用于燃气涡轮机的涡轮机叶片和用于制造这样的涡轮机叶片的型芯

摘要

本发明涉及一种具有新颖的内部结构的涡轮机叶片。在此提出新颖的涡流元件（42），所述涡流元件（42）直接设置在布置在涡轮机叶片的叶身（16）的后缘（20）上的开口（28）的上游。这些涡流元件（42）按列布置并且分别具有能够被冷却剂（40）流入的流入侧（44），所述流入侧（44）按本发明至少部分凹入地弯曲。优选所述涡流元件（42）构造为镰刀形。所述涡流元件（42）的这种在空气动力学上特别不利的形状引起压力损失的增高，这使得冷却剂的穿流变得困难。这实现了所述开口（28）的扩大，而没有由此出现冷却剂的消耗的增加。用本发明也提供显著更加稳定的型芯（110），因为在型芯（110）中所需要的用于制造涡轮机叶片的分隔片（30）的开口（130）的相隔间距现在可以大于以前。这在型芯后缘（120）的区域中实现了型芯（110）的更大的稳定性，由此所述型芯（110）在该位置上不太容易破裂并且因此可以更加坚固地操作。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于燃气涡轮机的涡轮机叶片，具有空心的能够被热气环流的叶身，多个分布在所述叶身的后缘上的用于吹出对涡轮机叶片进行冷却的冷却剂的开口通过布置在其之间的分隔片彼此分开，其中在叶身的内部设置了至少一个与所述开口中的多个开口在流动技术上相连接的空腔，在所述空腔中在所述分隔片的上游设置了多个涡流元件，所述涡流元件分别具有朝向到达那里的冷却剂流的流入侧。此外，本发明涉及一种用在浇铸装置中的用于制造按权利要求1前序部分所述的浇铸的涡轮机叶片的型芯，用于在将型芯从所浇铸的涡轮机叶片中移走之后在涡轮机叶片中留下能够被冷却剂穿流的空腔。

背景技术

开头所提到的涡轮机叶片和用于制造这样的涡轮机叶片的型芯比如从WO 2003/042503 A1中得到公开。已知的涡轮机叶片具有得到冷却的后缘，在该后缘上多个用于吹出冷却空气的开口通过布置在其之间的分隔片彼此分开，所述分隔片在英语中也作为“tear drops（泪状物）”而为人所知。在所述布置在后缘上的开口的前面布置了共同的空腔，在所述空腔中布置了三列柱状的管座，管座在英语里也在名称“Pin-Fins（翅片）”下面为人所知，所述管座设置用于提高从其旁边扫过的冷却空气的热传递并且用于提高那里的压力损失。

为制造这样的涡轮机叶片所需要的型芯在此在WO 2003/042503 A1的图7中以透视方式示出。被型芯所占据的位置空间在制造浇铸的涡轮机叶片之后作为空腔留在涡轮机叶片中，其中布置在型芯中的开口用浇铸材料填满。就这一点而言，所述型芯是涡轮机叶片的内部的相反的反映。

从WO 2003/042503 A1中公开的翅片拥有柱形的形状并且将涡轮机叶片的叶身的吸入侧壁和压力侧壁的彼此对置的内表面连接起来。

在这方面知道，在涡轮机叶片的后缘上流出的冷却空气量通过最大的压力损失的合适的选择和/或在后缘附近被冷却空气穿流的最小的横截面面积来调节。但是这种处理方式会导致这样的型芯，对于所述型芯来说设置在型芯后缘上的开口如此变大，从而在其之间还仅仅留下较薄的分隔片。但是在操作型芯时型芯恰恰会在这个位置破裂，使得该型芯随后不能使用。

此外，从WO 2003/042503 A1中公开了用于冷却空气的布置在内部的C形的导流元件，所述导流元件应该在损失少的情况下使冷却空气转向和并将其引导到下游的区域中。

