CN100429382C - 涡轮机叶片和涡轮机叶片的制造方法 - Google Patents

涡轮机叶片和涡轮机叶片的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种涡轮机叶片，特别是用于燃气轮机(10)的涡轮机叶片，它具有至少一个可充入冷却介质的腔室(18；19；20；21)，以及位于后边缘(26)上的一个由两个隔板(28，29)限定的用于排出冷却介质的间隙(25)，按照本发明，至少对一个所述隔板(28，29)进行精加工以改变间隙(25)的截面(A)。由此可使截面(A)与相应的边界条件匹配，从而减少冷却介质的消耗。此外本发明还涉及一种制造这种涡轮机叶片的方法(13；14)。

Description

涡轮机叶片和涡轮机叶片的制造方法
技术领域
本发明涉及一种涡轮机叶片，特别是用于燃气轮机的涡轮机叶片，它具有至少一个可充入冷却介质的腔室，以及位于后边缘上的一个由两隔板限定的用于排出冷却介质的间隙。此外本发明还涉及一种制造这种涡轮机叶片的方法。
背景技术
这种涡轮机叶片及其制造方法例如已经公开在美国专利文献US5419039和国际专利文献WO99/59748中。所述涡轮机叶片通常是用铸造法制造。在许多情况下是采用一个或多个由陶瓷材料构成的型芯来制成，该型芯埋在一个蜡模内。在用所要求的材料铸造出涡轮机叶片后，将所述型芯除掉，特别是通过浸出除掉。由于型芯、蜡、外部型芯壳以及涡轮机叶片所使用的材料有收缩系数，所以无法在后边缘上实现高精度的间隙。
该间隙对于冷却介质作用在涡轮机叶片上当然会起到决定性影响。如果间隙的截面过小，则冷却介质的流量也减小，使得涡轮机叶片不能得到足够的冷却。如果用在高温下，则会造成涡轮机叶片的损坏。
为了考虑到所有影响因素使所述间隙具有所需的最小截面，必须设计出相对较大的公差。其后果是，所生产出的许多涡轮机叶片的间隙截面均大于最小允许值。这种涡轮机叶片相应也具有较高的冷却介质流量，因此会不必要地被过量冷却。这会导致效率的劣化，因为冷却介质在很多情况下必须以相对较高的压力从压缩机中送出，而压缩机必须由涡轮机驱动。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题是提供一种涡轮机叶片，其制造简单，而且能减小冷却介质的消耗。本发明所要解决的另一技术问题是，提供一种制造这种涡轮机叶片的方法。
根据本发明，上述技术问题是这样来解决的，即，在上述类型的涡轮机叶片中，至少对一个所述隔板进行精加工以改变间隙的截面。在本发明所述方法中则规定，对涡轮机叶片的后边缘进行精加工，以改变至少一个隔板的长度，并进而改变间隙的截面。
和公知涡轮机叶片及其制造方法不同的是，第一次有针对性地改变间隙的截面。这种改变是通过对限定间隙的至少一个隔板的长度加以改变来进行的。通过相应地改变间隙的截面，可以使冷却介质通过间隙时的流量发生变化。
根据本发明，涡轮机叶片上的间隙具有对制造有利的截面。该截面与边界条件的匹配是通过对限定间隙的隔板进行精加工实现的，从而使冷却介质的流量实现最佳化。根据所述隔板的相对布置可通过精加工扩大或缩小间隙的截面。迄今为止在制造中需要考虑的最小需用间隙截面则可以取消。
在本发明所述的涡轮机叶片中，所述间隙的截面比较有利地通过改变至少一个所述隔板的长度而改变。特别是可对压力侧隔板进行精加工。这种加工优选采用腐蚀方法进行。隔板的长度可以很好地测量。这样可实现高精度的变化，从而最佳地调节间隙的截面。
按照一个第一优选方案，至少一个所述隔板具有凸起，该凸起在间隙内***并可通过精加工改变，从而使间隙的截面得到相应的改变。另一种选择是，所述间隙具有基本上相等的厚度，该厚度可通过精加工来改变。
所述隔板至少可在间隙的范围内呈夹角或基本上相互平行布置。使用平行布置的隔板时，截面的改变是通过凸起实现的。该凸起沿隔板的纵向具有不同的截面。改变长度便可自动改变凸起的截面，从而改变间隙的截面。
如果隔板呈夹角状布置，则无需这种凸起即可实现间隙截面的变化。当然也可以在夹角状隔板上设置凸起。
在本发明所述方法中，制造出所述涡轮机叶片后，优选测定间隙的截面，然后根据给定的边界条件进行精加工。因此可以对每个涡轮机叶片进行有针对性的最佳化加工。这样可大大降低对冷却介质的需要量。
也可直接测定截面，例如采用光学方法测定。或者间接进行测量，即测定冷却介质通过间隙的流量。同样也可以测定冷却介质进入涡轮机叶片的流入量，该流入量与通过间隙的流量相关。基于所测定的流量或者所测定的进入量和所要求的流量，随后根据需要进行精加工。为了提高精度，可再次测量截面，必要时再次进行精加工。
附图说明
