用于燃气轮机的具有冷却的扫掠边缘的转子叶片制造技术

一种用于燃气轮机的具有冷却的扫掠边缘的转子叶片，包括沿径向方向延伸的叶片(1)，具有叶片体(2)，该叶片体(2)包括：具有压力侧壁部分(3a)和吸入侧壁部分(3b)的周壁，板状顶部基部，在叶片尖端的区域中连接至周壁，以及沿周壁延伸的扫掠边缘，周壁以及顶部基部在叶片体中限定腔体，扫掠边缘在外侧与周壁对齐并且在顶部基部的上方径向地突出，并且在叶片体中设置有冷却通道，该冷却通道从腔体延伸到设置在扫掠边缘中的冷却流体出口(12)，在扫掠边缘的前表面(7b)中形成至少一个凹部(9)，至少一些冷却通道通入该凹部中，从而使冷却流体出口完全被布置在凹部(9)的底部区域(9a)中。

Rotor blades with cooled swept edges for gas turbines

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于燃气轮机的具有冷却的扫掠边缘的转子叶片
本技术涉及用于燃气轮机的转子叶片，包括叶片翼型，该叶片翼型沿径向延伸并且具有叶片翼型体，该叶片翼型体包括具有压力侧壁部分和吸力侧壁部分的周壁，板状顶部基部，在叶片尖端的区域中连接至周壁，以及沿周壁延伸的扫掠边缘，其中周壁和顶部基部在叶片翼型体中限定腔体，扫掠边缘在外侧与周壁对齐并且在顶部基部的上方径向地突出，并且在叶片翼型体中设置有冷却通道，该冷却通道从腔体延伸到设置在扫掠边缘中的冷却流体出口。
技术介绍
在燃气轮机设备中，由燃料燃烧生成的热气体的热能和/或流动能被转换成旋转能，该旋转能通常借助于发电机被转换成电能。出于该目的，燃气轮机设备具有流动通道，在该流动通道的轴向方向上，可旋转地安装涡轮机转子。涡轮机转子包括多个轮盘，在每个轮盘的径向外端面上布置有多个呈叶片环形式的转子叶片。出于该目的，每个转子叶片具有叶片根部，叶片根部被插入到一个或多个接纳槽中，这些接纳槽形成在轮盘的端面上，并且叶片根部被固定在接纳槽中。在叶片根部的顶侧上形成有叶片平台，叶片翼型从叶片平台的外侧背向轮盘，突出到流动通道中。在燃气轮机设备运行期间，热气体流过流动通道，伴随着流动的热气体将力作用在转子叶片上，该力由于叶片翼型的形状而被转换成扭矩，该扭矩作用在涡轮机转子上并且驱动涡轮机转子旋转。燃气轮机设备中的热气体温度越高，则燃气轮机设备的热力学效率越高。然而，由于转子叶片的热负荷能力，热气体温度的高低受到限制。因此，目的是提供一种转子叶片，即使在高热负荷的情况下，转子叶片也具有足以用于燃气轮机设备运行的机械强度。出于该目的，转子叶片设置有精细的涂层系统。为了进一步提高允许的最高热气体温度，转子叶片在燃气轮机设备运行期间被冷却。出于该目的，在转子叶片的内部形成有腔体以及冷却通道，冷却流体(通常是空气)流过该冷却通道。通常的冷却方法是例如冲击冷却，其中冷却流体被引导以使得从内侧冲击到叶片翼型的壁上，或者薄膜冷却，其中冷却流体从叶片翼型的内部通过在叶片翼型体中形成的冷却孔向外流动，以便在所述翼型的外侧形成冷却薄膜。因此，例如从US5,733,102和US2014/044557A1中已知通过铸造工艺来制造冷却的转子叶片的叶片翼型。通常的铸造叶片翼型各自包括中空的叶片翼型体，该叶片翼型体在叶片尖端的区域中通过所谓的顶部基部来封闭。在叶片尖端的区域中，叶片翼型体还具有扫掠边缘，该扫掠边缘以齐平的方式在外侧被模制到叶片翼型体上，并且沿着叶片翼型体的周壁的外轮廓在径向方向上突出。在扫掠边缘和通道壁(该通道壁限定了燃气轮机设备的流动通道)之间，保持有预定宽度的、狭窄的径向间隙，一方面，这是为了允许涡轮机转子在流动通道中的低摩擦旋转，而在另一方面，这是为了只允许热气体的一小部分未被使用地流过该径向间隙。为了保护扫掠边缘，已知为了冷却的目的，在扫掠边缘中形成冷却通道，该冷却通道从腔体向外延伸到冷却流体出口，该冷却流体出口形成在扫掠边缘的端面中。在涡轮机设备的特定运行持续时间之后，径向间隙可能发生变化。例如，由于蠕动，涡轮机转子可以偏离其初始的中心位置，转子叶片的长度可以由于离心力而增加，或者原来是圆形的流动通道可以变成椭圆形。这样的结果是由于热气体的热负荷和/或旋转引起的离心力或者重力而引起的下沉和/或伸长所导致的。