此外，从EP 1 091 092 A2中公开了一种空气冷却的涡轮机叶片。为了实现叶身的空心壁的吸入侧或者说压力侧的特别有效的冷却，在双层壁的空腔中格栅状地布置了销柱（Pins）。所述销柱原则上具有菱形形状，其中其棱角被倒圆并且其棱边向里凹入地拱起。由此在所述销柱之间产生由用于冷却空气的通道构成的网，所述用于冷却空气的通道相应地具有变窄的入口和变窄的出口，在所述入口与出口之间布置了扩散器区段和喷嘴区段。借助于所述区段应该使冷却空气减慢和加速，用于实现有效的冷却。

发明内容

因此，本发明的任务是，提供一种开头所提到的用于燃气涡轮机的涡轮机叶片，所述涡轮机叶片能够用尽可能少量的冷却剂来得到有效且足够的冷却，并且/或者对于所述涡轮机叶片来说为进行制造而可以在浇铸装置中使用能够特别坚固地操作的型芯。

涉及涡轮机叶片的任务用一种按权利要求1所述特征的涡轮机叶片得到解决。涉及型芯的任务用一种按权利要求9所述特征的型芯得到解决。

本发明以这样的认识为基础，即可以实现更加稳定的型芯，如果布置在型芯后缘中的第一开口沿纵剖面进一步缩小，使得在型芯中布置在所述第一开口之间的分隔片加宽。但是布置在型芯中的分隔片的这种加宽在用这样的型芯制造的涡轮机叶片中导致布置在后缘上的开口的扩大，冷却剂通过所述开口从涡轮机叶片中逸出。因为以前这些开口也用于调节冷却剂的消耗，所以扩大了的开口由此导致冷却剂的消耗的增加。这种增加原则上不值得追求并且降低了燃气涡轮机的效率。现在为了抵抗这种效应，本发明提出，在涡轮机叶片的后缘开口上游的区域中，更准确地说在从流动技术上看布置在所述开口前面的空腔中提高压力损失并且由此在那里设置提高了的流动阻力，用于对前面所提到的冷却剂流量扩大的效应进行补偿，如果不是这种情况则甚至对所述效应进行过度补偿。为了与从现有技术中公开的柱形的翅片相比在涡轮机叶片的后缘上的开口的上游在冷却剂流中实现进一步得到提高的压力损失，按本发明提出，在所述分隔片的上游设置了多个涡流元件，所述涡流元件分别具有朝向到达在那里的冷却剂流的流入侧，所述流入侧至少部分凹入地拱起。通过该措施可以忍受所述开口的扩大，而没有由此出现冷却剂的消耗的提高。

所述涡流元件的凹入地拱起的流入侧的另外的优点是，通过冷却剂中的进一步得到提高的涡流来进一步提高叶身侧壁的内表面与沿所述内表面流动的冷却剂流之间的热传递。

在此以合适的方式选择所述按本发明的涡流元件的几何尺寸比如流入侧的曲率、纵向延伸的大小和/或按列布置的涡流元件之间的间距，用于调节必要的内部的压力损失和/或所期望的热传递。

在此关于从中流过的冷却空气的量和压差可以推导出不同的几何尺寸之间的关联。

压力损失和热传递也可以通过在横向于冷却剂主流动方向的列内部的按本发明的涡流元件的数目的合适的选择来调节。

所述叶身包括吸入侧壁和压力侧壁，所述吸入侧壁和压力侧壁的各自的内表面在侧面限定了所述空腔以及所述分隔片之间的从空腔朝开口延伸的通道。所述涡流元件在此相应地从所述两个内表面之一一直延伸到另一个内表面并且将这两个内表面连接起来。由此部分地阻塞压力侧壁的内表面与吸入侧壁的内表面之间的冷却剂流。不依赖于所述涡流元件从一个内表面一直延伸到另一个内表面，所述侧壁的两个内表面也可以如此相对于彼此倾斜，使得其沿叶身的横截面看朝涡轮机叶片的后缘收敛。尤其由此可以将涡轮机叶片的能够穿流的最小的横截面向前移到布置了所述涡流元件的区域中。这是与从现有技术中已知的涡轮机叶片之间的另一个区别，对于已知的涡轮机叶片来说通常能够被冷却剂穿流的最小的横截面存在于所述分隔片之间，所述分隔片将布置在涡轮机叶片的后缘中的开口或者说通道彼此隔开。

