CN108979735A - 用于燃气涡轮机的叶片和包括所述叶片的燃气涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于燃气涡轮机的叶片和包括所述叶片的燃气涡轮机。用于燃气涡轮机（5）的旋转叶片配有：根部（17），其构造成耦接到燃气涡轮机（5）的绕燃气涡轮机（5）的轴线（A）旋转的盘；耦接到根部（17）的平台（20）；从平台（20）延伸并设有与根部（17）或平台（20）径向相对的末端（23）的翼型件（18）；翼型件（18）包括前缘（27）、后缘（28）、压力侧（25）和吸力侧（26）；从吸力侧（26）和/或压力侧（25）突出的至少一个缓冲器（22；22a、22b；122）；缓冲器（22；22a、22b；122）成形为产生朝向根部（17）的向心力，其抵抗在叶片（15）耦接到的盘旋转期间产生的离心力。

Description

用于燃气涡轮机的叶片和包括所述叶片的燃气涡轮机

技术领域

本发明涉及用于燃气涡轮机的叶片和包括所述叶片的燃气涡轮机。特别地，根据本发明的燃气涡轮机是连接到电网的电力生产设备的一部分。

背景技术

如已知的，电力生产设备包括至少一个燃气涡轮机，该至少一个燃气涡轮机以来自至少一个燃烧室的热气体工作流体来供应。一般来说，燃气涡轮机包括至少一排周向隔开的转子叶片，这些转子叶片从绕燃气涡轮机的轴线旋转的相应转子盘径向向外延伸。

随着燃气涡轮机的尺寸增大，并且更具体而言，随着进入到该燃气涡轮机中的热工作流体的量增加，设备所产生的功率增加。

然而，燃气涡轮机的通道的尺寸受到布置在通道内的燃气涡轮机转子叶片的可操作长度的限制。

实际上，长的转子叶片会引起高机械负载。而且，在转子叶片中，长度越长，固有频率就越低。这可导致在燃气涡轮机的操作期间长转子叶片的振动响应增加。

为了优化长涡轮叶片的振动和气动弹性行为，缓冲器（snubber）通常被应用在转子叶片的翼型件上。文献US 5695323中公开了缓冲器的示例。

然而，采用已知的缓冲器类型会导致在燃气涡轮机的旋转盘上的以及在到转子盘的叶片附接件上（在叶片侧和盘侧二者上）的负载的增加。

结果，叶片的长度受到盘和叶片附接件的负载能力的限制。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种叶片，其使得能够避免或至少减轻所描述的缺点。特别地，本发明的一个目的在于提供一种叶片，其被设计成减小转子盘上和叶片附接件（blade attachment）上的负载。以这种方式，可以采用较长的叶片，以便增加燃气涡轮机所产生的功率。

根据本发明，提供了一种用于燃气涡轮机的旋转叶片，其包括：

• 根部，其构造成耦接到所述燃气涡轮机的绕所述燃气涡轮机的轴线旋转的盘；耦接到所述根部的平台；

• 翼型件，其从所述平台延伸，并且设有与所述根部或所述平台径向相对的末端；所述翼型件包括前缘、后缘、压力侧和吸力侧；

• 从所述吸力侧和/或所述压力侧突出的至少一个缓冲器；所述缓冲器被成形为产生朝向所述根部的向心力，所述向心力抵抗在所述叶片所耦接到的所述盘的旋转期间产生的离心力。

以这种方式，减小了叶片的根部和附接件上的负载。

根据本发明的一个优选实施例，所述缓冲器基本上沿周向方向从所述吸力侧和/或所述压力侧突出。

根据本发明的一个优选实施例，所述缓冲器具有上游边缘和下游边缘、面向所述末端并且从所述上游边缘延伸到所述下游边缘的上部面以及面向所述根部并且从所述上游边缘延伸到所述下游边缘的下部面；所述缓冲器被成形为使得在使用中，在所述燃气涡轮机中流动的热工作流体的压力在于所述上部面上通过期间增加，并且在沿所述下部面通过期间减小，以便在所述叶片上朝向所述根部产生向下的力。