由此引起的扫掠边缘端面和通道壁之间的接触导致材料由于摩擦(以金属灰尘或者金属碎片的形式)而从扫掠边缘被移除。然后，冷却流体出口可能被所移除的叶片翼型材料堵塞，其结果是损害或者防止了扫掠边缘的冷却。扫掠边缘的不充分冷却会导致更大的磨损，并且因此导致叶片翼型的使用寿命缩短。因此，EP2378076A1公开了一种涡轮机转子叶片的叶片尖端，该叶片尖端被加宽以形成小翼。小翼在转子叶片的叶片翼型的两侧突出，并且在径向外侧设置有相对窄的槽。槽的壁在一个部分中是阶梯形的，使得冷却开口在阶梯中开放。径向向外朝向的翼面设置有研磨材料，以便在磨合阶段期间移除相对的环段上的可磨损材料，从而在叶片尖端和相对的热气壁之间提供尽可能小的径向间隙。由于设置了沿着叶片轮廓被布置在叶片尖端中的槽以及被布置在阶梯中的膜冷却孔，被磨下的材料可以通过沿着槽流动的冷却介质而被带出。此外，从EP1281837A1中已知，延伸通过叶片尖端的冷却孔部分地也在扫掠边缘的向内表面中延伸。以这种方式，旨在改进涡轮机叶片的扫掠边缘的冷却。EP2863015A1公开了一种类似的装置，该装置在扫掠边缘的内表面上具有阶梯。
技术实现思路
从所述现有技术出发，本技术的目的是提供一种用于之前介绍中所提到类型的燃气轮机的转子叶片，该叶片具有备选的结构并且允许可靠的扫掠边缘的冷却。为了实现所述目的，本技术提供一种用于之前介绍中所提到类型的燃气轮机的具有冷却的扫掠边缘的转子叶片，其中，包括一个叶片翼型，叶片翼型沿径向方向延伸并且具有一个叶片翼型体，叶片翼型体包括：一个周壁，具有一个压力侧壁部分和一个吸入侧壁部分；一个板状顶部基部，在叶片尖端的区域中连接至周壁；以及沿周壁延伸的一个扫掠边缘，其中周壁和顶部基部在叶片翼型体中限定一个腔体，扫掠边缘在外侧与周壁对齐并且在顶部基部的上方径向地突出，并且在叶片翼型体中设置有多个冷却通道，多个冷却通道从腔体向外延伸到设置在扫掠边缘中的多个冷却流体出口，其中，在扫掠边缘的端面中形成至少一个凹部，至少一些多个冷却通道通入至少一个凹部中，从而使多个冷却流体出口完全位于凹部的一个底部区域中。关于径向方向，至少一个凹部的底部区域被布置在扫掠边缘的端面与顶部基部的外表面之间。至少一个凹部一直延伸到扫掠边缘的一个内侧，以便形成一个阶梯状横截面，并且相对于径向方向，扫掠边缘的一个内表面向外倾斜，以便形成一个第一倾斜角，并且测量在沿径向方向延伸的一个平面中被执行，平面与扫掠边缘垂直相交。第一倾斜角在0°至45°的范围内，并且相对于垂直于径向方向的一个平面，每个冷却通道朝转子叶片前缘的方向倾斜，或者朝转子叶片后缘的方向倾斜，以便形成一个第三倾斜角和/或一个第四倾斜角，其中朝转子叶片后缘的方向的第三倾斜角以及朝转子叶片前缘的方向的第四倾斜角各自在一个平面中被测量，平面与第一倾斜角的测量平面垂直相交，并且第三倾斜角和第四倾斜角各自在30°和90°之间的范围内，这样，由于多个冷却通道朝向前缘倾斜的布置，多个冷却通道的冷却流体射流能够被引导到在运行期间被布置在吸入侧的扫掠边缘的尖端的上方。本技术所基于的考虑是，关于径向方向相对于扫掠边缘的端面降低冷却流体出口。根据本技术，在扫掠边缘的端面中形成至少一个凹部，并且至少一些冷却出口被完全布置在至少一个凹部的底部区域中。以这种方式，冷却流体出口与扫掠边缘的端面和通道壁之间的接触区域相距一定距离，其结果是，减少或者防止冷却流体出口被所移除的叶片翼型材料堵塞的情况。因此，在燃气轮机设备的运行持续时间内冷却性能基本上被保持，与此相关联地，相应地延长了叶片翼型的使用寿命。此外，关于径向方向，至少一个凹部的底部区域被布置在扫掠边缘的端面与顶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于燃气轮机的具有冷却的扫掠边缘的转子叶片，包括一个叶片翼型(1)，所述叶片翼型沿径向方向(R)延伸并且具有一个叶片翼型体(2)，所述叶片翼型体(2)包括：一个周壁(3)，具有一个压力侧壁部分(3a)和一个吸入侧壁部分(3b)；一个板状顶部基部(4)，在叶片尖端(5)的区域中连接至所述周壁(3)；以及沿所述周壁(3)延伸的一个扫掠边缘(7)，其中所述周壁(3)和所述顶部基部(4)在所述叶片翼型体(2)中限定一个腔体(6)，所述扫掠边缘(7)在外侧与所述周壁(3)对齐并且在所述顶部基部(4)的上方径向地突出，并且在所述