这可以使节流位置细微地但是从根本上前移到涡流元件的区域中，也就是说使节流位置从分隔片的区域中移出来。

所述涡流元件沿纵剖面看构造为C形。其弧形形状因此可以是圆弧形，或者也可以是椭圆弧形也就是说镰刀形。这样的形状只要入流到端部就引起比较大的压力损失。

此外规定，所述涡流元件的弧形端部如此定向，使得其至少略微地朝向在运行中到达那里的冷却剂流。由此可以将冲击在所述凹入地拱起的流入侧上的冷却剂从两个弧形端部导引到处于这两个弧形端部之间的中部并且将其捕集，由此在此上游在冷却剂流中出现特别大的背压，这会导致特别大的压力损失。冷却空气的转向不应该用按本发明的涡流元件来进行。

有利的设计方案在从属权利要求中得到说明。

按照一种有利的第一改进方案，所述涡流元件可以以至少一个横向于冷却剂主流动方向的列直接布置在所述分隔片的上游。优选在此所述列的涡流元件中的每一个都具有至少部分凹入地拱起的流入侧。由此可以在涡轮机叶片的整个纵向延伸上，换句话说在叶身的整个高度上调节用于冷却剂的统一的压力损失以及统一的热传递。但是也可以设想，在一列中设置按本发明的涡流元件的不同的几何形状或者也设置不同的间距，用于满足对所述冷却的局部要求。

有利的是，对于按本发明的涡轮机叶片来说，沿叶身的纵向方向看，两个相邻的涡流元件之间的间距可以比所述涡流元件的各自的沿纵向方向的延伸小因数2。

按照另一种有利的设计方案，在所述涡流元件的上游和/或下游设置了另外的用于激发通过空腔朝开口流动的冷却剂的涡流的机构。所述另外的机构在此可以包括大量以格栅形式布置的柱子或者管座，也就是说从现有技术中已知的柱形的翅片。作为替代方案或者补充方案，也可以设想，所述另外的机构由至少一列另外的按本发明的涡流元件构成。因此可以不仅可以存在一列唯一的按本发明的涡流元件，而且也可以存在多列相应地优选垂直于冷却剂流定向的按本发明的涡流元件。这进一步提高了压力损失。

在浇铸的涡轮机叶片中存在的空腔和流出口能够通过在浇铸装置中所使用的型芯来制造，所述型芯在浇铸涡轮机叶片之后以公知的方式方法从涡轮机叶片中移走。为制造按权利要求1前序部分所述的浇铸的涡轮机叶片，提出用于用在浇铸装置中的型芯，该型芯包括型芯后缘，在该型芯后缘上布置了多个用于在涡轮机叶片的后缘中形成分隔片的第一开口。此外在型芯中设置了多个第二开口，所述第二开口布置在第二区域中，所述第二区域与第一区域相邻，在所述第一区域中布置了所述第一开口。所述型芯的第二开口用于制造按本发明的涡流元件。

按本发明在此提出，所述第二开口中的至少一个至少部分凹入地成形。为在涡轮机叶片中形成相对应地成形的涡流元件，所述第二开口的凹入部分背向型芯后缘。利用这样的型芯可以制造按本发明的涡轮机叶片，所述涡轮机叶片在所述分隔片的上游也就是说在涡轮机叶片的内部产生用于冷却剂的较高的压力损失，由此可以将在所述设置在涡轮机叶片后缘中的开口之间存在的分隔片构造得较为狭窄。所述较为狭窄的分隔片在此通过一种型芯来实现，所述型芯的设在型芯后缘上的第一开口同样较为狭窄。在型芯中在所述第一开口之间存在的分隔片在所浇铸的涡轮机叶片中定义了所述后缘的开口，所述分隔片相对于常规的型芯构造得比较宽，这在总体上提高了型芯的稳定性。按本发明构成的型芯由此在型芯后缘的附近比常规的型芯不容易破裂，并且因此能够更为容易地更加坚固地操作。

