專利名稱：具有受冷卻圍帶的燃氣渦輪葉片的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及燃氣渦輪的葉片，特別涉及燃氣渦輪葉片圍帶的冷卻。
燃氣輪機一般包括一產(chǎn)生壓縮空氣的壓縮機部。燃料然后在一個或多個燃燒器中與一部分壓縮空氣混合、燃燒而生成高熱壓縮氣體。高熱壓縮氣體然后在渦輪機部(透平)膨脹而驅(qū)動轉(zhuǎn)軸。
渦輪機部一般使用許多交替排列的靜止葉片和轉(zhuǎn)動葉片。每一轉(zhuǎn)動葉片都包括一葉型部和一固定到一轉(zhuǎn)子上的根部。
由于葉片暴露在從燃燒器排出的高熱氣體中，因此其冷卻是極端重要的。通常，從壓縮機抽出一部分壓縮空氣經(jīng)冷卻或不經(jīng)冷卻后繞過燃燒器而直接引導(dǎo)到渦輪機部對葉片進行冷卻。在引入渦輪機后，該冷卻空氣流過葉片葉型部中的徑向管道。通常，該徑向管道使冷卻空氣沿徑向在葉片頂部排出。此外，從一個或多個徑向管道上可伸出若干小管道而把冷卻空氣引導(dǎo)到葉型的各表面上，例如葉型的前緣和后緣或負壓面和壓力面。冷卻空氣流出葉片后即進入流過渦輪機部的高熱氣體中并與之混合。
在某些情況下，渦輪機葉片在其頂部有從葉型上向外伸出的圍帶。這些圍帶用來防止高熱氣體漏出葉片頂部。此外，若這些圍帶為互鎖形，它們還可用來減小葉片振動。
上述葉片冷卻方法足以冷卻葉片的葉型部。但一般來說，尚無專門用來冷卻葉片圍帶的冷卻空氣。盡管在葉片頂部從徑向管道排出的冷卻空氣部分流過圍帶的徑向朝外面的上方而形成一定量的氣膜冷卻，但經(jīng)驗表明，這一氣膜冷卻不足以充分冷卻該圍帶。其原因在于，當冷卻空氣在葉片頂部流出徑向管道之時，它已被加熱到接近流過葉片的高熱氣體的溫度。因此，葉片圍帶由于在過高溫度下工作而會發(fā)生蠕變和蠕變破壞。
一種可能的解決辦法是增加流過徑向管道的冷卻空氣的數(shù)量而避免冷卻空氣在到達葉片頂部之時過熱。但是，確保流過徑向管道后熱量累積較低所需的冷卻空氣流率的增加是很大的。這樣大量提高冷卻空氣流量是不合乎要求的。盡管這一冷卻空氣在葉片頂部流出后進入流過渦輪機部的高熱氣體，但由于它未經(jīng)在燃燒部加熱，因此從冷卻空氣中獲得的有用功不多。因此，為了提高效率，必須盡量少使用冷卻空氣。
因此要求提供一種使用盡量少的冷卻空氣冷卻燃氣輪機中轉(zhuǎn)動葉片的圍帶部的方法。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明的總目的是提供一種使用盡量少的冷卻空氣冷卻燃氣輪機中轉(zhuǎn)動葉片的圍帶部的方法。
簡單來說，本發(fā)明的這一目的和其他目的在一渦輪葉片中實現(xiàn)，該葉片包括一把該葉片固定到渦輪機轉(zhuǎn)子上的根部、一從該根部伸出的葉型部以及一從該葉型上向外伸出、其上有一徑向朝里面的圍帶。第一冷卻空氣孔大致沿徑向穿過葉型，它有一冷卻空氣流入口。圍帶中有與徑向朝里面大致平行伸展的第二冷卻空氣孔。此外，第二冷卻空氣孔從第一冷卻空氣孔伸出而與之連通，從而流入第一冷卻空氣孔的冷卻空氣流過第二冷卻空氣孔。
在本發(fā)明的一實施例中，葉型還包括前緣和后緣以及凸起面和下凹面。凸起面和下凹面都從前緣伸展到后緣。圍帶的第一部分從凸起面向外伸出，圍帶的第二部分從下凹面向外伸出。該圍帶還包括一與徑向朝里面大致平行伸展的第三冷卻空氣孔。此外，第三冷卻空氣孔從第一冷卻空氣孔伸出而與之連通，從而流入第一冷卻空氣孔的冷卻空氣流過第三冷卻空氣孔。第二冷卻空氣孔位于圍帶的第一部分，而第三冷卻空氣孔位于圍帶的第二部分。在本發(fā)明的某些實施例中，圍帶上有與鄰接葉片的圍帶抵靠的支承面，第二和第三冷卻空氣孔位于這些支承面旁。
