專利名稱：渦輪葉片的制作方法
渦輪葉片
本發明涉及一種如權利要求1前序部分所述的渦輪葉片和一種如權利
要求7前序部分所述的制造渦輪葉片的方法。
渦輪葉片，尤其是燃氣輪機的渦輪葉片在運行時要承受高溫，有時這樣 的高溫也會超過材料應力的極限。尤其是在渦輪葉片的入流前緣周邊區域內 會出現這樣的情況。為了即便在高溫時也能使用渦輪葉片，很久以來已知的 方法是對渦輪葉片進行適當的冷卻，使它們具有更高的耐熱性，其中，尤其 是在燃氣輪機中，由于燃氣輪機的進口溫度越來越高，對渦輪葉片實施冷卻 的重要意義也一直在增加。利用具有高耐熱性的渦輪葉片，尤其可實現較高 的動力效率。
已知的冷卻方式例如是對流冷卻，沖擊式冷卻和薄膜式冷卻。對流冷卻 可能是應用最為廣泛的葉片冷卻方式。在這種冷卻方式中，冷卻空氣被導引 通過葉片內的通道并利用對流效應，將熱量帶走。在沖擊式冷卻方式中，冷 卻空氣流從內側撞擊到葉片表面上，由此在撞擊點實現很好的冷卻效果，然 而這樣良好的冷卻效果僅僅局限于撞擊點較窄的區域及比較靠近的周邊。因 此，這種冷卻方式主要用于冷卻渦輪葉片的承受局部很高溫度載荷的入流前 緣。在薄膜式冷卻方式中，冷卻空氣通過渦輪葉片中的開孔從內部流到葉片 的外側。冷卻空氣繞流渦輪葉片并在熱的過程燃氣和渦輪葉片表面之間形成 一個隔熱層。上述這些冷卻方式可視具體應用情況而適當組合，從而實現盡 可能有效的葉片冷卻。
例如在美國專利文獻US 6,238,182中公開了渦輪葉片的入流前緣的沖 擊式冷卻。該渦輪葉片具有一個鑄造出的葉片型面，其型壁較厚。在較厚的 型壁中插裝有一種薄壁的沖擊式冷卻插件。該沖擊式冷卻插件通過多個分別 減縮成尖端的肋片支撐在與之相對的另 一些肋片上，這另 一些肋片設置在型 壁的內側。這樣形成的成對肋片(肋片對)在此相互焊接，以圍成所述腔室。
為實現對流冷卻，在目前已知的渦輪葉片設計中，葉片連同例如葉片襯 套形式的外殼以及冷卻通道被澆鑄而成。然后通過涂敷工藝在葉片上施加涂 層。在該制造工藝中，尤其是借助澆鑄工藝制造在已知的渦輪葉片中設計的冷卻通道十分麻煩，成本耗費也很大。
除了用澆鑄工藝制造渦輪葉片外，在美國專利文獻US 2,906,495中也公 開了由一個支撐結構和一個外殼組成的可純粹進行對流冷卻的渦輪葉片。所 述支撐結構為波形。波谷和波峰分別與 一個由外殼板構成的葉片型面的吸入 側和壓力側焊接，由此形成多個沿葉片型面直線延伸的冷卻通道。
本發明所要解決的技術問題在于提供一種可進行特別有效的對流冷卻 的渦輪葉片，并且該渦輪葉片與已知的渦輪葉片相比能更方便和廉價地制 造。
上述技術問題按照本發明通過一種具有如權利要求1前序部分所述特 征的渦輪葉片這樣來實現，即，所述外殼和所述托架結構通過所述間隔保持 件進行逐點地連接，所述間隔保持件面狀分布地設置。
在本發明的渦輪葉片中，所述優選為葉片襯套形式的外殼僅僅用于在渦 輪葉片被繞流或迎流時，通過按照本發明的間隔保持件將氣體動力傳遞到一 個面狀地位于該外殼之下的托架結構中。所述托架結構主要支撐外殼并承接 通過外殼和間隔保持件傳遞來的流動力。如果按照本發明的渦輪葉片也用作 動葉片，則托架結構也承受因轉動造成的離心力作用。就此而言，本發明的 渦輪葉片與美國專利文獻US6，238,182所公開的渦輪葉片存在區別，在后者 所披露的葉片中，僅葉片型面段設計為自支撐，沖擊式冷卻插件僅僅承擔為 沖擊式冷卻保持間隔距離的作用。
所述力傳遞通過大量面狀分布地設置、并分別將外殼與托架結構逐點地 連接起來的間隔保持件來實現。通過間隔保持件的面狀分布設置，所述外殼 在大量的部位被支撐，這使得外殼可特別薄并因此能特別好地冷卻。
所述通過間隔形成的間隙按照本發明由一種優選為氣體或流體的冷卻 介質流過，以便在渦輪葉片應用過程中通過對流冷卻實現對外殼的有效冷 卻。按照本發明，所述外殼的熱量僅僅通過所述間隔保持件傳遞給所述托架 結構。這樣做的優點在于，避免了因外殼受熱所導致的托架結構過熱。
采用本發明的渦輪葉片，可相對于已知的技術方案更好地區分流動導向 任務和力傳遞任務，從而降低任務的復雜程度。通過熱和機械方面的脫耦， 可有效地結合不同尋常的材料組合，而這在已知的連同其外殼和冷卻通道一 起被澆鑄而成的渦輪葉片中卻不能順利簡便地實現。
