构成为转子盘或者涡轮叶片的燃气轮机构件的冷却

摘要

本发明涉及一种燃气轮机构件(2，50)，例如涡轮叶片(2)或转子盘(50)。为了达到通过在通到表面(37，58)中的通道(34，64)的紧邻的环境中降低热地或者机械地引起的应力集中来延长相应的构件(2，50)的使用寿命，在出口的有效区域附近设有槽形的凹部(40，66)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有通到平滑的、即未结构化的表面中的至少一个通 道的燃气轮机构件。

背景技术

从现有技术中已知多种类型的燃气轮机构件。开头所述的燃气轮机 构件例如可以理解为具有冷却空气口的涡轮叶片，所述冷却空气口通到 涡轮叶片的由热气所环流的表面中，例如作为薄膜冷却口。同样，可以 将在本专利申请意义上的燃气轮机构件理解为用于燃气轮机的转子盘， 在所述转子盘中设置用于输送空气的大多径向延伸的穿孔。还从现有技 术中已知的涡轮机静叶片支架具有用于输送稍后用于冷却所使用的冷 却空气的通道，所述通道通到所述涡轮机静叶片支架的表面。

对于所有所述的燃气轮机构件共同的是，直接包围通道的材料承受 特别的负荷。在涡轮机静叶片和动叶片的情况下，尤其产生热的和机械 的负荷。同样，转子盘由于产生的离心力尤其受到机械负荷。同样还可 以产生周期的负荷。这些负荷导致应力，所述应力由于存在大多通过穿 孔形成的通道而在表面附近且在通道的紧邻的环境中进一步增加(应力 集中)。与负荷的来源无关，这种增加不允许地高，这限制了相应构件 的使用寿命。

因此，在开始所述的构件中从通道的出流口区域起形成裂纹，必须 监视所述裂纹并且所述裂纹在超过临界的裂纹长度时导致构件的更换。

在设计构件时所执行的计算还可以表明由于过小的裂口-负荷交变 数而没有达到期望的计算的使用寿命。

发明内容

因此，本发明的目的是，提供一种具有延长的使用寿命的、可靠的 燃气轮机构件。

基于本发明的目的通过根据权利要求1的特征的燃气轮机构件来实 现。

本发明提出，在自身平滑的表面中，在通道的出口附近存在至少一 个槽形的凹部，所述凹部通过分隔壁与出口分离，并且在燃气轮机构件 的材料中由于通道引起的应力集中方面，相对于没有槽形的凹部时的应 力集中，所述凹部有效地降低了应力集中。通过设有根据本发明的为端 部封闭的凹部的槽，相比较于没有这种槽的构型降低了在通到表面的通 道部段的紧邻的区周围环境中的应力集中。通过应力集中的降低，降低 了由于周期的应力变化而引起的材料疲劳并且因此降低了形成疲劳裂 纹的风险。如果真地产生裂纹，那么相应地减缓其生长。因此，根据本 发明的燃气轮机构件具有期望的使用寿命延长。

有利的扩展方案在从属权利要求中说明。

根据第一扩展方案提出，分隔壁具有最小的壁厚并且通道具有出口 直径，并且最小的壁厚与直径之间的比值在0.05至3之间的范围中，优 选在0.05至2之间的范围内。由此一方面确保在出口和卸载的槽形的凹 部之间的距离不过大，所述过大的距离损害了有效性。另一方面，确保 分隔壁的足够的完整性。

按照另一有利的扩展方案，燃气轮机构件构成为用于燃气轮机的转 子盘。优选地是，转子盘构成为涡轮盘并且具有用于动叶片的多个沿着 外周分布的保持槽，所述保持槽的壁具有表面，并且其中至少在通到相 应的表面中的通道附近分别设置至少一个槽形的凹部。

根据替选的扩展方案，燃气轮机构件构成为具有通到由热气所环流 的表面中的多个通道的涡轮叶片，其中，所述通道中的至少一个通道在 其在表面中的出口附近具有用于降低应力集中的至少一个槽形的凹部。

因此，根据本发明的构造一方面提供用于转子盘，在所述转子盘中 存在用于输送冷却空气的穿孔。在此，转子盘可以为涡轮盘，在所述涡 轮盘的外周上，涡轮动叶片插入到相应的保持槽中，或者转子盘可以为 压缩机盘，为了抽出压缩空气，所述压缩机盘安装在转子的压缩机侧的 部段中。

