CN105089709A - 具有改进的冷却的翼型件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃气涡轮的翼型件,其包括形成在翼型件的内冷却通道上的改进的湍流器布置。根据本发明的优选实施例,为了确保通道内的冷却流关于各个湍流器的恒定角,形成在湍流器与垂直轴线之间的角有利地在弯曲区域中针对每个湍流器改变。此外,相同原理可应用于翼型件内出现的所有冷却通道。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于燃气涡轮的翼型件,其包括形成在翼型件的内冷却通道中的改进的湍流器布置。
背景技术
如公知的,燃气涡轮或大体上构造成借助于精心制作热气流来获得有用功的机器包括配置成用于此类功能的构件如翼型件。在机器操作期间,翼型件需要冷却,以便将它们的零件的温度保持在可接受极限内。出于该原因,翼型件大体上包括沿纵向延伸的内部通道或导管,其构造成接收冷却空气。通常,翼型件包括以蛇线型构造连接于彼此的多个内通道。具体而言,冷却空气进入在第一通道中的冷却回路中,其位于前缘附近,该前缘为具有高外部热负载的翼型件的部分,并且通过冷却通道离开回路,该冷却通道继而位于后缘附近。
在通道内,湍流促进器或湍流器为如下器件,该器件通常配置成以便在冷却通道的内壁附近生成湍流,因此加强了冷却流与翼型件之间的热交换,并且因此改进了冷却性能。
湍流器大体上以设置在冷却通道的内壁上的肋条形元件的形式提供。
影响翼型件与冷却流体之间的热交换的参数中的一个为形成在沿着翼型件的纵轴线的冷却空气流的方向与湍流器之间的角。对于具有直纵轴线的翼型件,肋条保持沿垂直轴线恒定倾斜,并且此类角在整个冷却通道上是恒定的。
然而,为了改进涡轮效率,翼型件可为三维形的,意思是其纵轴线可弯曲并且偏离垂直轴线,该垂直轴线为构件设计轴线,并且其大体上涉及燃气涡轮的放置。此类曲率通常主要在翼型件的前缘部分附近最显著。
因此,以相对于垂直轴线的固定倾斜来沿冷却通道的内壁布置肋条导致了较弱的冷却性能,因为其中纵轴线弯曲的区域特征在于由肋条和冷却空气流的方向形成的角的减小。如上文指出的,此类角为用于冷却***的效率的驱动参数。
此外,仍根据已知翼型件,为用于热传递的另一个驱动参数的随后的肋条之间的距离或肋条与肋条的节距沿垂直轴线保持恒定。类似地,对于具有3D弯曲形状的翼型件的此类已知几何形状导致了通常称为P的肋条与肋条节距的变化。具体而言,这导致了甚至更高的节距,并且关于有效肋条角,进一步减小了那些被影响的区中的热传递。
因此,标准设计途径提供了特别用于具有弯曲轮廓的翼型件的不足冷却。此外,标准途径导致沿弯曲导管的不均一的冷却,因为在具有最弯曲形状的区域中,热传递相比于直部分较低。
用于标准设计的可能的对策将为增加冷却空气消耗。然而,配置在冷却导管内的湍流器的几何形状将仍相同,并且因此这将导致相比于直部分的3D形状区域中的较低冷却性能,并且沿导管的不均一的冷却将仍存在。此外,增加冷却空气流,这将翼型件的弯曲部分中的金属温度保持在预定值内,将不可避免地降低涡轮效率和功率。
发明内容
本发明的目的在于通过提供如独立权利要求1中大致限定的创新翼型件来解决前述技术问题。
优选实施例在对应的从属权利要求中限定。
根据本发明的优选实施例,其将仅出于示范而非限制的目的在以下详细描述中描述,以便确保通道内的冷却流关于各个湍流器的恒定角,形成在湍流器与垂直轴线之间的角在弯曲区域中有利地针对每个湍流器改变。此外,相同原理可应用于翼型件内出现的所有冷却通道。
此外,根据本发明的优选实施例,两个随后的湍流器之间的相对倾斜的最大变化将不超过3°,因为否则肋条的前缘与后缘处的节距之间的较高变化将导致较低冷却性能。
最后,随后的湍流器之间的距离或节距改变成使节距保持沿冷却流动路径恒定,同时沿垂直轴线变化。
附图说明
