CN101532399B - 一种带有冷却凹槽的涡轮机叶轮的叶片及相应的叶轮和涡轮机 - Google Patents

Abstract

一种涡轮机叶轮(100)的叶片(10)，该叶片包括翼(50)和带有至少一个喷气通道(16)的平台(60)，所述平台(60)包括至少在压力面下游部分(57)附近沿翼压力面(56)延伸的凹槽(40，140，240)，以及布置在该凹槽内的至少一个喷气通道。由于该凹槽的存在，经由喷气通道喷入的空气流靠近压力面，从而有效冷却了压力面的下游部分。

Description

一种带有冷却凹槽的涡轮机叶轮的叶片及相应的叶轮和涡轮机

技术领域

本发明涉及一种涡轮机叶轮的叶片，该叶片包括带有压力面的翼，和沿垂直于翼纵向的方向从翼的其中一端延伸的平台，所述平台包括至少一个喷气通道，更确切地说，包括可依靠喷气通道喷入的空气流来实施优化叶片冷却的装置。 

背景技术

按照已知方式，这种叶片一般设计为可与多个相同的叶片一起布置，从而围绕环形轴线而形成一个环形体，该环形体的各个翼径向布置在环形体内，两个相邻叶片的平台表面部分位于形成翼间表面的各个翼之间。在翼间通道内，翼间表面将一个翼的压力面连接到相邻翼的吸力面上。 

围绕环形轴线安装的成套叶片用来构成叶轮。叶轮可以是动轮，接收来自空气流的能量或将能量送到流经叶轮的空气流中；叶轮也可以是静止的，在这种情况下，叶轮起引导空气流的喷管功能。 

本发明涉及用于高温气流中的叶片，特别是甚高温环境下的叶片，诸如高于1000K的温度。例如，本发明可用于布置在涡轮机燃烧室下游的位于涡轮机高压或低压涡轮级内的叶片。 

所述高温(以及相关温度梯度)有时远远大于叶片的熔化温度，此外，这些温度会导致叶片出现各种问题：熔化风险；膨胀；变形；出现机械应力等等。 

按照已知方式，翼和以这种方式承受应力的叶片平台的冷却都是通过在叶片本身体积内形成的空气通道来进行的。这些通道将冷却气流送到叶片承受最高程度热应力或热机械应力的部位。 

翼的后缘，特别是翼后缘连接叶片平台表面的部分-此处机械应力非常高-是叶片最突出的且称之为关键的部分。 

叶片这部分的形状和位置使得很难通过空气流进行冷却。这就是为什么该关键部分实际冷却不良，而且，随着应力程度的升高，该部分的温度也会很高的原因。结果，导致叶片变形，而且长此以往会引起裂缝，造成叶片使用寿命的降低。 

图3具体示出了通过喷入空气流来冷却叶片后缘时遇到的上述困难。 

图3为前言部分所述类型叶片的剖面图，该图示出了叶片翼附近-其压力面上-喷气通道喷入的冷却气流的状态。 

图3所示叶片是一种带翼50、平台60和叶根66的叶片10。该叶片所示截面与翼50的纵向轴线相垂直。 

在平台60内形成空气通道16。这些通道用来传输冷却空气，所喷入的冷却空气特别用来冷却翼的关键部分。这些通道16沿叶片10的压力面56通过叶片平台向外打开，进入到平台表面62。 

应该注意的是，在这个文件中，术语“空气”用来表示一般用语，其包括了空气流或任何其它主要的气态流体，诸如排放气体。 

图3示出了经由喷气通道16喷入的空气流的流动路径。这些气流并不是沿压力面壁56流动，相反，从压力面壁处迅速分开，沿下游斜路径流动，而一部分流向邻近翼50的吸力面58。 

由于这个斜路径，这些气流对后缘连接平台的部分12的冷却作用不大。只有那些沿翼50位于最下游的喷气道传送的冷却空气对叶片这一关键部分进行了一定程度的冷却，尽管不完全。由另一些通道16传送的冷却气流从翼的压力面56流走，对叶片的关键部分12不能起到有效冷却。 

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种背景技术部分所述类型的叶片，这种叶片适合在高温气流中使用，其能保持低成本，但同时又制作简单，且能有效冷却叶片的关键部分。 