另一方面，本发明尤其有利地应用在涡轮叶片中，在所述涡轮叶片 中，大多构成圆柱形的冷却空气排流口通到由热气所环流的表面中。因 为尤其是设置在涡轮叶片的叶身的迎流边中的冷却通道排流口遭受最 高的热负荷，所以提供了，借助根据本发明的槽状的凹部尤其防止所述 冷却通道排流口形成裂纹并且还减缓所形成的裂纹的生长。

适宜的是，用于输送冷却剂的至少一个通道构成为穿孔。

转子盘的有利的扩展方案具有两个凹部，在垂直于转子盘的旋转轴 线的横截面中观察时，所述两个凹部设置在出口的两侧。换言之：其中 插入有燃气轮机的动叶片的保持槽具有壁，所述壁一方面包括槽底面并 且另一方面包括两个彼此对置的、至少部分成波浪形延伸至转子盘的外 边缘的侧壁面，其中在从槽底面到相应的侧壁面的过渡部中分别设置有 这些凹部的一个。

在此，这些凹部的轮廓可以是任意的。优选的是，轮廓主要是矩形 的，然而在侧壁之间具有倒圆的角。同样地，凹部侧壁到底面的过渡部 被倒圆。两个被倒圆的角用于降低和避免缺口应力。

根据替选的扩展方案，槽状的凹部构成为环形的槽，所述环形的槽 包围相应的通道的出口。此外，优选的是，环形的槽是圆形的并且相对 于相应的通道的出口同心地设置。特别地，两个、可能更多的槽同心地 围绕相应的通道的出口设置，其中这些槽还可以具有不同的槽深度。只 要槽形的凹部构成为环形的槽，那么该凹部可以尤其优选地使用在转子 盘中和在涡轮叶片中。替代圆环形的槽，该槽显然还可以是椭圆形的。

总之，借助本发明说明了一种具有延长的使用寿命的燃气轮机构 件。根据在燃气轮机构件的下述区域中的应力降低实现使用寿命的延 长，所述区域由于在那里设置的通道可具有对于这些区域而言不允许地 高的应力集中。此外，通过应力降低使配设有该构件的燃气轮机的工作 风险降到最低，因为在该构件中从现在开始产生稀少的裂纹。

附图说明

根据在附图中示出的实施例进一步阐明本发明。

详细地示出：

图1示出涡轮叶片的侧视图，

图2示出穿过图1中的涡轮叶片的叶身的横截面图，

图3示出燃气轮机的转子盘的立体细节图，和

图4示出根据图3的另一立体细节图。

在全部附图中相同的零件设有相同的附图标记。

具体实施方式

根据图1的涡轮叶片2构成为用于在此没有另外示出的燃气轮机的 静叶片。所述涡轮叶片包括底部段4和顶部段6，该顶部段具有属于它 的平台8，10和在位于这些平台之间的、在纵向方向L上延伸的叶身 12。空气动力学地弯曲的叶身12具有同样基本在纵向方向L上延伸的 前缘14和后缘16，该所述前缘和后缘具有位于它们之间的侧壁18。涡 轮叶片2通过底部段4固定在涡轮的内壳体上，其中所属的平台8形成 对在燃气轮机中的热气的流动路径限界的壁元件。与涡轮轴对置的、顶 侧的平台10形成用于流动的热气的另一的限界部。涡轮叶片2还可以 替选地构成为动叶片，所述动叶片以类似的方式通过也称作叶根的底侧 的平台8固定在涡轮轴的转子盘上。

通过设置在底部段4的下端部上的多个入流口20将冷却剂K引入 到叶片内部中。还已知下述概念，即其中通过顶侧的平台10进行冷却 剂K的输送。冷却剂K通常为冷却空气。在冷却剂K流过在涡轮叶片 2内部中的连接到入流口20上的一个或多个冷却剂通道22之后，冷却 剂在叶身12的区域中的、还称作薄膜冷却孔的、与冷却剂通道22相对 应的多个排流口24处流出。在此，鉴于不同类型的热负荷和机械负荷 以及在叶片内部中的相应的位置关系，叶身12的不同区域对薄膜冷却 孔的布置和构型提出完全不同的要求。尤其是直接地连接到叶身的前缘 上的、相对强烈弯曲的前缘区域28，由于相对高的负荷需要完全有效的 冷却。