本发明的前述目的和所附优点中的许多个在其通过参照连同附图进行时的以下详细描述而变得更好理解时变得更容易认识到,在该附图中:
图1为根据本发明的用于燃气涡轮的翼型件的透视图;
图2为图1的翼型件的截面视图;
图3和4示意性地示出了具有根据本发明的湍流器布置(左侧)对根据现有技术的布置(右侧)的翼型件的截面视图;
图5示意性地强调了根据本发明的包括湍流器布置的翼型件的优选实施例;以及
图6示出了根据本发明的翼型件的侧向截面视图。
具体实施方式
参照图1,其示出了用于燃气涡轮的根据本发明的翼型件的外部视图,该翼型件大体上以附图标记1表示。翼型件1包括内部冷却回路(图1中不可见),其具有用于在其结构内吹送冷却流体(其通常是从发动机的压缩机放出的空气)的入口11,以及作为冷却回路的端部处的出口的压力侧放出部12。
接下来参照图2,示出了翼型件1的横截面。具体而言,图2的横截面展现出以蛇线型构造连接于彼此的内冷却通道2,21和22的存在。内通道2位于翼型件的前缘部分附近,而内通道22位于翼型件1的后缘附近。内通道21为定位在通道2与通道22之间的中间通道。将认识到的是,翼型件还可包括不同类型的冷却回路,其甚至可仅包括一个冷却通道。
从现在起将参照前缘内通道2,但将认识到的是,相同描述将适用于冷却回路的每个通道。如附图中可见,冷却通道2限定纵轴线a,并且包括第一下部(其可附接于未绘出的燃气涡轮的转子体)和上部。具体而言,下部为大致直的,并且沿所述部分的纵轴线a与垂直轴线z大致对准,大体上关于与燃气涡轮的设计轴线相关的垂直方向。不同地,上部在其三维发展中扭转,并且所述部分中的纵轴线a显著地偏离垂直轴线z,如在附图中清楚地可见。为了在冷却通道内生成湍流并且促进冷却流与翼型件之间的热交换,多个沿纵向间隔开的湍流器沿通道提供。作为非限制性实例,将参照随后的湍流器51和52,如在附图中指出。在该优选实施例中,湍流器以肋条形状元件的形式提供。然而,可考虑其它形状。
现在参照图3的左侧,示意性地示出了根据现有技术的沿冷却通道的肋条形元件或肋条的典型布置。具体而言,肋条设置成相对于垂直轴线z恒定倾斜。然而,通道的上部扭转,并且因此纵轴线a偏离其。由于通道内放出的冷却流沿着由导管的纵轴线a限定的方向,故此类布置导致具有流与通道的上弯曲部分内的肋条之间的较小倾斜角θ,以及下部中的较大倾斜角θ。沿通道的此类倾斜角的变化导致沿导管的不均一的冷却性能。
参照图3的右侧,示出了根据本发明的沿冷却通道2的肋条布置。具体而言,各个肋条相对于垂直轴线z的倾斜现在改变成使得形成在肋条与纵轴线a(其与冷却流的方向对准)之间的倾斜角α沿内冷却通道2大致恒定。更优选的是,角α可沿导管在平均值周围﹢/-3°的范围内变化。已经评估了满足冷却性能可在倾斜角α选定成在40°到70°的范围内时实现,如果角在上述范围内变化,则其旨在为平均值。更优选的是,角选定成在45°到60°的范围之间。在优选实施例中,倾斜角α为大致60°。
现在参照以下图4,示意性地示出了本发明的又一个优选实施例。在左侧又绘出了根据现有技术的肋条布置。具体而言,可认识到的是,肋条沿通道布置,使得随后的肋条之间的距离或节距沿垂直轴线z恒定。在右侧上示出了根据本发明的肋条布置。根据本发明,有利的是,肋条现在在彼此之间沿纵轴线a的方向相等地间隔开,使得在附图中以标记P指出的、随后的肋条之间的纵轴线a上确定的节距沿冷却通道恒定。
现在参照图5,作为优选,两个随后的肋条的设置(在附图的实例中,仅示出了肋条51和52),其并未具有在附图中以附图标记31指出的前缘节距与继而以附图标记32指出的后缘节距之间的较大差异。这实现来保持第二倾斜角β的值,其测量了大致等于或小于3°的两个随后的湍流器51和52之间的相对倾斜的变化。利用该进一步优选的约束,肋条布置的最佳几何形状可实现,导致了在燃气涡轮的操作期间的翼型件的最佳冷却性能。