下面借助附图所示实施例对本发明作进一步的说明。图中对功能相同的零件均使用相同的附图标记，附图中：
图1为一台燃气轮机的纵向剖视图；
图2为涡轮机导向叶片的剖视图；
图3为图2中细节部分X的局部放大图；
图4为制造方法的第一实施方式的示意图；
图5为涡轮机叶片的不同精加工方案；
图6为沿图5中箭头方向VI的视图；
图7为制造方法的第二实施方式的示意图，与图4的视图相似；
图8为制造方法的第三实施方式的示意图，与图4的视图相似；
图9为图8所示型芯的侧视图；
图10为与图9所示相似的型芯形状的视图；
图11为第二实施方式的示意图，与图5相似；
图12为沿图11中箭头方向XII的视图；
图13为本发明所述方法的流程图。
具体实施方式
图1表示的是一台燃气轮机10的纵向剖视图，它具有壳体11和转子12。在壳体11上有多列导向叶片13，在转子12上有多列工作叶片14。所述燃气轮机10沿箭头方向15所示有炽热燃气流过，使转子12围绕其转动轴线16沿箭头方向17转动。
图2表示一个导向叶片13的截面图。但是本发明并不限于导向叶片13，也可用于工作叶片14。
所述导向叶片13的外侧由一个吸入侧隔板28和压气侧隔板29构成。由隔板28、29限定的内腔在整体上分成4个腔室18、19、20、21，它们是由隔板22、23、24分隔出的。为了冷却导向叶片13，所述腔室18、19、20、21内均充满冷却介质。冷却介质从位于导向叶片13后边缘26范围内的腔室21经间隙25朝箭头方向27排出。
图3为后边缘26与间隙25的放大视图。该间隙25是由隔板28、29隔出的，其厚度为d。冷却介质按照箭头方向27流过间隙25。流量另外取决于间隙25的截面。
图4和图5示意表示所述制造方法的第一实施方式以及不同的精加工方式。图4所示的是一个大致呈楔形的型芯30。与所述型芯30构成隔板28、29的形状在图4中用虚线31表示。
当制造导向叶片13的材料填满之后，进行冷却并完成脱模之后可得到两个侧板28、29，两者之间呈夹角布置。在所示的实施例中，随后对隔板29进行精加工，改变其长度L。有3种不同的方式分别用标号1、2和3表示。根据隔板29的长度，可设定间隙25的不同厚度d1、d2、d3。冷却介质的流量如箭头方向27所示穿过间隙25，通过精加工可使流量达到最佳化，并且与相应的边界条件匹配。
如图6所示，所产生的间隙25整体上具有基本上相等的厚度d2。此处构成了一个近似矩形的截面A。
图7表示另一种方案，采用的型芯30具有多个部段32a、32b、32c。所述部段32a、32c相互平行布置，而部段32b则具有角度。根据相应的边界条件，通过按箭头方向36移动腐蚀工具35可以得到所要求的间隙25的厚度d。由于部段32b的角度位置比部段32a、32c更倾斜，所以可以以相对较大的程度对厚度d加以改变。
在图8至图12中表示出本发明的另一个实施例。其中使用的型芯30在后边缘26的范围内基本上呈矩形。为调整间隙25的截面A，所述型芯30上设置了凹槽33。该凹槽可以如图9所示呈椭圆状，或如图10所示由一个半圆形和一个三角形组成。该凹槽33的大小、截面和间隔同样是根据边界条件给定的。
完成了浇铸后，得到相互平行的隔板28、29，由于存在凹槽33，所以在隔板28、29的内侧产生凸起34。根据精加工的位置，可使凸起34保留不同大小的部分。间隙25随后也得到近似矩形的截面A，其局部通过凸起34收缩到一个厚度上，该厚度用d1或d2表示。因此冷却介质流经的整个截面A可以通过长度的变化而改变，即改变吸入侧隔板29的长度L，以及必要时改变压气侧隔板28的长度。不同的长度L在图11中用附图标记1、2表示。图12表示的是所产生的间隙具有局部变窄的截面A。
图13为本发明所述方法的流程图。首先在步骤I中确定和建立涡轮机叶片13、14的基本形状。完成了脱模后，在步骤II中测定间隙25的截面A。在步骤III中检验该截面A是否适合相应的边界条件。如果不适合，则根据分支0在步骤IV中进行精加工，然后再次进行测量和检验。一旦截面A达到了要求，则根据分支1在步骤V中结束精加工。
间隙25的截面A可以直接测量，例如通过合适的光学方法测量。冷却介质的流量在给定的边界条件下可基于物理原理计算出来。根据计算的结果可以决定是否需要按照步骤IV进行精加工。
一种选择方案是，使涡轮机叶片13、14受到冷却介质作用。然后测量冷却介质穿过间隙25的流量，或者测量冷却介质进入涡轮机叶片13、14的流量。将该测量结果与从边界条件得到的冷却要求进行比较。根据该比较结果在必要时可采取步骤IV的精加工。
本发明可实现涡轮机叶片13、14后边缘26上的间隙25的最佳化。这样可减少冷却介质的消耗并且提高总效率。