尤其是，按照本發明的渦輪葉片相對于已知的渦輪葉片可更簡便地制造，因為不必為構造冷卻通道準備相應復雜構型的鑄模。按照本發明，僅僅 需要通過間隔保持件實現在托架結構和外殼之間的連接，以便形成按照本發 明的間隙形式的可流通的冷卻通道。
按照本發明提供一種設計用于對流冷卻的渦輪葉片，它除了便于制造之 外，尤其還具有通過大量面狀分布設置的間隔保持件明顯改善散熱和將熱量 傳遞給冷卻介質的優點。其中，所述大量的間隔保持件的表面被冷卻介質流 過并同時使冷卻介質產生渦流，從而提高傳熱系數。
特別優選的是，所述間隔保持件均勻地分布在外殼和托架結構之間。在 本發明的另一有利的擴展設計中，所述間隔保持件分別設計成焊料球，并通 過焊接，尤其是釬焊與所述托架結構及所述外殼連接。因此，按照本發明， 所述外殼與托架結構之間的連接通過釬焊實現，更確切地說是優選通過在各 個單獨部位的^^f焊實現。所述焊料按照本發明由許多小的焊料球組成，它們 在焊接過程中不是全部融化，而是僅部分融化。這些焊料球在電子技術中通
常被稱為"球柵(Ball-Grid)"。由上述方式可在外殼和托架結構之間形成窄縫 形式的間隙，其中，熱量但J又可在如此構成的焊點處傳遞到托架結構中。所 述焊料球_#姿照本發明形成一個大的表面，使得熱量可直接傳遞到穿過所述間
隙流動的冷卻介質中。每單位面積內的間隔保持件數量越多，所述間隔保持 件可被冷卻介質繞流的表面積就越大，這一方面能改善冷卻，另一方面能改 善外殼與托架結構的連接。更好的連接本身又可實現更堅固或更薄的外殼。 在另 一有利的擴展設計中，在外殼和面狀托架結構之間的所述間隙設計 為縫隙狀，其中，在葉片的橫截面圖中看，其縫隙大小從葉片的前緣到后緣 都基本保持不變。由此可使得用于對流冷卻外殼的冷卻空氣特別小損耗地流 過所述間隙。
在本發明另 一有利的擴展設計中，所述渦輪葉片的葉根被這樣構造，即， 使得所述間隙從葉根開始可被冷卻介質流過。從而以實用的方式實現了按照 本發明的間隙的通流。
本發明還涉及一種制造按本發明的渦輪葉片的方法，該渦輪葉片具有一 個托架結構和一個包繞該托架結構的外殼，該外殼與所述托架結構保持間隔 地相連接，其中，所述外殼在所述托架結構的至少一個部位釬焊到所述托架 結構上，以便使所述外殼與所述托架結構保持間隔地相連接，其中，所述外 殼和所述托架結構通過間隔保持件進行逐點地連接，所述間隔保持件面狀分 布地設置。下面借助附圖所示對按照本發明的渦輪葉片的 一 實施方式進行詳細說
明，附圖中
圖l是按照本發明的渦輪葉片的橫剖面視圖2是葉片襯套形式的渦輪葉片外殼連同相連的焊料球的局部立體視
圖3是通過按照本發明的焊料球在外殼和托架結構之間形成的連接的 局部放大視圖。
圖1示出按照本發明的渦輪葉片IO的橫斷面，由此橫剖面視圖可看出， 葉片IO具有一個倒圓的入流前緣和一個尖銳的流動后緣。所述渦輪葉片10 具有一個實心的或空心的托架結構12,—個薄壁的葉片襯套14形式的外殼， 該外殼通過焊料球16與托架結構12保持間隔地相連接，以便形成可被一種 冷卻介質流過的狹窄縫隙形式的間隙18。為了形成一樣寬度的間隙，所述托 架結構12在與所述外殼14內側相對的區域內設計成面狀結構，并相應于外 殼14的氣體動力學造型而彎曲成型。所述葉片村套14用于將流體入流它時 所形成的流體動力學力傳遞給所述托架結構12。該托架結構12則設計成可 將傳遞給它的力進一步傳遞給一個圖中未示出的葉片托架，所述托架結構12 固定在該葉片托架上。通過大量的在電子技術領域行話中也稱為"球柵 (Ball-Grid)"的焊料球16相應地釬焊在所述托架結構12或葉片襯套14的各 點上，可實現所述外殼與托架結構的連接。在此，所述焊料球16在釬焊過 程中不完全融化。
在冷卻介質流過間隙18時，葉片襯套14基于其熱量被流過的冷卻介質 帶走而被有效地對流冷卻。由于在葉片襯套14和托架結構12之間的熱傳遞 僅僅通過焊料球16進行，托架結構12僅被熱的葉片襯套14少許加熱。葉 片襯套1的絕大部分熱量被冷卻介質帶走，在此，所述焊料球16形成大的 表面，熱量直接被傳遞給冷卻介質。