附圖的簡要說明
圖1為第3排裝有本發(fā)明渦輪機葉片的一渦輪機的一部分的局部簡化的縱向剖面圖。
圖2為圖1所示該第3排渦輪機葉片的縱向剖面圖。
圖3為沿圖2中III-III線的圍帶的俯視圖。
圖4為沿圖2中IV-IV線剖取的葉片的根部的剖面圖。
圖5為沿圖2中V-V線剖取的葉片的葉型部的剖面圖。
圖6為沿圖2中VI-VI線剖取的葉片的圍帶部的剖面圖。
圖7為沿圖3中VII-VII線剖取的葉片的圍帶部的剖面圖。
圖8為沿圖3中VIII-VIII線剖取的葉片的圍帶部的剖面圖。
對優(yōu)選實施例的說明參看各附圖，圖1為一燃氣輪機的一部分的縱向剖面圖。該燃氣輪機的主要部件為一壓縮機部1、一燃燒部2和一渦輪機(透平)部3。如圖所示，燃氣輪機中心有一轉(zhuǎn)子4穿過這三個部分。壓縮機部由圍住交替排列的一排排靜止葉片12和轉(zhuǎn)動葉片13的圓筒7和8構(gòu)成。靜止葉片12固定在圓筒8上，而轉(zhuǎn)動葉片13固定在裝在轉(zhuǎn)子4上的圓盤上。
燃燒部2包括一近似為圓柱形的殼體9，該殼體與圓筒8的后端和一圍住轉(zhuǎn)子4的一部分的殼體22形成一室14。該室14中有許多燃燒器15和管道16。管道16把燃燒器15連接到渦輪機部3。諸如餾出油或天然氣之類的液態(tài)或氣態(tài)燃料35從燃料噴嘴34噴入燃燒器15中后在其中燃燒而生成高熱壓縮氣體30。
渦輪機部3包括一圍住一內(nèi)圓筒11的外圓筒10。內(nèi)圓筒11圍住一排排靜止葉片和轉(zhuǎn)動葉片。靜止葉片固定在內(nèi)圓筒11上，而轉(zhuǎn)動葉片固定在轉(zhuǎn)子4的構(gòu)成渦輪機部的一部分的圓盤上。
工作時，壓縮機部1抽入四周空氣加以壓縮。壓縮機部1中的壓縮空氣5進入室14后分配給各燃燒器15。在燃燒器15中，燃料35與壓縮空氣混合并燃燒而生成高熱壓縮氣體30。高熱壓縮氣體30經(jīng)管道16流到渦輪機部3的一排排靜止葉片和轉(zhuǎn)動葉片，高熱氣體在這里膨脹而產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)子4的動力。膨脹氣體然后從渦輪機3排出。
壓縮機1的壓縮空氣5的一部分19從室14抽出后用管道39送到殼體9。因此，壓縮空氣19繞過燃燒器15而用作轉(zhuǎn)子4的冷卻空氣。需要時，冷卻空氣19可用外部冷卻器36冷卻。經(jīng)冷卻的冷卻空氣32然后從冷卻器36經(jīng)管道41送到渦輪機部3。管道41把冷卻空氣32送到殼體22上的開37，從而冷卻空氣進入圍住轉(zhuǎn)子4的一冷卻空氣歧管24。冷卻空氣32經(jīng)管道38流出歧管24后流過轉(zhuǎn)子4中的一系列氣道而流到各排轉(zhuǎn)動葉片。下面結(jié)合第三排轉(zhuǎn)動葉片18詳述本發(fā)明，圖2-8示出該排中的一葉片。
如圖2和5所示，每一第三排渦輪機葉片18由一葉型部21和一根部20構(gòu)成。葉型部21有一前緣25和一后緣26。葉型21的相對兩邊在前緣25與后緣26之間伸展有下凹壓力面42和凸起負壓面43。葉片根部20上有許多與轉(zhuǎn)子4上的凹槽嚙合的齒(未示出)，從而把葉片18緊固在轉(zhuǎn)子上。