附图说明

本发明的优选的实施例在附图中示出并且在接下来的附图说明中得到详细解释，其中相同的附图标记涉及相同的或者类似的或者功能相同的组件，在此附图分别示意性地示出：

图1是从现有技术中已知的涡轮机转子叶片的透视图，

图2是从现有技术中已知的涡轮机转子叶片的后缘的区域的纵剖面，

图3与图2相类似是按一种第一设计方案的本发明的具有凹入地拱起的流入侧的涡轮机叶片的截取部分，

图4是按本发明的涡轮机叶片的按列布置的涡流元件的一种作为替代方案的设计方案，

图5是按本发明的用于制造按本发明的涡轮机叶片的型芯的透视图，

图6是按本发明的涡轮机叶片的后缘的横截面。

具体实施方式

在图1中以透视方式示出了涉及本发明的燃气涡轮机叶片10。所述燃气涡轮机叶片10按照图1构造为转子叶片。本发明也可以用在燃气涡轮机的未示出的导向叶片中。所述涡轮机叶片10包括在横截面中为圣诞树状的叶根12以及布置在该叶根上的平台14。在该平台14上连接着按空气动力学弯曲的叶身16，所述叶身16具有前缘18以及后缘20。在前缘18上设置了作为所谓的“Shower Head（喷头）”布置的冷却孔，从所述冷却孔中可以喷出在内部流动的冷却剂，优选冷却空气。所述叶身16包括关于图1在背面的吸入侧壁22以及在正面的压力侧壁24。沿所述后缘20设置了大量的后缘开口28，所述后缘开口28通过布置在其之间的分隔片30彼此分开。后缘20在此构造为所谓的回切（Cut Back）后缘，因而所述开口28在后缘20中更加处于压力侧而不是处于中间。

图2示出了从现有技术中已知的涡轮机叶片10的内部的沿一个平面的纵剖面，该平面被从叶身16的前缘18延伸到后缘20的中心线和从叶根12朝叶尖延伸的叶片纵向方向所撑开。

在图2中以进一步向右布置的方式设置了后缘开口28，在所述后缘开口28之间布置了分隔片30。所述分隔片30基本上平行于热气流延伸，所述热气流在运行中从前缘18到后缘20围绕着叶身16流动。在图2中在左边示出，设置了大量以格栅形式布置的柱子或者说管座32。不仅柱子32而且分隔片30在此都从吸入侧壁22的内表面34延伸到压力侧壁24的未示出的内表面。因此，柱子32布置在涡轮机叶片10的空腔38中，该空腔38在侧面受到吸入侧壁22和压力侧壁24的限制。

在将涡轮机叶片10用在燃气涡轮机中的情况下，在运行过程中空腔38被冷却剂、优选被冷却空气40从中流过。通常涡轮机叶片的在图2中未示出的部分在内部如此构成，使得冷却空气40基本上均匀地流入管座32的区域。均匀地流入以格栅形式布置的管座32通过用40标记的箭头来示出。冷却空气40冲击到各个管座32并且在这种情况下由管座32进行转向，其中冷却空气的主流动方向40基本上保持不变。在这种情况下在冷却空气40中产生涡流。从热气加入到叶片壁22、24中的热量由这些叶片壁继续传导到管座32中。在那里冲击到管座32上的冷却空气40吸收热量并且将其输出。在冷却空气40已经流过管座区域之后，冷却空气40进入将空腔38与开口28连接起来的通道41中。在流经所述通道41之后，冷却空气40通过开口28从涡轮机叶片10中流出来并且与围绕叶身16流动的热气相混合。

冷却剂40中的在流经管座区域的过程中产生的涡流提高了从叶身16的侧壁22、24到冷却空气中的热传递，从而可以比较有效地排出热量。为了在没有进一步提高所需要的冷却空气40的量的情况下进一步提高从侧壁22、24到冷却空气40中的热传递，用本发明按照图3提出新颖的涡流元件42。按图3的涡流元件42具有朝向流入的冷却空气40的流入侧44，所述流入侧44至少部分凹入地拱起。由此所述按本发明的涡流元件42在纵剖面中构造为C形，也就是镰刀形，其中所述涡流元件42的弧形端部46如此定向，使得其至少略微地朝向在运行中到达那里的冷却剂流。所述涡流元件42按横向于冷却剂主流动方向的列布置，其中一列涡流元件42中的每一个都具有至少部分凹入地拱起的流入侧44或者是镰刀形的。与从按图2的现有技术中已知的布置不同，两列翅片被一列按本发明的涡流元件42所取代。