根据本发明的一个优选实施例，上表面是凹的。

根据本发明的一个优选实施例，下表面是凸的。

根据本发明的一个优选实施例，所述翼型件的所述前缘与所述缓冲器的所述上游边缘之间的距离小于所述缓冲器的所述下游边缘与所述翼型件的所述后缘之间的距离。

以这种方式，所述上游边缘位于其中热气体工作流体流具有适中的马赫数的区域中。这对于减少气动损失是有益的。

根据本发明的一个优选实施例，所述缓冲器具有朝向所述下游边缘逐渐变细的径向剖面。

根据本发明的一个优选实施例，所述缓冲器的轴向长度具有如下值，即：所述值包含在于所述缓冲器所在的径向高度处测量的所述翼型件的轴向长度的10%和60%之间。

根据本发明的一个优选实施例，所述缓冲器在从所述翼型件的翼展的50%延伸至所述翼展的80%的所述翼型件的区域中从所述翼型件突出。

根据本发明的一个优选实施例，所述叶片包括从所述吸力侧和/或所述压力侧突出的至少一个另外的缓冲器，所述至少一个另外的缓冲器成形为朝向所述根部产生另外的向心力。

根据本发明的一个优选实施例，所述叶片包括从所述吸力侧突出的第一缓冲器和从所述压力侧突出的第二缓冲器；所述第一缓冲器和所述第二缓冲器设有相应的第一端面和第二端面；所述第一端面和所述第二端面是互补的。

此外，本发明的另一个目的在于提供一种具有改进的功率和/或效率的燃气涡轮机。

根据所述目的，本发明涉及一种包括至少一排旋转叶片的燃气涡轮机；所述至少一排的旋转叶片中的至少一个为权利要求1-19中任一项所述的类型的叶片。

附图说明

现在将参照附图来描述本发明，这些附图图示了一些非限制性实施例，其中：

- 图1是包括根据本发明的燃气涡轮机的电力生产设备的示意性侧视图，其中，部分为了清楚起见被去除，并且部分以剖视图示出；

- 图2是根据本发明的用于燃气涡轮机的叶片的示意性透视图，其中部分为了清楚起见被去除；

- 图3是图2的叶片的示意性侧视图，其中部分为了清楚起见被去除；

- 图4是沿平面IV-IV的图2的叶片的细节的剖面图；

- 图5是如在使用构型中的并排布置的两个根据本发明的叶片的示意性透视图；

- 图6是根据另一实施例的叶片的沿平面IV-IV的叶片的细节的剖面图。

具体实施方式

在图1中，附图标记1指示用于电能生产的燃气涡轮机设备，该燃气涡轮机设备包括压缩机3、燃烧器4、涡轮机5和发电机7，该发电机7将由涡轮机5供应的机械功率转化成待供应到电网8的电功率，该电网8经由开关9连接到发电机7。