该目的可以这样实现，即在叶片中，平台部分包括在其至少下游部分附近沿压力面延伸的凹槽，在所述凹槽内形成至少一个喷气通道。 

上述凹槽构成了一个空气流道，位于凹槽内的喷气通道将空气流喷入到该流道内。喷入的空气流经由凹槽壁导向，以便其沿压力面流动。于是，避免了空气流与压力面分离的现象，有效地冷却了后缘与平台的连接部分。 

这样，叶片关键部分工作时的温度降低了。因而，可以增加叶片的使用寿命。或者，可以利用冷却效率的提高来降低经由气道喷入的空气量，或者减少空气道的数量。 

另外，应该注意的是，该目的仅通过叶片平台的特殊形状便可获得，而且有利的是，叶片的附加成本会很小(如果喷气通道数量减少的话，甚至还会降低成本)。 

通常，因为凹槽是在平台上形成，凹槽的开口一侧在径向上指向叶轮的外部，这样，实际上与叶片的轴线平行。为此，凹槽内喷气道的出口实际上并没有垂直于叶片的压力面壁。这些喷气道的出口相对于所述方向可以形成至少45°，优选接近90°，甚至大于90°的角度。 

在一个实施方案中，在垂直于凹槽的一般方向的平面上，喷气孔的直径小于凹槽截面尺寸。 

此外，本发明可以按照如下所述两个实施方案中的一个或另一个来实施，或者介于二者之间的任何实施方式来实施： 

在第一实施方案中，压力面下游部分附近的平台表面实际上是围绕环形体轴线的回转面，而凹槽相对于所述表面以下凹形式形成。 

在第二实施方案中，凹槽是在压力面和脊部之间形成，而脊部又是在距压力面所述下游部分的短距离处在平台表面上形成。因此，该脊部从平台的周围表面处隆起，这样，相对于平台表面，凹槽的形成不是呈下凹形式。 

术语“短距离”此处用来表示翼间通道宽度的一小部分。例如，脊部与压力面的合适间隔应不大于翼间通道宽度的三分之一，优选不大于翼间通道宽度的四分之一。 

此外，脊部最好与压力面保持一定距离，这样，凹槽形成的通道则一般呈等截面。 

为此，通常，该凹槽可以为凹进形式，也可以与平台的连接表面保持相同高度(或甚至稍高于该连接表面)，此处，所述两种布局分别对应于上述两个实施方案。当凹槽与平台表面保持相同高度时，则要求脊部自平台处隆起，这样，该凹槽就可以在脊部和压力面壁之间形成。 

在该第二实施方案的改进方案中，所述凹槽一侧由压力面构成，而另一侧由脊部构成。这可增强凹槽的效果。 

在有利的实施方案中，沿气流流动方向和相对于翼中性面的凹槽从翼的第一四分之一处延伸到翼最下游处。应该注意的是，在所述整个压力面上延伸的凹槽特别有效。 

最后，在一个实施方案中，叶片带有沿凹槽分布的多个喷气通道。多个喷气通道的使用可以减小单一空气通道喷入大量空气时可能会产生的湍流风险。在这个具体布置中，凹槽的截面可以从上游向下游方向逐渐增加，以便随着各个不同喷气通道喷入的空气逐步增多而使得流过的空气流量逐渐增加。 

另外，本发明还提供了适合在高温气流中使用的叶轮，且成本价格仍保持适度。 

该目的的实现是所述叶轮使用了多个上述叶片。 

本发明的第三个目的是，提供一种高效率的涡轮机，且成本价格仍保持适度。这个目的是通过涡轮机使用至少一个上述叶轮来实现。应该指出的是，该叶轮同样可以是转子轮盘或定子轮盘，诸如涡轮机的高压喷管。 

