上述實施例中，燃氣渦輪中四排結構的靜止和運動葉片的第二排靜止葉片已經予以說明。不過，本發明也可應用于第二排靜止葉片以外的靜止葉片或一種五或更多排結構的靜止和運動葉片的靜止葉片。
此外，各翅片的排布方向不限于圖3之中所示者(用于擾動冷卻空氣C的氣流下F)，必要時可以是基本上平行于氣流F的方向。
權利要求
1.一種設置在一燃氣渦輪(10)之中的靜止葉片(133)，燃氣輪機包括配置成多排的運動葉片和這些運動葉片的主體(32b，34b，36b，38b)配裝其上的運動葉片圓盤(32e，34e，36e，38e)，其中靜止葉片包括一外罩、一主體(133b)和一內罩(133c)并在燃氣渦輪軸向上與至少一個運動葉片圓盤相鄰設置；靜止葉片將燃燒氣體引入下一排運動葉片的主體；以及一凹下部分(40)設置在內罩上，其方式是凹下部分形成在內罩后緣附近和內罩內周邊表面上，冷卻空氣沿著面對運動葉片圓盤轉軸的內周邊表面流過；以及一朝向轉軸伸出的伸出部分(133i)制成在內罩的后緣處。
2.按照權利要求1所述的靜止葉片，其中凹下部分具有側壁(41，42)，以各側壁基本上平行于運動葉片圓盤轉動平面的方式穿過內周邊表面連續形成。
3.按照權利要求2所述的靜止葉片，其中多個用于輻射熱量的翅片(44)配置在凹下部分的底面，它們朝向運動葉片圓盤的轉軸伸出。
4.按照權利要求3所述的靜止葉片，其中各翅片沿著相對于運動葉片圓盤的轉軸傾斜的方向配置，而冷卻空氣的氣流因之受到擾動。
5.按照權利要求1所述的靜止葉片，其中一種熱絕緣材料(39)裝設于內周邊表面的一部分上，此部分位于凹下部分與內罩后緣之間。
6.按照權利要求5所述的靜止葉片，其中熱絕緣材料在燃氣渦輪軸向上的長度是根據由于裝接于一個運動葉片并面對伸出部分的一個構件的熱膨脹造成的差值來予以確定的。
7.一種燃氣渦輪(10)，包括一渦輪部分(30)，具有按照權利要求1至6中任何一項所述的靜止葉片；一壓縮機，用于壓縮供燃燒用的空氣并將壓縮空氣供給一燃燒器；以及燃燒器，用于通過將燃料噴入空氣燃燒供自壓縮機的空氣并用于產生高溫燃燒氣體。
全文摘要
一種燃氣渦輪(10)靜止葉片(133)，可在減小在靜止葉片內罩(133c)后緣附近一部分處的熱應力。靜止葉片在燃氣渦輪軸向上位于至少一個運動葉片圓盤(32e，34e，36e，38e)附近。一凹下部分(40)以凹下部分制成在內罩后緣附近并在內罩內部周邊表面上的方式設置在內罩之內，在此冷卻空氣沿著面對各運動葉片圓盤的轉軸的內部周邊表面流過；以及一伸出部分(133i)，朝向轉軸伸出，制成在內罩后緣處。
文檔編號F01D11/00GK1467363SQ0310619
公開日2004年1月14日 申請日期2003年2月21日 優先權日2002年7月10日
發明者弗里德里克·索克廷, 羽田哲, 桑原正光, 正田淳一郎, 富田康意, 一郎, 光, 弗里德里克 索克廷, 意 申請人:三菱重工業株式會社