未示出的变体提供如下设备1，即：该设备1将为联合循环类型的设备，并且除燃气涡轮机5和发电机7之外还包括蒸汽涡轮机。

燃气涡轮机5沿纵向轴线A延伸并且设有轴10（也沿轴线A延伸），压缩机3和发电机7也连接到该轴10。

燃气涡轮机5包括扩展通道12，其中，来自燃烧器4的热气体工作流体沿方向D流动。

扩展通道12具有在方向D上沿轴线A径向增大的剖面。

在扩展通道12中，布置有沿纵向轴线A隔开的多个级13。每一级13包括一排固定叶片和一排旋转叶片（图1中未示出）。每一排包括径向向外延伸的周向隔开的叶片。

在图2中，描绘了燃气涡轮机5的级13的旋转叶片15。

叶片15包括根部17、翼型件18、平台20和至少一个缓冲器22。

根部17被构造成耦接到燃气涡轮机5的绕轴线A旋转的盘（在附图中未示出）。特别地，该盘具有多个轴向座，这些轴向座周向隔开并且由旋转叶片15的相应的根部17接合。

翼型件18从平台20延伸并且设有末端23，该末端23在使用中与根部17径向对置。

翼型件18被完全收容在扩展通道12中，并且限定旋转叶片15的空气动力学轮廓。

翼型件18具有凹的压力侧25和凸的吸力侧26，该压力侧25和吸力侧26在使用中在前缘27和后缘28之间轴向延伸，并且在根部17和末端23之间径向延伸。

前缘27沿扩展通道12中的热工作流体的方向D处于后缘28的上游。

平台20被布置在根部17和翼型件18之间。

缓冲器22优选地沿周向方向从吸力侧26和/或压力侧25突出。

在本文所描述和图示的非限制性示例中，旋转叶片15包括两个缓冲器22：从吸力侧26向外侧延伸的缓冲器22a和从压力侧25向内侧延伸的缓冲器22b。

优选地，缓冲器22a、22b基本上沿相同的周向方向突出。

除了缓冲器22a的端面30a具有与缓冲器22b的端面30b互补的形状之外，缓冲器22a和缓冲器22b基本上相同。

以这种方式，当如图5中所示旋转叶片15耦接到转子盘并且并排布置时，旋转叶片15的端面30a基本上接合相邻的旋转叶片15的端面30b。

在本文所描述和图示的非限制性示例中，端面30a和端面30b具有基本上互锁的形状。然而，根据未示出的变体，端面30a和端面30b可以是平坦的平行面。

如本文所描述和图示的非限制性示例中那样，旋转叶片15包括基本上相同的缓冲器22a和缓冲器22b，在下文中我们将仅描述涉及通用的缓冲器22的特征。需要理解的是，下面关于缓冲器22的特征可以被认为也存在于缓冲器22a和/或缓冲器22b中。

缓冲器22被成形为产生朝向根部17的向心力，该向心力抵抗在旋转叶片15所耦接到的盘的旋转期间产生的离心力。

换句话说，缓冲器22被成形为产生气动力，该气动力具有与离心力相反的方向，以便减小盘上和叶片附接件上（特别是沿根部17）的负载。

参照图2-4，缓冲器22具有：上游边缘33和下游边缘34（考虑扩展通道12中的热工作流体的方向D）；面向末端23并且从上游边缘33延伸至下游边缘34的上部面（upper face）35；以及面向根部17并且从上游边缘33延伸至下游边缘34的下部面（lower face）36。

优选地，缓冲器32被成形为使得在使用中，在扩展通道12中流动的热工作流体的压力在于上部面35上通过期间增加，并且在沿下部面36通过期间减小，以便在叶片15上朝向根部17产生向下的力。

优选地，上部面35是凹的。

优选地，下部面36是凸的。

在本文所描述的非限制性示例中，翼型件18的前缘27与缓冲器22的上游边缘33之间的距离D1小于缓冲器22的下游边缘34与翼型件18的后缘28之间的距离D2。距离D1和D2二者都沿轴向方向测量。

以这种方式，上游边缘33位于其中热气体工作流体流具有适中的马赫数（Machnumber）的区域中。这对于减少气动损失是有益的。

优选地，缓冲器22具有朝向下游边缘34逐渐变细的径向剖面（在图4中更加可见）。以这种方式，下游边缘34处的气动损失被最小化。

图4中所示的弧线C和沿弧线C的轮廓厚度分布（通过图4中横向于弧线的虚线来表示）限定了缓冲器22的空气动力学形状。

优选地，缓冲器入口金属角（snubber inlet metal angle）α与叶片15的子午向入口流动角（meridional inlet flow angle）γ（图3中所示）基本上对准。

缓冲器入口金属角是在弧线C于上游边缘33处的切线与轴向方向A之间限定的角度。

叶片15的子午向入口流动角γ是在通过直径线和轴线A切割涡轮机5的子午面上测量的在翼型件前缘27处的缓冲器的特定径向位置处的径向流动角。

优选地，上游边缘33处的缓冲器入口金属角α被包含在0°-30°之间。

优选地，下游边缘34处的缓冲器出口金属角（snubber exit metal angle）β基本上被包含在10°和50°之间。

缓冲器出口金属角β是在弧线C于下游边缘34处的切线与涡轮机轴向方向A之间限定的角度。

优选地，缓冲器出口金属角β大于缓冲器入口金属角α。

优选地，缓冲器22的轴向长度L1具有如下值，即：该值包含在于缓冲器22所在的径向高度处测量的翼型件18的轴向长度L2的10%和60%之间。优选地，缓冲器22在一定径向高度处从翼型件18突出，该径向高度包含在从翼型件18的翼展S的50%延伸至翼展S的80%的翼型件18的区域中。其中，翼展S被定义为从翼型件18与平台20接触的点到末端23测得的翼型件18的径向高度。

