[发明专利]围带件得到有效冷却的涡轮叶片

说明书

本发明涉及燃气轮机，本发明特别涉及一种空气冷却涡轮叶片。

这种空气冷却涡轮叶片例如见US-A-5,482,435或US-A-5,785,496。

现代燃气轮机的工作温度极高。因此需要对现代燃气轮机中使用的涡轮叶片进行充分冷却。此时，一般特别难于有效冷却叶片的露出部位。这些部位之一是叶片的围带或围带件。冷却围带件的一种方法见上面提到的US-A-5,785,496。该专利提出(见该专利的图1A和1B)，用若干从(中部)运动叶片经围带件伸展到围带件外边缘后通向外部空间的平行冷却孔冷却围带件。在US-A-5,482,435中，只有方向相反的两个冷却孔冷却围带件。

但是，这些现有方法的缺点是：现有冷却孔在围带件内部所占据的空间较小。由于为在围带件中钻孔，围带件须保持一定厚度，而在这些孔的外部部位也得保持围带件的这一厚度或更大厚度，因此流体流过的围带体积与流体不流过的围带体积之比减小。其结果是，围带件得不到最佳冷却，由于围带件固体材料所占比例大，因此较重，从而运行中因向心力而受到很大机械负载。

为解决这一问题，例如在GB-A-2,290,833中提出，全部取消围带件内部的冷却孔，而是使冷却空气如薄膜冷却那样从一分布通道经若干小孔流出到围带件的顶面上，以此减小围带件的厚度和重量。但是，此时的一个问题是，围带件的这一表面薄膜冷却方法的有效性极大地依赖于围带件顶面上的流体条件，因此很难在各种运行状态下都获得最佳冷却。

因此本发明的目的是提供一种具有一空气冷却围带件的涡轮叶片，在该涡轮叶片中，可简单地克服上述缺点，其特点是，在大大减轻围带件的重量的同时有效冷却围带件。

为实现上述目的，本发明提出一种空气冷却涡轮叶片，其叶顶上有一围带件，该围带件横向伸展在叶片的纵向轴线上，围带件的内部有用来冷却的空心空间，这些空心空间在进口端与经涡轮叶片通向叶顶的至少一个冷却空气通道连接，并在出口端开放而通入涡轮叶片周围的外部空间，其中，空心空间与围带件的形状和尺寸互相匹配，从而减轻围带件的重量。本发明的要点在于，把在围带件内部携带冷却流体的空心空间的形状和尺寸设计成与围带件匹配，从而提高供冷却流体流动的体积在围带件总体积中所占的比例。这样，可在有效冷却的同时大大减轻围带件的重量。

本发明涡轮叶片第一优选实施例的特征在于，该空心空间包括冷却孔；冷却孔呈隧道形，围带件在冷却孔外部的厚度减小；冷却孔从内到外与叶顶运动方向平行地伸展，向上通向围带件外边缘上游的外部空间。冷却孔的隧道形设计不仅减小了围带件固体材料所占比例，同时提高了围带件的机械刚性。即使一涡轮的所有叶片的围带件依次排列在一直线上形成一环状围带，冷却空气也可在叶顶处顺畅排出。

为此，围带件的顶面上最好有凹槽，冷却孔沿横向通入凹槽中。此外，每一冷却孔中最好有一限制冷却空气质量流的节流口，各节流口位于冷却孔的进口端。某些冷却孔也可设计成扩散器。

本发明第二优选实施例的特征在于，空心空间设计成伸展在围带件宽度上的缝；这些缝从内到外与叶顶运动方向平行地伸展，向上通向围带件外边缘上游的外部空间；围带件的顶面上有凹槽；这些缝沿横向通入这些凹槽。这些宽缝提高冷却效果，同时大大减少围带件的材料。此时，这些缝中最好也有限制冷却空气质量流的节流口，节流口位于缝的进口和/或出口端。

如在该实施例的一优选变种中在这些缝中使用提高冷却空气与围带件之间热传导的部件，则该冷却特别有效。特别是，可把分布在这些缝中的销钉用作提高热传导的部件，在这些销钉周围形成冷却流体涡流，因此这些销钉进一步提高冷却流体与围带件材料之间的热传导。

本发明涡轮叶片的第三优选实施例的特征在于，该空心空间包括伸展在叶顶运动方向上的冷却孔；许多横向孔与这些冷却孔交叉；这些横向孔用封闭端与外部空间隔绝。这些交叉的冷却孔在几何构型上与其中分布有销钉的缝相当。因此热传导大大提高，围带件的固体材料、从而重量大大减少。这些交叉的冷却孔在围带件中很容易用现有方法加工。如用所谓的STEM钻孔工艺制作这些冷却孔和横向孔，这些冷却孔就可特别有利于冷却。

下面结合附图详细说明本发明各实施例，附图中：

图1为本发明涡轮叶片第一优选实施例的平面图，该围带件中有隧道形冷却孔(用虚线表示)；

图2为燃气轮机内部图1涡轮叶片的顶部与相对壳体壁的侧视图；

图3与图1类同，但示出具有宽缝和均布在该缝中的销钉的本发明第二优选实施例；

图4与图2类同，示出图3叶片的侧视图；