图2示出成形的叶身12的前部区域的根据图1中的剖面线II-II的 横截面图，具有包括前缘14的前缘区域28，压力侧30和吸入侧32连 接到该前缘区域上。从基本上在涡轮叶片2的纵向方向L上延伸的、与 前缘14间隔的冷却剂通道22中分支出更小横截面的排流通道34，所述 排流通道34穿过叶片壁36并且在前缘区域28中通到排流口24或者薄 膜冷却孔中。通过借助冷却剂K流过排流通道34来达到叶片壁的邻接 的区域的对流冷却。由于从排流口24中流出的冷却空气所引起的在叶 身12的表面37上的薄膜冷却效应促进了叶片内部的对流冷却。在此， 在叶片壁36的表面37上，通过以相对低的速度沿着表面流动的冷却空 气在一定程度上构成气垫或者保护薄膜，所述气垫或者保护薄膜阻止具 有高的流动速度的热气与叶片表面37直接接触。

在现有技术中，尤其在排流通道34的热气侧的端部上出现放射状 生长的裂纹，所述裂纹在最坏情况下损害了叶身12的完整性并且因此 使整个涡轮叶片2使用寿命缩短。为了避免这种缺陷，至少在排流通道 34通到前缘14的情况下，为降低材料应力集中存在至少一个槽状的凹 部40(图2)，所述材料直接包围排流通道34的出口，其中所述凹部出 于清晰性原因在图1中没有示出。尤其在通到可由热气所环流的表面37 中的这种排流通道34的情况下，在此，根据本发明的槽状的凹部40构 成为环形的槽，所述环形的槽相对于通到表面37中的排流通道34同心 地设置。在槽状的凹部40和排流通道34之间保留具有最小壁厚t的分 隔壁41。最小壁厚t为了达到期望的应力降低而不应该小于排流通道 34的直径D的0.05倍并且不大于所述直径D的3倍。例如，最小壁厚 t为直径D的0.5倍、1倍还或者为1.5倍。根据本发明的变型方案，还 可以围绕每个排流通道34设置两个同心的、环形的槽，这例如在以42 表示的通道处示例地示出。

图3和图4示意地分别示出作为其他的燃气轮机构件的转子盘50 的立体细节图。根据已知的类型和方式，转子盘50作为涡轮盘配设有 多个保持槽52，所述保持槽沿着外周以均匀的距离分布在转子盘50的 壳面54上。保持槽52径向向外敞开并且附加地相应具有侧向的开口， 所述开口设置在转子盘50的端侧中。在此，保持槽52的以横截面观察 的端侧的轮廓基本符合枞树形状，其中还已知并且可以使用其他的形 状。在保持槽52中可以插入燃气轮机的涡轮的动叶片，其中这些相应 的动叶片具有相应于保持槽52的轮廓而成型的叶根。

因此，每个保持槽52具有带有表面的壁。表面可以划分为槽底侧 的面58和两个设置在保持槽的侧壁上的侧面60，62，所述侧面无过渡 地在侧向连接槽底面58。因为通常插入在保持槽52中的涡轮叶片在燃 气轮机中工作期间必须被冷却，所以将冷却空气通过叶根输送给所述涡 轮叶片。为了输送冷却空气，在转子盘50中设有通道64，所述通道通 到保持槽52的槽底面58中。插入在保持槽52中的动叶片在其与槽底 面58对置的面上具有用于冷却空气的入流口，以便通过通道64输送的 冷却空气可以进入到动叶片中。在动叶片中以已知的、对于本发明然而 以不重要的方式对叶身和/或属于动叶片的平台进行冷却。

为了降低在通道64的出口的紧邻环境中的应力集中，在槽底58和 侧面60、62之间的两个过渡部中分别设置有槽形的凹部66。在此，凹 部66定位成，使得在垂直于转子盘50的旋转轴线的横截面中观察时， 这些凹部设置在出口的两侧。因此，在转子盘的周向上观察，两个凹部 66位于出口的两侧。

如从图4中尤其可见的是，在槽形的凹部66和通道66的出口之间 存在分隔壁61。所述分隔壁也具有最小的壁厚t，所述壁厚优选在通道 64的出口的直径D的0.05倍至2倍之间。例如，最小壁厚t为直径D 的一倍。

由此，在材料的表面附近的区域中降低了由于通道64的存在而增 加的应力集中，这降低了由于燃气轮机工作期间的周期的负荷变化而引 起的材料疲劳并且因此降低了产生疲劳裂纹的风险。

总之，借助本发明说明了一种用于燃气轮机的、例如为涡轮叶片2 或者转子盘50的燃气轮机构件2，50，其中为了通过在通到表面37， 58中的通道34，64的紧邻的环境中降低热地或者机械地引起的应力集 中来延长相应的构件2，50的使用寿命，在出口的有效区域附近存在至 少一个槽形的凹部40，66。