叶片翼型体(2)中设置有多个冷却通道(11)，所述多个冷却通道(11)从所述腔体(6)向外延伸到设置在所述扫掠边缘(7)中的多个冷却流体出口(12)，其中，在所述扫掠边缘(7)的端面(7b)中形成至少一个凹部(9)，至少一些所述多个冷却通道(11)通入所述至少一个凹部(9)中，从而使所述多个冷却流体出口(12)完全位于所述凹部(9)的一个底部区域(9a)中，其中，关于所述径向方向(R)，所述至少一个凹部(9)的所述底部区域(9a)被布置在所述扫掠边缘(7)的所述端面(7b)与所述顶部基部(4)的外表面(4a)之间，/n其中所述至少一个凹部(9)一直延伸到所述扫掠边缘(7)的一个内侧，以便形成一个阶梯状横截面，并且/n其中，相对于所述径向方向(R)，所述扫掠边缘(7)的一个内表面(7a)向外倾斜，以便形成一个第一倾斜角(δ)，并且测量在沿所述径向方向(R)延伸的一个平面中被执行，所述平面与所述扫掠边缘(7)垂直相交，/n其特征在于，/n所述第一倾斜角(δ)在0°至45°的范围内，并且/n相对于垂直于所述径向方向(R)的一个平面，每个冷却通道(11)朝所述转子叶片前缘的方向倾斜，或者朝所述转子叶片后缘的方向倾斜，以便形成一个第三倾斜角和/或一个第四倾斜角(α，β)，其中朝所述转子叶片后缘的方向的所述第三倾斜角(α)以及朝所述转子叶片前缘的方向的所述第四倾斜角(β)各自在一个平面中被测量，所述平面与所述第一倾斜角(δ)的测量平面垂直相交，并且所述第三倾斜角和第四倾斜角各自在30°和90°之间的范围内，这样，由于多个冷却通道(11)朝向所述前缘倾斜的布置，所述多个冷却通道(11)的冷却流体射流能够被引导到在运行期间被布置在所述吸入侧的所述扫掠边缘(7)的所述尖端的上方。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20160308 EP 16159107.81.一种用于燃气轮机的具有冷却的扫掠边缘的转子叶片，包括一个叶片翼型(1)，所述叶片翼型沿径向方向(R)延伸并且具有一个叶片翼型体(2)，所述叶片翼型体(2)包括：一个周壁(3)，具有一个压力侧壁部分(3a)和一个吸入侧壁部分(3b)；一个板状顶部基部(4)，在叶片尖端(5)的区域中连接至所述周壁(3)；以及沿所述周壁(3)延伸的一个扫掠边缘(7)，其中所述周壁(3)和所述顶部基部(4)在所述叶片翼型体(2)中限定一个腔体(6)，所述扫掠边缘(7)在外侧与所述周壁(3)对齐并且在所述顶部基部(4)的上方径向地突出，并且在所述叶片翼型体(2)中设置有多个冷却通道(11)，所述多个冷却通道(11)从所述腔体(6)向外延伸到设置在所述扫掠边缘(7)中的多个冷却流体出口(12)，其中，在所述扫掠边缘(7)的端面(7b)中形成至少一个凹部(9)，至少一些所述多个冷却通道(11)通入所述至少一个凹部(9)中，从而使所述多个冷却流体出口(12)完全位于所述凹部(9)的一个底部区域(9a)中，其中，关于所述径向方向(R)，所述至少一个凹部(9)的所述底部区域(9a)被布置在所述扫掠边缘(7)的所述端面(7b)与所述顶部基部(4)的外表面(4a)之间，
其中所述至少一个凹部(9)一直延伸到所述扫掠边缘(7)的一个内侧，以便形成一个阶梯状横截面，并且
其中，相对于所述径向方向(R)，所述扫掠边缘(7)的一个内表面(7a)向外倾斜，以便形成一个第一倾斜角(δ)，并且测量在沿所述径向方向(R)延伸的一个平面中被执行，所述平面与所述扫掠边缘(7)垂直相交，
其特征在于，
所述第一倾斜角(δ)在0°至45°的范围内，并且
相对于垂直于所述径向方向(R)的一个平面，每个冷却通道(11)朝所述转子叶片前缘的方向倾斜，或者朝所述转子叶片后缘的方向倾斜，以便形成一个第三倾斜角和/或一个第四倾斜角(α，β)，其中朝所述转子叶片后缘的方向的所述第三倾斜角(α)以及朝所述转子叶片前缘的方向的所述第四倾斜角(β)各自在一个平面中被测量，所述平面与所述第一倾斜角(δ)的测量平面垂直相交，并且所述第三倾斜角和第四倾斜角各自在30°和90°之间的范围内，这样，由于多个冷却通道(11)朝向所述前缘倾斜的布置，所述多个冷却通道(11)的冷却流体射流能够被引导到在运行期间被布置在所述吸入侧的所述扫掠边缘(7)的所述尖端的上方。