根据本发明的一个未图示的变体，旋转叶片可以包括从吸力侧和/或压力侧突出并且成形为朝向根部17产生向心力的多个缓冲器。优选地，所述多个缓冲器可以径向叠置，以便形成串联的轮廓（a cascade of profiles），该串联的轮廓增加作用在旋转叶片上的向心力，并且因此，进一步减小盘上和叶片附接件上的负载。

例如，叶片可以包括位于沿翼型件的翼展的50%处的第一缓冲器和位于沿翼型件的翼展的80%处的另一缓冲器。

优选地，所述另一缓冲器与所述缓冲器基本上相同。

图6示出了根据本发明的另一实施例的叶片的缓冲器122。

缓冲器122包括至少一个冷却通道125，其优选地与其中流动有冷却流体的翼型件（未示出）的内部通道连接。

在本文所公开和图示的非限制性示例中，缓冲器122包括两个冷却通道125，其中每个冷却通道都被连接到翼型件的相同内部通道。根据一个变体，冷却通道125分别被连接到翼型件的不同的内部通道。

优选地，冷却通道125沿周向方向延伸，并且通过机加工来获得。

优选地，缓冲器122包括至少一个冷却孔128，其构造成将冷却通道125与缓冲器122的外部连接，即与其中流动有热气体工作流体的扩展通道12连接。

冷却通道125一个在另一个之上隔开。特别地，冷却通道125被布置在上游边缘33附近，并且另一个冷却通道125被布置在下游边缘134附近。

在本文所公开和图示的非限制性示例中，上游边缘33和最近的冷却通道125之间的距离W1为轴向弧线尺寸Cax（即，弧线C的轴向投影）的15-20%，而另一冷却通道125为轴向弧线尺寸Cax（即，弧线C的轴向投影）的60-70%。

在本文所公开和图示的非限制性示例中，每个冷却通道125包括至少两个冷却孔128：在上部面35中开口的第一冷却孔128a和在下部面36中开口的第二冷却孔128b。以这种方式，沿上部面35和下部面36获得膜冷却。多于两个的冷却孔128可以被设置用于改善上部面35和/或下部面36的膜冷却。

冷却孔128相对于缓冲器122的相应的面（对于冷却孔128a为上部面35，并且对于冷却孔128b为下部面36）成角度δ来布置。角度δ被包含在30°和40°之间，优选为等于35°。

特别地，角度δ是由冷却孔128的轴线和缓冲器122的相应的面限定的角度。

在本文所公开和图示的示例中，冷却孔128是圆柱形的。根据一个变体，冷却孔可以是扇形的。有利地，根据本发明的叶片被构造成减小转子盘上和叶片附接件上的负载。

这允许使用具有大于实际使用的最大长度的长度的叶片，并且因此，获得包括根据本发明的叶片的燃气涡轮机所产生的功率的增加。

而且，随着转子盘上和叶片附接件上的负载减小，可以使用具有较低比强度的更便宜的材料。

最后，显而易见的是，在不脱离如所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，可以对本文所述的叶片和燃气涡轮机进行修改和变型。

Claims (20)

1.用于燃气涡轮机（5）的旋转叶片，包括：

• 根部（17），其构造成耦接到所述燃气涡轮机（5）的绕所述燃气涡轮机（5）的轴线（A）旋转的盘；

• 耦接到所述根部（17）的平台（20）；

• 翼型件（18），其从所述平台（20）延伸，并且设有与所述根部（17）或所述平台（20）径向相对的末端（23）；所述翼型件（18）包括前缘（27）、后缘（28）、压力侧（25）和吸力侧（26）；

• 从所述吸力侧（26）和/或所述压力侧（25）突出的至少一个缓冲器（22；22a、22b；122）；所述缓冲器（22；22a、22b；122）被成形为产生朝向所述根部（17）的向心力，所述向心力抵抗在所述叶片（15）所耦接到的所述盘的旋转期间产生的离心力。

2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述缓冲器（22；22a、22b；122）基本上沿周向方向从所述吸力侧（26）和/或所述压力侧（25）突出。