Claims (9)

1.一种涡轮机叶片，用于燃气轮机(10)的涡轮机叶片，它具有至少一个可充入冷却介质的腔室(18；19；20；21)，以及位于叶片后边缘(26)上的一个由两个隔板(28，29)限定的用于排出冷却介质的间隙(25)，其特征在于，至少对一个所述隔板(28，29)进行精加工以改变间隙(25)的截面(A)，
其中，所述间隙(25)的截面(A)通过改变至少一个所述隔板(28，29)的长度(L)而改变。
2.如权利要求1所述的涡轮机叶片，其特征在于，对压力侧隔板(29)进行精加工。
3.如权利要求1所述的涡轮机叶片，其特征在于，至少一个所述隔板(28，29)具有凸起(34)，该凸起在间隙(25)内***并可通过精加工改变，从而使间隙(25)的截面(A)改变。
4.如权利要求1所述的涡轮机叶片，其特征在于，所述间隙(25)具有相等的厚度(d)，该厚度可通过精加工改变。
5.如权利要求1所述的涡轮机叶片，其特征在于，所述隔板(28，29)至少在间隙(25)的范围内呈夹角或相互平行布置。
6.如权利要求1至5中任一项所述的涡轮机叶片，其特征在于，至少一个所述隔板(28，29)是用腐蚀方法进行精加工的。
7.一种涡轮机叶片(13，14)的制造方法，所述叶片用于燃气轮机(10)，它具有至少一个可充入冷却介质的腔室(18；19；20；21)，并在其后边缘(26)上有一个由两个隔板(28，29)限定的用于排出冷却介质的间隙(25)，其特征在于，对所述涡轮机叶片(13；14)的后边缘(26)进行精加工以改变至少一个隔板(28，29)的长度(L)，进而改变间隙(25)的截面(A)。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，制造出所述涡轮机叶片(13，14)后，测定间隙(25)的截面(A)，然后根据给定的边界条件进行精加工。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，直接测定截面(A)或者测定冷却介质通过间隙(25)的流量或冷却介质进入涡轮机叶片(13，14)的流量。
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