如圖2所示，葉型21的頂端45上有一圍帶46。如圖3、7和8所示，圍帶46從葉型21上向外伸出。圍帶46上有暴露在流過渦輪機部3的高熱壓縮氣體30中的徑向朝外的端面66和徑向朝里的端面67。如圖2所示，圍帶46位于一隨著圍帶從葉型21的后緣26向前緣25的伸展而向里傾斜的平面中。如圖3所示，每一圍帶46上都有支承面56和57與相鄰葉片的圍帶接靠而防止葉片振動。一擋板48從圍帶46上沿徑向向外伸出而用來防止高熱氣體30在葉片排處漏出。
從圖2和4中可看得最清楚，葉片根部20中有兩個空腔50和51。這些空腔供上述引到轉(zhuǎn)子4的冷卻空氣32的部分80和81流入?？涨?0和51伸入葉型21中并終止于葉型高度的約三分之一處。冷卻空氣孔54從每一空腔沿徑向向上伸展到葉片頂端45。(雖然圖中示出四個冷卻空氣圓孔54，但應(yīng)看到，也可使用更多數(shù)量的冷卻空氣小孔或若干直徑更大的氣道)。如圖3所示，冷卻空氣孔54穿過圍帶46而在圍帶的徑向朝外面67處形成供冷卻空氣80和81排出的出口。
工作時，空腔50和51分別把冷卻空氣80和81分配給各冷卻空氣孔54。與以往一樣，冷卻氣流80和81沿徑向向上流過孔54而冷卻葉型21。但是，如上所述，冷卻空氣80和81由于在流過孔54到達葉片頂端45時溫度升高而無法用來充分冷卻圍帶46。
因此，按照本發(fā)明，在葉片18中另設(shè)一圍帶冷卻空氣孔52。從圖2和5中可看得最清楚，冷卻空氣供應(yīng)孔52位于葉型21的最厚部而在壓力面42與負壓面43之間的中心處。冷卻空氣供應(yīng)孔52的進口68在葉片根部的底面上位于空腔50與51之間。冷卻空氣供應(yīng)孔52的一部分44沿徑向向上穿過根部20。冷卻空氣供應(yīng)孔52其余部分沿徑向向上穿過葉型部21到達圍帶46。從圖7和8中可看到，冷卻空氣供應(yīng)孔52終止于圍帶46。
冷卻空氣供應(yīng)孔52的直徑應(yīng)足夠大，以便把足夠大流量的冷卻空氣82經(jīng)葉片葉型21送到圍帶46而使冷卻空氣不至于過熱，因為過熱的冷卻空氣82無法冷卻圍帶46。圍帶冷卻空氣供應(yīng)孔52的直徑最好至少約為0.8cm(0.32英寸)。
如圖6-8所示，兩圍帶冷卻空氣孔60和61從冷卻空氣供應(yīng)孔52向外伸出而沿圍帶46的寬度從冷卻空氣供應(yīng)孔52伸到圍帶的邊緣。冷卻空氣孔60和61相對于冷卻空氣供應(yīng)孔52形成一個角，圍帶46在冷卻空氣孔60和61延伸的方向延伸時相對于冷卻空氣供應(yīng)孔也形成一個角，上述兩角大致相等。這樣，圍帶的冷卻空氣孔60和61大致平行于圍帶46的向內(nèi)和向外的端面66和67并且位于此兩端面的中間，以便與圍帶處在同一平面內(nèi)。在優(yōu)選實施例中，圍帶的冷卻空氣孔60和61中的每一個的直徑約為0.30cm(0.12英寸)。
如圖6和7所示，冷卻空氣孔60位于圍帶46的與葉型21的下凹壓力面42相對的部分上，其出口64位于把徑向朝內(nèi)和徑向朝外的端面66和67連接起來的邊緣70上。如圖6和8所示，冷卻空氣孔61位于圍帶46的與葉型21的凸起負壓面43相對的部分上，其出口65位于把徑向朝里的和徑向朝外的端面66和67連接起來的第二邊緣71上。