通过以下对具体实施方案的详细说明，可以更好地理解本发明，且本发明的优点也就更清楚地显现出来，但本发明并不仅限于所示实施方案。 

附图说明

图1为三个现有技术叶片的透视图，所示为安装到叶轮上时的彼此相对位置； 

图2为装有图1所示叶片的叶轮的透视示意图； 

图3和图4为翼后缘附近和压力面上的叶片的透视图，分别为现有技术叶片和本发明叶片，示出了经由喷气通道喷入的气流流动路径； 

图5、图6和图7示出了本发明的叶片的剖面图，所示为三个不同的实施方式； 

图8和图9为翼后缘附近和吸力面上两个翼之间的翼间通道示意图，分别示出了图5和图6的两个实施方案。 

具体实施方式

为了简化起见，当相同或相似部件在不止一个图中出现时，该部件在各个图中均使用相同的参考号，且只在其首次提到时予以介绍。 

图1和图2简要介绍了涡轮机叶轮叶片的一般形状。 

图1示出了构成图2所示叶轮100组成部分的三个相同叶片10。每个叶片10都设计成可与其它相同叶片10一起装配，从而形成叶轮100。所述叶轮基本上都是由安装在转子轮盘20上的叶片10构成。在该叶轮100中，叶片10以轴向对称方式围绕叶轮的轴线A布置成环状。 

每个叶片10由翼50、平台60和叶根66组成。翼带有前缘52、后缘54、压力面56和吸力面58。叶根66用来将叶片固定到轮毂上，例如，转子轮盘20。平台60沿一般垂直于翼50的纵向延伸，其在翼50的旁边带有顶面62。由于叶片10彼此相抵装配，其平台的顶面62就形成了翼间表面70，所述翼间表面70从一个翼的压力面56延伸到邻近翼的吸力面58。在叶轮100中，每个翼间表面70由位于相应翼压力面上的平台顶面的第一部分63和位于相应翼吸力面上的平台顶面的第二部分64组成。所述两个部分63和64彼此连续延伸，从而在两个相邻叶片10之间形成实际密封接合。平台表面62通过连接表面18(实际上呈半径可变的连接带形状)连接到翼50的外表面上。 

此外，为了冷却翼50的关键区域12，即，位于平台60附近的后缘54的部分，平台表面62在叶片本身的体积内形成了喷气通道16。 

应该指出的是，在图1到图3所示示例中，翼间表面70实际上是围绕叶轮轴线A的回转面的一部分(其中，术语“回转面”是指围绕轴线转动曲线所产生的表面)。这种形状是涡轮机叶轮叶片的翼间表面的通用形状。 

下面参照图3和图4介绍本发明的叶片所产生的效果。 

在图4所示叶片中，在离翼50的压力面56的等距离上形成了一个脊部42。由于该脊部42的原因，在平台表面62内形成了一个凹槽40。该凹槽40沿其下游部分旁边的翼的压力面56形成并在压力面56和脊部42之间延伸，压力面56和脊部42一起构成了该凹槽。 

依靠该凹槽40，经由凹槽底部喷气通道16喷入的空气流由该凹槽引导并沿压力面56流动，从而使得叶片的关键部分12得以有效冷却。相反，如果没有所述凹槽40(如图3所示)，喷入的冷却空气流在其被喷入后会立即趋于从压力面56处流走。因而，不能有效冷却叶片的关键部分12，即，叶片后缘54和平台表面62之间的结合部位。 

下面参照图5和图8，图6和图9以及图7介绍本发明的三个实施方案。 

图5到图7为本发明所述叶片的剖面图，这些剖面都是在翼的轴线上剖开且沿实际垂直于气流一般流动方向。图8和图9示出了图5和图6的截面，沿参照线V和VI剖开(图5到图7三张图的这些截面都是相同的)。 

在图5到图7中，虚线曲线表示平均回转面的截面，位于凹槽40附近的平台表面62的部分与该截面接近。 

图5示出了图4叶片的截面。脊部42的隆起是在平台表面62上加装材料而成。由于该脊部42的存在，就在脊部42和压力面56之间形成了凹槽40。如图所示，脊部42就位于压力面的附近，从而使得所喷入的空气流尽可能地靠近压力面。空气流经由凹槽40底部的喷气通道16喷入。 

图6示出了带有凹槽140的叶片，形成了相对于平台表面62一般形状的下凹部分，如图中虚线所示。此处，没有使用脊部。 

图7示出了一个实施方案中的叶片，该实施方案介于图5和图6所示实施方案之间。凹槽240相对于平台表面62一般形状为下凹形式；然而，脊部242自平台表面62一般形状而形成隆起，从而增加了凹槽在喷入气流的导向和沟通方面的效果。 