所述涡流元件42的镰刀形状在此可以如在图3和4中示出的一样在空腔38中如此定向，使得涡流元件42的端部处于叶身16的不同的高度。在安装在涡轮机中的情况下，涡流元件42的端部而后关于燃气涡轮机的机器轴线处于不同的半径上，其中转子围绕着机器轴线旋转。但是作为替代方案也可以设想，涡流元件42不仅仅在纵剖面中为镰刀形，而且额外地也在横截面中为镰刀形。由此获得涡流元件42的在总体上为杯形或者碟形的轮廓，所述涡流元件42具有至少部分为球形的流入侧44，该流入侧44产生特别大的压力损失。

按本发明的涡流元件42在涡轮机叶片10的内部定位在分隔片30的上游，由此可以扩大所述开口28的宽度d（图4），而不会由此出现冷却空气的消耗的增加。所述涡流元件42相对于按列布置的管座32具有进一步得到提高的流动阻力，从而在该位置上出现提高的压力损失，所述压力损失防止冷却剂消耗的增加。

按照图4当然也可以设想，在以不同的列布置的按本发明的涡流元件42上使用不同的几何设计方案。因此比如可以使涡流元件42的沿纵向方向的长度h、宽度b以及由此使涡流元件42的凹入的流入侧44的拱形以及两个相邻的列之间的间距L与局部的要求相匹配。

图6示出了具有新颖的涡流元件42的按本发明的涡轮机叶片的按图3的剖面VI。吸入侧壁22和压力侧壁24延伸到后缘20。开口28本身通过布置在其之间的分隔片30彼此隔开。吸入侧壁22的内表面34楔形地与压力侧壁24的内表面48对置，从而沿冷却剂40的主流动方向看，这些内表面34和内表面48朝后缘20收敛，也就是说朝彼此靠近。在所述内表面34、48之间沿主流动方向先后相随地首先设置两列管座32，在流动技术上在这两列管座32后面跟随着一列按本发明构成的涡流元件42。随后跟随着分隔片30连同布置在分隔片30之间的通道41。

图5示出了按本发明的型芯110的透视图，该型芯110具有在型芯后缘130附近布置在第一区域中的第一开口130。与第一开口130相邻地在第二区域中设置了大量以两列布置的第二开口142。所述第二开口142具有至少一个凹入地成形的部分轮廓。

将型芯110用在浇铸装置中，由此可以用该型芯110制造按本发明的涡轮机叶片，其中被型芯110占据的位置空间在制造浇铸的涡轮机叶片之后作为空腔留在涡轮机叶片中。在型芯110中存在的开口130、142在浇铸涡轮机叶片10时被浇铸材料填满并且由此后来作为结构元件尤其作为分隔片30和涡流元件42留在涡轮机叶片中。

总之，按本发明的型芯110相对于涡轮机叶片的按本发明的内部具有互补的轮廓。

本发明不仅可以用在转子叶片中而且可以用在导向叶片中。

总之，用本发明提出一种具有部分新颖的内部结构的涡轮机叶片。所述新颖的元件布置在所述布置在涡轮机叶片的叶身16的后缘20上的分隔片30的上游。所述结构包含按列布置的涡流元件42，所述涡流元件42具有能够被冷却剂40流入的流入侧44，所述流入侧44按本发明至少部分凹入地弯曲。优选所述涡流元件42构造为镰刀形。所述涡流元件42的这种在空气动力学上特别不利的形状引起压力损失的增加，这使得冷却剂的通流变得困难。与从现有技术中已知的涡轮机叶片10相比，这能够扩大开口28的宽度d（参照图4），而不会由此出现冷却剂消耗的增加。用本发明也提供了显著更加稳定的型芯110，因为在型芯110中所需要的用于制造涡轮机叶片的分隔片30的第一开口130的相隔间距现在可以比以前宽。这在型芯后缘120的区域中实现了型芯110的更大的稳定性，由此该型芯在这个位置上不容易破裂并且因此可以更加坚固地操作。