圍帶冷卻空氣孔應(yīng)布置在最需要它進行冷卻的位置上。因此，在優(yōu)選實施例中，冷卻空氣孔60和61的方向做成使冷卻空氣流過圍帶的靠近圖3所示的供相鄰兩圍帶互相接靠的支承面56和57的部位，因為在這些部位應(yīng)力特別大。盡管圖中只示出兩冷卻空氣孔60和61，但因看到，按照本發(fā)明，可使用更多冷卻空氣孔把冷卻空氣引導(dǎo)到圍帶46的其他部位。
工作時，如圖2所示，冷卻空氣82進入圍帶冷卻空氣孔52的進口68后沿徑向向上流到圍帶46。由于冷卻空氣供應(yīng)孔52的直徑很大并且由于冷卻空氣供應(yīng)孔52位于葉型21的中心，因此冷卻空氣82由葉型的傳熱所造成的溫升很小。在冷卻空氣供應(yīng)孔52的頂部，如圖6所示，冷卻空氣82被冷卻空氣孔60和61分成兩股氣流83和84。冷卻空氣孔60沿著圍帶46的平面在其寬度上引導(dǎo)冷卻空氣83而冷卻圍帶從葉型21的壓力面42伸出的部分，然后從圍帶的邊緣70上的出口64排出。冷卻空氣孔61沿著圍帶46的平面在其寬度上引導(dǎo)冷卻空氣84而冷卻圍帶從葉型21的負壓面43伸出的部分，然后從圍帶的邊緣71上的出口65排出。
盡管上面結(jié)合燃氣輪機的第三排葉片說明了本發(fā)明，但本發(fā)明也可用于其他類型渦輪機的其他排轉(zhuǎn)動葉片。因此，只要不背離本發(fā)明的范圍和基本特征，本發(fā)明可以其他特別形式實施，因此應(yīng)以示出本發(fā)明范圍的后附權(quán)利要求而不是上述說明為準。
權(quán)利要求
1，一種渦輪機葉片，它包括a)一把所述葉片固定到渦輪機轉(zhuǎn)子上的根部；b)一從所述根部伸出的葉型部，第一冷卻流體孔基本沿徑向穿過所述葉型，所述第一冷卻流體孔有一冷卻流體流入口；c)一從所述葉型上向外伸出、其上有一徑向朝里的端面的圍帶，所述圍帶中有與所述徑向朝里的端面大致平行伸展的第二冷卻流體孔，所述第二冷卻流體孔從所述第一冷卻流體孔伸出而與之連通，從而流入所述第一冷卻流體孔中的所述冷卻流體的至少第一部分流過所述第二冷卻流體孔。
2，按權(quán)利要求1所述的渦輪機葉片，其中，所述圍帶上有一接靠相鄰葉片的圍帶的支承面，所述第二冷卻流體孔位于所述支承面旁。
3，按權(quán)利要求1所述的渦輪機葉片，其中，所述葉型有一頂部，所述圍帶位于所述頂部上。
4，按權(quán)利要求1所述的渦輪機葉片，其中，所述圍帶中進一步包括若干與所述徑向朝里的端面大致平行伸展的另外的冷卻流體孔，所述另外的冷卻流體孔從所述第一冷卻流體孔伸出而與之連通，從而流入所述第一冷卻流體孔中的所述冷卻流體流過所述另外的冷卻流體孔。
5，按權(quán)利要求1所述的渦輪機葉片，其中，所述葉型還包括前緣和后緣以及凸起面和下凹面，所述凸起面和下凹面都從前緣伸展到后緣；所述圍帶的第一部分從所述凸起面向外伸出，所述圍帶的第二部分從所述下凹面向外伸出。
6，按權(quán)利要求5所述的渦輪機葉片，其中，所述圍帶進一步包括與所述徑向朝里的端面大致平行伸展的第三冷卻流體孔，所述第三冷卻流體孔從所述第一冷卻流體孔伸出而與之連通，從而流入所述第一冷卻流體孔中的所述冷卻流體的第二部分流過所述第三冷卻流體孔。
7，按權(quán)利要求6所述的渦輪機葉片，其中，所述第二冷卻流體孔位于所述圍帶的所述第一部分，而所述第三冷卻流體孔位于所述圍帶的所述第二部分。
8，按權(quán)利要求1所述的渦輪機葉片，其中，所述圍帶有一邊緣面，所述第二冷卻流體孔在所述邊緣面上有一出口，從而流過所述第二冷卻流體孔的所述冷卻流體從所述出口排出所述圍帶。