3.根据权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，所述缓冲器（22；22a、22b；122）具有上游边缘（33）和下游边缘（34）、面向所述末端（23）并且从所述上游边缘（33）延伸到所述下游边缘（34）的上部面（35）以及面向所述根部（17）并且从所述上游边缘（33）延伸到所述下游边缘（34）的下部面（36）；所述缓冲器（22；22a、22b；122）被成形为使得在使用中，在所述燃气涡轮机（5）中流动的热工作流体的压力在于所述上部面（35）上通过期间增加，并且在沿所述下部面（36）通过期间减小，以便在所述叶片（15）上朝向所述根部（17）产生向下的力。

4.根据权利要求3所述的叶片，其特征在于，上表面（35）是凹的。

5.根据权利要求3或4所述的叶片，其特征在于，下表面（36）是凸的。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的叶片，其特征在于，所述翼型件（18）的所述前缘（27）与所述缓冲器（22；22a、22b；122）的所述上游边缘（33）之间的距离（D1）小于所述缓冲器（22；22a、22b；122）的所述下游边缘（34）与所述翼型件（18）的所述后缘（28）之间的距离（D2）。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的叶片，其特征在于，所述缓冲器（22；22a、22b；122）具有朝向所述下游边缘（34）逐渐变细的径向剖面。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的叶片，其特征在于，所述缓冲器（22；22a、22b；122）的缓冲器入口金属角（α）与所述叶片（15）的子午向流动角（γ）基本上对准。

9.根据权利要求3至8中任一项所述的叶片，其特征在于，所述缓冲器（22；22a、22b；122）在所述上游边缘（33）处的缓冲器入口金属角（α）被包含在0°-30°之间。

10.根据权利要求3至9中任一项所述的叶片，其特征在于，所述缓冲器（22；22a、22b；122）在所述下游边缘（34）处的出口金属角基本上包含在10°和50°之间。

11.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，其特征在于，所述缓冲器（22；22a、22b；122）的轴向长度（L2）具有如下值，即：所述值包含在于所述缓冲器（22；22a、22b；122）所在的径向高度处测量的所述翼型件（18）的轴向长度（L2）的10%和60%之间。

12.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，其特征在于，所述缓冲器（22；22a、22b；122）在从所述翼型件（18）的翼展（S）的50%延伸至所述翼展（S）的80%的所述翼型件（18）的区域中从所述翼型件（18）突出。

13.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，包括从所述吸力侧和/或所述压力侧突出的至少一个另外的缓冲器，所述至少一个另外的缓冲器成形为朝向所述根部产生另外的向心力。

14.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，包括从所述吸力侧（26）突出的第一缓冲器（22a）和从所述压力侧（25）突出的第二缓冲器（22b）；所述第一缓冲器（22a）和所述第二缓冲器（22b）设有相应的第一端面（30a）和第二端面（30b）；所述第一端面（30a）和所述第二端面（30b）是互补的。

15.根据权利要求3至14中任一项所述的叶片，其特征在于，所述缓冲器（122）包括至少一个冷却通道（125）。

16.根据权利要求15所述的叶片，其特征在于，所述冷却通道（125）被连接至所述翼型件（18）的其中流动有冷却流体的内部通道。

17.根据权利要求15或16所述的叶片，其特征在于，所述冷却通道（125）是所述缓冲器（122）的内部通道；所述缓冲器（122）包括将所述冷却通道（125）与所述缓冲器（122）的外部连接的至少一个冷却孔（128）。

18.根据权利要求17所述的叶片，其特征在于，每个冷却通道（125）包括至少两个冷却孔（128）：在所述上部面（35）中开口的第一冷却孔（128a）和在所述下部面（36）中开口的第二冷却孔（128b）。

19.根据权利要求15至18中任一项所述的叶片，包括一个在另一个之上隔开的至少两个冷却通道（125）；第一冷却通道（125）被布置在所述上游边缘（33）附近，并且第二冷却通道（125）被布置在下游边缘（134）附近。

20.包括至少一排旋转叶片（15）的燃气涡轮机；所述至少一排的旋转叶片（15）中的至少一个为前述权利要求中任一项所述的类型的叶片。