在这个实施方案中，喷气通道16向外打开，进入到与压力面56相对而置的脊部242的壁内，并指向压力面，从而将喷入的空气流导向压力面。 

图8和图9为垂直于根据图5和图6所述两个叶片翼50轴线的平面上的剖面图。这两张图都示出了叶片平台60附近空气流流过的翼50的截面，该截面与平台保持足够距离，以保证该示意图实际上就是翼本身的一个截面，并不包括翼50和平台60之间联接表面或联接带18。 

在所示的两个实施方案中，凹槽40，140沿压力面56延伸。 

凹槽40，140的范围主要沿空气流方向来确定。特别是，其可以相对于翼的中性面来量化，其本身的形成是从翼的前缘52向其后缘54来延伸的，翼两侧实际距离相等：相对于翼的中性面55，凹槽在翼第一四分之一和翼最下游处之间延伸(沿上游到下游方向，即图中所示，从位于上方向右位置到位于下方向左位置)。特别是，凹槽至少沿压力面56的下游部分57延伸。该下游部分实际上相当于翼下游端处中性面55的40％。 

此外，从图5到图7中可以看到，凹槽40，140，240实际上都位于距压力面56一定距离上，紧邻压力面。在截面上，其提供了一种实际弧形或半圆形的形状。该弧形或半圆形在一侧联接到翼的压力面壁上。在另一侧，通过连接面(包括图5和图7所示叶片的脊部42，242的表面)，连接到平台表面62上。 

在所示实施方案中，凹槽附近的平台表面62(不包括脊部，如果有的话)呈稍微弯曲的表面，且实际上为回转面。 

最后，在图8和图9所示实施方案中，沿凹槽40，140提供了多个喷气通道16，以便将冷却空气送到翼间通道，从而使得叶片得以冷却。 

这些喷气通道16实际上在与压力面56的短距离上彼此前后依次排列布置。 

相对于翼的中性面55，这些通道在翼的大部分区域延伸：第一喷气通道从前缘52起开始，位于沿中性面大约20％处，而最后一个喷气通道16则位于沿中性面大约90％处。如图8和图9所示，所述喷气通道可以分布在不超过凹槽40，140范围的翼50中性面的区域内。 

Claims (8)

1.一种涡轮机叶轮(100)的叶片(10)，该叶片包括带有压力面(56)的翼(50)和沿垂直于翼纵向方向自翼(50)的一端延伸的平台(60)，该平台至少有一个喷气通道(16)，所述叶片(10)的特征在于，平台(60)包括凹槽(40，140，240)，凹槽(40，140，240)在压力面至少下游部分沿压力面(56)延伸，所述至少一个喷气通道(16)是在所述凹槽内形成的。

2.根据权利要求1所述的涡轮机叶轮(100)的叶片(10)，其特征在于，叶片(10)适合与多个相同的叶片一起布置，以形成围绕环轴线(A)的环形体，在该环形体内，翼(50)径向布置，位于压力面(56)下游部分附近的平台表面(62)为围绕环形体轴线的回转面，而所述凹槽相对于所述表面下凹。

3.根据权利要求1所述的涡轮机叶轮(100)的叶片(10)，其特征在于，该叶片与多个相同的叶片一起以形成围绕环形轴线的一个环形体，该环形体具有径向地布置于其中的翼，两个相邻叶片的位于它们各自的翼之间的平台表面部分形成翼间表面，所述翼间表面将一个翼的压力面连接到相邻翼的吸力面上，以形成翼间通道，所述凹槽(40，240)是在压力面(56)与形成于平台表面(62)上的脊部(42，242)之间形成的，而该脊部(42，242)与所述压力面的下游部分(57)之间的间隔不大于翼间通道宽度的三分之一。

4.根据权利要求3所述的涡轮机叶轮(100)的叶片(10)，其特征在于，凹槽(40)的一侧面由压力面(56)构成，另一侧面由脊部(42)构成。

5.根据权利要求1所述的涡轮机叶轮(100)的叶片(10)，其特征在于，凹槽(40，140)相对于翼的中性面(55)从其第一四分之一处向翼最下游处延伸。

6.根据权利要求1所述的涡轮机叶轮(100)的叶片(10)，其带有多个沿凹槽(40，140)分布的喷气通道(16)。

7.一种带有多个根据权利要求1到6中任何一项权利要求所述叶片的叶轮。

8.一种带有至少一个根据权利要求7所述叶轮的涡轮机。