CN106795770A - 涡轮叶片和涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有内部冷却的涡轮叶片翼型件(3)的涡轮叶片(1)，其中腔体(10)被肋元件(11，12)分成至少一个输送冷却剂(14)的冷却通道(13)，其中材料凹部(29)邻近至少一个在涡轮叶片翼型件壁(5)上的肋元件(11，12)而布置，并被实施为使得在涡轮叶片翼型件(3)内形成的张力能够在围绕所述至少一个肋元件(11，12)的区域(28)中减小。

Description

涡轮叶片和涡轮机
本发明涉及一种具有内部冷却的涡轮叶片翼型件的涡轮叶片，其中腔体由肋元件分成至少一个输送冷却剂的冷却管道，并且其中所述肋元件纵向延伸直到在冷却管道中具有自由端的肋元件端部。
本发明还涉及一种涡轮机，特别是燃气涡轮机，其具有至少一个包括多个涡轮叶片的涡轮级。
通用涡轮叶片、涡轮机和燃气涡轮机从现有技术中已经是众所周知的。
通常，为此目的的涡轮叶片配备有内部冷却的涡轮叶片翼型件，以便能够热和机械地承受涡轮机中、特别是在热燃气涡轮机中普遍存在的高温。特别是在热燃气涡轮机中，涡轮叶片常常经受更高的热负载和机械负载，在该情况下，无论涡轮叶片是涡轮机的定子叶片还是转子叶片几乎不相关。为了允许改进涡轮叶片的冷却，这种类型的内部冷却的涡轮叶片翼型件具有腔体，冷却剂可以通过该腔体被输送。在该腔体中通常另外布置有肋元件或多个肋元件，以便在腔体中形成至少一个往往具有弯曲的冷却管道轮廓的冷却管道。特别地，如果涡轮叶片翼型件的前侧表面和涡轮叶片翼型件的后侧表面较不热平衡，则在这方面，涡轮叶片翼型件的前侧壁和相应的后侧壁在加强涡轮叶片翼型件的肋元件的区域中都可能经历高的热机械负载。这可能导致涡轮叶片翼型件中的部分临界应力状态，结果，涡轮叶片在一些区域中暴露于特别不利的负载状态，这可能随着时间加速在那些位置中的材料疲劳。在这方面特别值得注意的是，在肋元件与涡轮叶片翼型件的前或后侧壁之间的过渡区域。
本发明的目的是进一步开发通用涡轮叶片，以便克服至少上述缺点。
本发明的目的通过具有内部冷却的涡轮叶片翼型件的涡轮叶片来实现，其中腔体由至少一个肋元件分成至少一个输送冷却剂的冷却管道，其中所述肋元件纵向延伸直到在冷却管道中具有自由端的肋元件端部，其中在涡轮叶片翼型件壁的内侧上，材料凹部邻接于所述肋元件的肋元件端部布置，且材料凹部被构造成使得在涡轮叶片翼型件中产生的应力在围绕至少一个肋元件的区域中减小。
由于本发明减少或节省了在肋元件周围的区域中的材料，可以显著减小在肋元件与涡轮叶片的外壁(也就是说前和/或后侧壁)之间的过渡区域中、在前侧或后侧本身、而且在肋元件本身中的应力，特别是热机械原因的应力，由此可以显著地延迟因此关键区域中的材料疲劳。
特别地，由于涡轮叶片翼型件的吸入侧与压力侧之间的温度差异而导致的热机械应力可以在涡轮叶片翼型件的关键区域中显著减小。
当然，在当前情况下不仅可以将单个材料凹部、而且可以将多个材料凹部布置在叶片翼型件外壁之一中(在肋元件附近)，以便更好地抵抗材料疲劳。
有利地，本发明的材料凹部被构造成使得其能够在肋元件内、在实际的肋元件与涡轮叶片翼型件的前侧壁和/或涡轮叶片翼型件的后侧壁之间的过渡区域中，而且在涡轮叶片翼型件的实际外壁中改善应力分布。因此，可以实现至少10％或优选地大于20％或25％的应力减小，特别是在围绕肋元件端部的关键周围区域或区中。
在本发明的上下文中，术语“材料疲劳”特别地包括疲劳裂纹形成，其特别是由于叶片翼型件材料的热机械疲劳所产生的。