圖2示出渦輪葉片10的呈葉片襯套14形式的外殼及與之相連接的焊料 球16。如圖所示，這些焊料球16僅僅設置在各個獨立的、相互間隔的位置 上，以實現在托架結構12和葉片襯套14之間盡可能有效的連接，并且隨之 形成盡可能有利于流動的間隙18。所述焊料球16按照一種均勻柵格的形式 面狀分布地設置在外殼14和托架結構12之間，由此可將作用在外殼14上 的流動力均勻地傳遞到托架結構12中。與此同時，基于所采用的大量焊料球16,各單個焊料球16所傳遞的力也會比較小。相應地各焊料球16可設計 得相對較小。
圖3最后示出通過焊料球16在葉片襯套14和托架結構12之間實現連 接的局部》文大^L圖，其中，所述葉片襯套14上還具有一些通孔20，它們可 這樣地提供作為對流冷卻的輔助手段的薄膜式冷卻，即，冷卻介質可通過這 些通孔20向外流出。
同樣也可以利用一個空心的托架結構12對葉片襯套14進行沖擊式冷 卻，其中，在所述托架結構12內的空腔通過適當的沖擊式冷卻開孔與所述 間隙18連通。
權利要求
1.一種渦輪葉片(10)，其具有一個托架結構(12)和一個包繞該托架結構的外殼(14)，該外殼通過大量的間隔保持件(16)與所述托架結構(12)保持間隔地相連接，以便在所述托架結構(12)和所述外殼(14)之間形成可供冷卻介質流過的間隙(18)，其特征在于，所述外殼(14)和所述托架結構(12)通過所述間隔保持件(16)進行逐點地連接，并且所述間隔保持件(16)面狀分布地設置。
2. 如權利要求1所述的渦輪葉片(IO),其中，所述間隔保持件(16)均勻 地面狀分布。
3. 如權利要求1或2所述的渦輪葉片(10),其中，所述間隔保持件(16) 分別設計成焊料球，并通過釬焊與所述托架結構(12)及所述外殼(14)連接。
4. 如權利要求3所述的渦輪葉片(IO)，其中，所述悍料球(16)僅部分融化。
5. 如權利要求1至4之一所述的渦輪葉片(10)，其中，所述間隙(18)設 計為縫隙狀，并且在橫截面圖中看，其縫隙大小從葉片的前緣到后緣都基本 保持不變。
6. 如權利要求1至5之一所述的渦輪葉片(10),其特征在于，所述渦輪 葉片(10)具有葉根，該葉根被這樣構造，即，使得所述間隙(18)可從葉根開 始一皮冷卻介質流過。
7. —種制造渦輪葉片(10)的方法，該渦輪葉片(10)具有一個托架結構(12) 和一個包繞該托架結構的外殼(14)，該外殼與所述托架結構(12)保持間隔地 相連接，其中，所述外殼(14)在所述托架結構(12)的大量部位處釬焊到所述 托架結構(12)上，以便使所述外殼(14)與所述托架結構(12)保持間隔地相連 接，其特征在于，所述外殼(14)和所述托架結構(12)通過間隔保持件(16)進行 逐點地連接，并且所述間隔保持件(16)面狀分布地設置。
8. 如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述間隔保持件(16)包括焊 料球(16)，這些焊料球在連接所述托架結構(12)與所述外殼(14)時僅僅部分融 化。
全文摘要
一種渦輪葉片(10)，其具有一個托架結構(12)和一個包繞該托架結構的外殼(14)，該外殼通過至少一個間隔保持件(16)，例如焊料球與所述托架結構(12)保持間隔地相連接，以便在所述托架結構(12)和所述外殼(14)之間形成可供冷卻介質流過的間隙(18)。本發明另外還涉及一種制造渦輪葉片(10)的方法，該渦輪葉片(10)具有一個托架結構(12)和一個包繞該托架結構的外殼(14)，該外殼與所述托架結構(12)保持間隔地相連接，其中，所述外殼(14)在所述托架結構(12)的至少一個部位處釬焊到所述托架結構(12)上，以便使所述外殼(14)與所述托架結構(12)保持間隔地相連接。
文檔編號F01D5/18GK101600853SQ200880003931
公開日2009年12月9日 申請日期2008年1月14日 優先權日2007年2月1日
發明者奧利弗·施耐德, 拉爾夫·米斯根, 斯卡利特·法賈多-雷納, 斯蒂芬·W·基利安尼, 法西·阿邁德, 西爾維奧-烏爾里克·馬丁, 馬庫斯·吉爾 申請人:西門子公司