2.根据权利要求1所述的转子叶片，其特征在于，
所述底部区域(9a)被形成为一个平坦底部表面，所述平坦底部表面相对于所述端面(7b)具有如下深度(h1)，所述深度(h1)在0.5mm至4.5mm的范围内。


3.根据权利要求2所述的转子叶片，其特征在于，
所述深度(h1)在0.5mm至2.5mm的范围内。


4.根据权利要求1所述的转子叶片，其特征在于，
关于所述径向方向(R)，所述扫掠边缘(7)相对于所述顶部基部(4)的所述外表面(4a)具有如下整体高度(h)，所述整体高度(h)在1mm至10mm的范围内。


5.根据权利要求4所述的转子叶片，其特征在于，
所述整体高度(h)在1.5mm至6mm的范围内。


6.根据权利要求5所述的转子叶片，其特征在于，
所述整体高度(h)为3.5mm。


7.根据权利要求4所述的转子叶片，其特征在于，
其中所述凹部(9)的底部表面在所述顶部基部(4)的所述外表面(4a)上方的高度(h2)在所述整体高度(h)的60％和80％之间的范围内。


8.根据权利要求1所述的转子叶片，其特征在于，
所述第一倾斜角(δ)小于30°和/或大于10°。


9.根据权利要求1所述的转子叶片，其特征在于，
所述横截面的一个阶梯角被倒圆角。


10.根据权利要求9所述的转子叶片，其特征在于，
所述阶梯角为内角(10)。


11.根据权利要求9所述的转子叶片，其特征在于，
在所述至少一个凹部(9)的所述区域中，所述扫掠边缘(7)的所述端面(7b)具有如下宽度(a1)，所述宽度(a1)小于所述叶片翼型体(2)的所述周壁(3)在所述至少一个凹部(9)的区域中的厚度(d1)。


12.根据权利要求9所述的转子叶片，其特征在于，
在所述至少一个凹部(9)的所述区域中，所述扫掠边缘(7)的所述端面(7b)具有如下宽度(a1)，所述宽度(a1)小于所述至少一个凹部(9)的所述底部区域(9a)的宽度(b1)。


13.根据权利要求9所述的转子叶片，其特征在于，
在所述至少一个凹部(9)的所述区域中，所述扫掠边缘(7)的所述端面(7b)以及所述凹部(9)的所述底部区域(9a)组合起来具有如下宽度(a1+b1)，所述宽度(a1+b1)近似等于所述叶片翼型体(2)的所述周壁(3)在所述至少一个凹部(9)的所述区域中的厚度(d1)。


14.根据权利要求1所述的转子叶片，其特征在于，
所述扫掠边缘(7)的所述端面(7b)中的所述凹部(9)被形成为一个凹槽，一个外端面部分和...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·吉尔，C·金多夫，A·黑泽尔豪斯，R·昆特，M·施罗瑟，A·卡尔森，R·皮特森，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：新型
国别省市：德国;DE