这种情况的具体示例是与低负载循环数相关的低循环疲劳(LCF)，即短时间尺度或低负载循环疲劳。在当前情况下，与先前的一般负载循环数相比，可能的负载循环数目可以增加到多于两倍，特别是多于三倍。
在任何情况下，根据本发明，通过在围绕肋元件的区域中提供相应的材料凹部，能够实现的负载循环的数目可以显著增加，并且因此特别地可以显著减少过早LCF的风险。已经表明，根据本发明的材料凹部可以显著地增加涡轮叶片在这方面的LCF寿命预期。
一个优选的实施例变型提出，材料凹部布置在围绕肋元件端部的区域中，该肋元件端部在冷却通道中具有自由端。更多和/或更大的热机械应力可以尤其在围绕肋元件端部的区域中产生，该肋元件端部在涡轮叶片翼型件腔体中具有自由端，在该处它们可以造成更快的材料疲劳。
特别优选的实施例变型提出，材料凹部布置在涡轮叶片翼型件壁上，并在肋元件端部的头部侧的轴向前面，该肋元件端部在冷却管道中具有自由端。换言之：材料凹部邻近肋元件端部的头部侧布置，使得材料凹部布置在肋元件沿其纵向延伸的假想延伸部中。更高的临界应力状态尤其可以在肋元件端部的轴向前方的区域中产生，这也形成冷却管道的内部弯曲极限，该应力状态随后导致在该点处的过早的材料疲劳。
如果材料凹部定位在肋元件端部的头部侧的轴向前面，则可以更有利地减小在涡轮叶片翼型件中产生的热机械应力。
当然，材料凹部可布置在距离肋元件不同的距离处，特别是与肋元件端部不同的距离处，特别是考虑到各种涡轮叶片的不同设计。为了能够方便地在涡轮叶片翼型件内引导应力，为了避免快速材料疲劳，特别有利的是，材料凹部布置在涡轮叶片翼型件壁上，该材料凹部与肋元件间隔小于30mm或小于20mm，优选小于10mm。
在该情况下，材料凹部可以延伸直到肋元件或甚至进入肋元件。在后一方案中，肋元件可以具有材料凹部的至少一部分。然而，优选地，材料凹部布置在距离肋元件大于1mm或大于5mm的距离处。
优选地，材料凹部被构造成涡轮叶片翼型件壁的厚度的至少部分减小。材料凹部例如是壳形的。
在这方面，有利的是，本发明的材料凹部例如被布置为涡轮叶片翼型件外壁中的空缺。
如上所述，材料凹部可以具有不同的结构。特别有利的是，材料凹部被构造成涡轮叶片翼型件壁中的至少一个凹形空缺。凹形空缺对涡轮叶片翼型件的空气动力学几乎没有影响或没有影响。
此外有利的是，材料凹部被构造在涡轮叶片翼型件壁的内侧上。特别地，凹形材料凹部使得能够有利地重新引导围绕肋元件的区域中的热机械应力，特别是在涡轮叶片翼型件外壁内。此外，在涡轮叶片翼型件外壁的朝向腔体或冷却管道的内侧上设置的材料凹部在流体动力学方面是最不明显的。
关于涡轮叶片翼型件中的温度分布，有利的是，材料凹部布置在涡轮叶片翼型件的后侧壁上。
当然，本发明的材料凹部可以以各种几何基部区域形状形成。
有利的是，材料凹部的基部区域形状是圆形或椭圆形。根据涡轮叶片翼型件内的肋元件的轮廓，不同的基部区域形状可能是有利的。
因此，可选地，如果材料凹部的基部区域形状是直且细长的或弯曲且细长的，则是有利的。
如果证明对于肋元件轮廓和/或肋横截面或类似结构，或对于涡轮叶片翼型件平台是有利的，则材料凹部也可具有这些的组合的基部区域形状，或完全不同的基部区域形状。
例如，材料凹部的特征在于被引入到涡轮叶片翼型件外壁的内侧的槽形或壳形凹部。
由于涡轮叶片翼型件的具有增加的材料疲劳风险的区域特别是在围绕肋元件端部的区域中存在，该肋元件端部的自由端在冷却管道中，所以有利的是，本材料凹部布置在冷却剂管道的反向区域中。
在此，冷却剂通道的反向区域对应于冷却剂通道的弯曲冷却通道轮廓的弯曲部。
本发明的目的还通过具有至少一个包括多个涡轮叶片的涡轮级的涡轮机，特别是燃气涡轮机来实现，其中，该至少一个涡轮级包括多个根据这里描述的特征之一的涡轮转子叶片和/或涡轮定子叶片。