9，按權(quán)利要求8所述的渦輪機葉片，其中，所述圍帶有一徑向朝外面，所述邊緣面把所述徑向朝里的端面和所述徑向朝外的端面連接在一起。
10，按權(quán)利要求1所述的渦輪機葉片，其中，所述第二冷卻空氣孔的直徑至少約為0.8cm。
11，一種用于燃氣輪機的渦輪機葉片，它包括a)一把所述葉片固定到渦輪機轉(zhuǎn)子上的根部；b)一從所述根部伸出的葉型部；c)一從所述葉型上橫向伸出并位于一平面中的圍帶；以及d)冷卻所述圍帶的部件，所述圍帶冷卻部件包括(i)把冷卻流體從所述根部引導(dǎo)到所述圍帶的冷卻流體第一引導(dǎo)部件，以及(ii)引導(dǎo)所述冷卻流體沿著一基本位于所述平面中的路徑流過所述圍帶的冷卻流體第二引導(dǎo)部件。
12，按權(quán)利要求11所述的渦輪機葉片，其中，所述冷卻流體第一引導(dǎo)部件包括基本沿徑向穿過所述葉型的第一管道。
13，按權(quán)利要求11所述的渦輪機葉片，其中a)所述冷卻流體第一引導(dǎo)部件包括所述葉型中的第一管道；以及b)所述冷卻流體第二引導(dǎo)部件包括若干第二管道，所有第二管道均在所述圍帶中，所述第二管道之一從所述第一管道以第一方向伸出而另一所述第二管道從所述第一管道以第二方向伸出，所述第二方向與所述第一方向不同。
14，按權(quán)利要求13所述的渦輪機葉片，其中，所述圍帶上有若干表面，所有所述第二管道伸展到所述表面之一。
15，按權(quán)利要求13所述的渦輪機葉片，其中，所述圍帶包括一徑向朝外的端面、一徑向朝里的端面和一連接所述徑向朝里的端面與徑向朝外的端面的邊緣面，每一所述第二管道在所述邊緣面上都有一出口。
16，按權(quán)利要求11所述的渦輪機葉片，其中，所述冷卻流體第二引導(dǎo)部件包括把冷卻流體從所述根部引導(dǎo)到所述圍帶而冷卻流體在其間沒有損耗的部件。
17，一排渦輪機葉片，每一所述葉片包括a)一把所述葉片固定到渦輪機轉(zhuǎn)子上的根部；b)一從所述根部伸出的葉型部，第一冷卻流體孔基本沿徑向穿過所述葉型，所述第一冷卻流體孔有一冷卻流體流入口；c)一從所述葉型上向外伸出的圍帶，所述圍帶包括(i)一與所述排中的所述葉片中一相鄰葉片接靠的支承面，所述圍帶的第一部分位于所述支承面旁，以及(ii)第二冷卻流體孔，所述第二冷卻流體孔與所述第一冷卻流體孔連通并穿過所述圍帶的所述第一部分，從而流入所述第一冷卻流體孔的所述冷卻流體流過所述第二冷卻流體孔而冷卻所述圍帶的所述第一部分。
全文摘要
一種燃氣輪機葉片，包括一從該葉片的葉型部上向外伸出的圍帶。該圍帶由其內(nèi)部的冷卻空氣管道冷卻。一徑向冷卻空氣供應(yīng)孔把冷卻空氣直接從葉片根部經(jīng)葉型引導(dǎo)到該圍帶。若干冷卻空氣管道從該冷卻空氣供應(yīng)孔伸出而位于該圍帶的與相鄰葉片的圍帶接靠的支承面旁。這些冷卻空氣孔之一形成在該圍帶的從葉型的凸起面伸出的部分中，另一冷卻空氣孔形成在該圍帶的從葉型的下凹面伸出的部分中。這些冷卻空氣孔伸展到該圍帶的邊緣而從該邊緣上的一開口排出冷卻空氣。
文檔編號F01D5/12GK1162346SQ95195889
公開日1997年10月15日 申請日期1995年10月2日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月2日
發(fā)明者羅伯特·A·多里斯, 威廉姆·E·諾斯, 安東尼·J·馬蘭德拉 申請人:西屋電氣公司