现在参照最后的图6,其示意性地示出了根据本发明的翼型件的冷却通道2的侧向截面视图。冷却通道2由压力侧壁41和与其相对的吸入侧壁42限定。在压力侧壁41上,描绘为实例的肋条51和52以节距P间隔开,如在之前的图4中指出的。类似地,面对的壁42继而包括一系列肋条。在附图中,示出了肋条51'和52'。在此处示为非限制性实例的优选实施例中,分布在压力侧壁41上的肋条关于分布在相对吸入侧壁42上的肋条交错。作为优选,随后的相对肋条(例如,51和51')之间的距离选择成等于P/2,其为节距的一半。
仍参照图6,肋条的几何形状由参数e和w进一步限定,参数e和w分别为肋条的高度和宽度。具体而言,第一参数限定为肋条的节距与高度之间的比。第一参数P/e选定在5到12的范围内。作为优选,第一参数P/e的选定值为8。
然而,第二参数限定为肋条的宽度与高度之间的比。第二参数w/e选定在0.8到1.2的范围之间。作为优选,第二参数w/e的选定值为1.0。
最后,肋条优选在侧向截面中具有梯形,并且限定拔模角γ,其根据优选实施例选定在2°到5°的范围内(在附图中仅为了清楚的目的增大了角的尺寸)。
尽管关于优选实施例完整描述了本发明,但明显的是,改型可引入在其范围内,并未认为应用由这些实施例限制,但由以下权利要求的内容限制。
Claims (11)
1.用于燃气涡轮的翼型件(1),所述翼型件(1)包括沿纵轴线(a)布置的至少一个内冷却通道(2),所述至少一个冷却通道(2)具有弯曲部分,其中所述纵轴线(a)弯曲并且偏离所述燃气涡轮的设计轴线的垂直轴线(z),所述翼型件(1)包括多个沿纵向间隔开的湍流器(51,52),其分布在所述内冷却通道(2)的至少一个壁(41)上,并且倾斜成使得各个湍流器(51,52)与所述纵轴线(a)形成倾斜角(α),所述翼型件(1)的特征在于,各个湍流器(51,52)的倾斜改变成使得所述倾斜角(α)沿所述纵轴线(a)大致恒定。
2.根据前述权利要求所述的翼型件(1),其特征在于,所述倾斜角(α)沿所述纵轴线(a)在平均值周围+/-3°的范围内变化。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的翼型件(1),其特征在于,所述倾斜角(α)选定成在40°到70°的范围内。
4.根据前述权利要求中任一项所述的翼型件(1),其特征在于,所述倾斜角(α)大致恒定并且等于60°。
5.根据前述权利要求中任一项所述的翼型件(1),其特征在于,所述湍流器(51,52)沿所述内冷却通道(2)的纵轴线(a)的方向在彼此之间相等地间隔开,使得在随后的湍流器(51,52)之间的在所述纵轴线(a)上确定的节距沿所述内冷却通道(2)恒定。
6.根据前述权利要求中任一项所述的翼型件(1),其特征在于,关于两个随后湍流器(51,52)之间的相对倾斜的变化的第二倾斜角(β)大致等于或小于3°。
7.根据前述权利要求中任一项所述的翼型件(1),其特征在于,所述翼型件(1)包括多个内冷却通道(2,21,22)。
8.根据前述权利要求所述的翼型件(1),其特征在于,所述多个内冷却通道(2,21,22)以蛇线型构造串联连接于彼此。
9.根据前述权利要求中任一项所述的翼型件(1),其特征在于,所述湍流器(51,52)为肋条形元件。
10.根据前述权利要求中任一项所述的翼型件(1),其特征在于,所述冷却通道(2)由两个相对壁(41,42)限定,所述翼型件(1)还包括分布在所述壁(42)上的湍流器(51',52'),其中分布在壁(41)上的湍流器(51,52)关于分布在相对壁(42)上的湍流器(51',52')交错。
11.燃气涡轮的转子,其特征在于,其包括根据前述权利要求中任一项所述的翼型件(1)。
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