其涡轮叶片由于材料疲劳而负载较小或受危害较小的涡轮机不仅可以以更可靠操作且低维护的方式操作，而且其总体上具有更长的使用寿命，因此操作更经济。
本发明的材料凹部不仅能够延长涡轮叶片的预期寿命，而且用于制造这种类型的涡轮叶片的现有的铸造工具不需要小的设计变化就能制造根据本发明的涡轮叶片。
本发明的进一步特征、效果和优点将通过附图和下面的描述进行说明，所述附图和描述通过示例的方式示出并描述了涡轮叶片翼型件，其具有在位于冷却管道内的肋元件的肋元件端部的区域中布置的材料凹部。
在图中：
图1示意性地示出了涡轮叶片翼型件的局部视图，在纵向截面中，肋元件界定了冷却管道，材料凹部形成在涡轮叶片翼型件的内侧上，在其肋元件端部的前面；以及
图2示意性地示出了穿过图1所示的涡轮叶片的横截面。
在图1和图2中至少部分地示出的涡轮叶片1是热燃气涡轮机(这里未示出)的转子叶片2。
涡轮叶片1具有内部冷却的涡轮叶片翼型件3，在这里示出了涡轮叶片翼型件3的前侧壁5的内侧4(图1)。
如图1的图示所示，涡轮叶片翼型件3的前缘区域6在右手侧上。因此，在左手侧上的是涡轮叶片翼型件3的后缘区域7，在该后缘区域7上存在多个冷却空气出口孔8(仅作为示例编号)。特别是在图2中，后缘区域7仅部分地示出。
在任何情况下，涡轮叶片翼型件3具有腔体10，其中在该情况下，该腔体10在图1中仅部分地由内侧4示出。
腔体10特别地包括两个肋元件11和12，它们在腔体10内形成具有弯曲的冷却管道轮廓的高度盘旋的冷却管道13。沿着盘旋冷却管道13或其弯曲的冷却管道轮廓，作为冷却剂的冷却空气能够被输送通过涡轮叶片翼型件3，以便从内侧冷却该涡轮叶片翼型件。
在部分示出的冷却管道13的情况下，来自根部区域并且由此来自涡轮叶片根部15的开口14(仅在图2中示出)方向的冷却空气基本上直接流过朝向前缘区域6定向的第一冷却管道区域16以及朝向后缘区域7定向的另一冷却管道区段17。
盘旋冷却管道13的弯曲的冷却管道轮廓(至少显示在所示的局部视图的区域中)特别地由两个肋元件11和12构成，其中第一肋元件11在空间上将两个冷却管道区段16和17彼此隔开。
在当前情况下，第一肋元件11以其在冷却管道13中，特别是在反向区域19中自由的肋元件端部24(由其头部侧23限定)结束。
特别是在围绕肋元件端部24的区域28中，特别是在第一肋元件11与涡轮叶片翼型件3的前侧壁5和/或涡轮叶片翼型件3的后侧壁之间的过渡区域中，存在临界的热机械应力状态的风险，这可能导致材料疲劳增加。
为此，在内侧4上围绕肋元件端部24的区域28中形成材料凹部29，以便在围绕肋元件端部24的该区域28中实现有利的应力减小。
在该示例性实施例中，材料凹部29布置在肋元件端部24的轴向前方，距离头部侧23小于10mm。
这里，在涡轮叶片翼型件3的前侧壁5的内侧4上，材料凹部29被挖掘为具有基本上椭圆形的基部区域(未明确标号)的凹入的槽形空缺30。
在这方面，材料凹部29还表示涡轮叶片翼型件3的前侧壁5的厚度的部分减小。
当然，在这方面相同或相似的材料凹部29或壁厚度的部分减小，可以可选地或附加地设置在涡轮叶片翼型件3的后侧壁(这里未示出)上，在相同的、相对位置或偏移位置。
此外，还存在其他加强和引导肋元件37(仅作为示例编号)和加强腹板元件38(仅通过示例编号)，并且为较薄后缘区域7中的涡轮叶片翼型件3提供额外的稳定性。
在前缘区域6中设置有另一加强肋40，该另一加强肋40设置有孔39。
虽然已经通过优选的示例性实施例更详细地描述和示出了本发明，但是本发明不受所公开的示例性实施例的限制，并且本领域技术人员可以从中导出其他变型，而不脱离保护范围。

Claims (12)

1.一种具有内部冷却的涡轮叶片翼型件(3)的涡轮叶片(1)，其中腔体(10)被至少一个肋元件(11，12)分成至少一个输送冷却剂(14)的冷却管道(13)，其中所述肋元件(11，12)纵向延伸直到在所述冷却管道(13)中具有自由端的肋元件端部(24)，
其中，在涡轮叶片翼型件壁(5)的内侧上，材料凹部(29)紧邻所述肋元件(11，12)的所述肋元件端部(24)布置，所述材料凹部(29)被构造成使得在所述涡轮叶片翼型件(3)内产生的应力能够在包围所述至少一个肋元件(11，12)的区域(28)中减小。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶片(1)，
其中所述材料凹部(29)布置在围绕在所述冷却管道(13)中具有自由端的所述肋元件端部(24)的区域(28)中。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片(1)，其中所述肋元件端部(24)包括头部侧(23)，并且所述材料凹部(29)邻近所述头部侧(23)布置，使得所述材料凹部(29)布置在所述肋元件(11)沿其纵向长度的假想延伸部中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的涡轮叶片(1)，其中所述材料凹部(29)布置在涡轮叶片翼型件壁(5)上，与所述至少一个肋元件(11，12)间隔小于30mm或小于20mm，优选小于10mm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮叶片(1)，其中所述材料凹部(29)被构造成涡轮叶片翼型件壁(5)的厚度的至少部分减小。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮叶片(1)，其中所述材料凹部(29)被构造成涡轮叶片翼型件壁(5)中的至少一个凹形空缺(30)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的涡轮叶片(1)，其中所述材料凹部(29)被构造在涡轮叶片翼型件壁(5)的所述内侧(4)上。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的涡轮叶片(1)，其中所述材料凹部(29)布置在所述涡轮叶片翼型件(3)的所述前侧壁(5)上。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的涡轮叶片(1)，其中所述材料凹部(29)的基部区域形状是圆形或椭圆形。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的涡轮叶片(1)，其中所述材料凹部(29)的基部区域形状是直且细长的，或弯曲且细长的。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的涡轮叶片(1)，其中所述材料凹部(29)布置在所述冷却管道(13)的反向区域(19)中。
12.一种涡轮机，特别是燃气涡轮机，具有包括多个涡轮叶片(1)的至少一个涡轮级，其中所述至少一个涡轮级包括多个根据前述权利要求中任一项所述的涡轮叶片(1)的涡轮转子叶片和/或涡轮定子叶片。
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