[发明专利]涡轮叶片

说明书

技术领域

本发明涉及一种涡轮叶片，该涡轮叶片包括带有冷却通道的叶身和沿叶身延伸的前缘，其中冷却通道相对于前缘而言以壁段为界，以及，设有用于冷却壁段的冲击冷却装置。 

涡轮叶片，尤其燃气轮机的涡轮叶片，工作时遭受迅速超过材料应力极限的高温。这种情况尤其发生在进气边周围的区域，在这里高温的工作气流最初冲击在涡轮叶片的叶片型面上。为了使涡轮叶片也能在高温下使用，长期以来已知恰当地冷却涡轮叶片，使涡轮叶片有更高的耐热强度。采用有高耐热强度的涡轮叶片，尤其可以达到特别高的能量利用效率。 

已知的冷却方式尤其是对流冷却、冲击冷却和气膜冷却。在对流冷却的情况下，冷却空气经通道导入叶片内部，利用对流效应排出热量。在冲击冷却的情况下，冷却气流从内部冲击在叶片内表面上。以此方式在命中点可以实施非常良好的冷却作用，当然这种冷却作用只限于命中点狭小的区域及其周围。因此这种冷却方式大多用于冷却也称为前缘的进气边。在气膜冷却的情况下，冷却空气通过涡轮叶片上的一些孔从涡轮叶片内部向外导引。这种冷却空气绕流涡轮叶片，以及在高温工作气体与叶片表面之间形成隔热层。所说明的这些冷却方式根据应用情况恰当组合，以达到尽可能有效的叶片冷却。 

由EP1473439A2已知一种具有冲击冷却的入流边的此类涡轮叶片，它在面朝冲击冷却通道的内表面上有肋和扰流子。在连接吸入侧壁与压力侧壁的桥梁内设有冲击冷却孔，冷却空气可以通过这些冷却孔导向布设在内表面上的肋。 

作为上述冷却方式的补充，非常广泛地使用冷却装置，如扰流子，它们大多制备成肋的形式。冷却装置布设在用于对流流动的冷却通道内部，冷却通道在涡轮叶片内部延伸。冷却通道内肋的置入，促使在边界层内的冷却气流分离和扰流。在冷却通道壁与冷却空气之间存在温差时，通过这种对流动的强迫干扰增强热传导。通过配备冷却肋，持续地促使气流形成 新的“再存留区(Wiederanlegegebiete)”，在此区域内可达到显著增大当地传热系数。基于高的工作温度，限制了已知肋的使用寿命，这尤其是已知肋的几何形状带来的结果。与已知肋几何形状相关联的热应力导致内部裂纹，该裂纹会限制肋的使用寿命，并因而最终也限制涡轮叶片的使用寿命。 

为了冷却涡轮叶片在工作期间通常热负荷非常高的进气边，亦即前缘，往往在涡轮叶片内靠近进气边设计有平行延伸的冷却通道，其中通过设计在叶片中的其他冷却通道供入冷却空气。如此实现的进气边对流冷却，对于薄膜冷却的叶片，大多通过对在进气边附近延伸的冷却通道的冲击冷却作为补充。在涡轮叶片不进行薄膜冷却的应用中，对流冷却通过设在冷却通道内壁上的扰流子强化。 

发明内容

总之，当前不仅在气膜冷却式叶片中，而且在非气膜冷却的叶片中，均存在更显著地要改善冷却，尤其要改善进气边冷却的需求。尤其是当前的冷却方案也没有考虑在涡轮叶片使用期间形成的不均匀温度分布。 

本发明要解决的技术问题是提供一种涡轮叶片，它无论存在气膜冷却与否，与已知的方案相比均能有效地冷却，并有更长的使用寿命。 

按照本发明此技术问题通过按照权利要求1特征所述的涡轮叶片得以解决。 

涡轮叶片具有一个在涡轮叶片一侧延伸的前缘，其中冷却通道相对于前缘而言以一个壁段为界，以及，具有两个或多个长度不同的榫齿状冷却元件，它们从所述壁段起延伸到冷却通道中，为了与当地预定的冷却需求相适应，它们的长度是不同的。 

因此通常热负荷很大的前缘可以非常有效地被冷却。借助按照本发明的从所述壁段延伸到冷却通道中以及尤其促使冷却剂强烈扰流的冷却元件，在所述壁段与冷却剂之间存在温差时可以显著增强热传导，与此同时显著增大当地传热系数。总之，以此方式可以将热量非常有效地排出到前缘的周围环境内，与此同时非常有效地冷却前缘。 

按照本发明将由冷却剂首先冲击冷却式地入流的冷却元件，设计为榫齿状。设计为榫齿状的冷却元件，一方面促使增大可冷却的壁面，另一方面在实施冲击冷却后，导致例如冷却空气形式的冷却剂非常强烈的扰流， 在冷却通道壁与冷却剂之间存在温差时，流动通过如此强烈的强迫干扰增强热传导，与此同时显著增大当地传热系数。 

此外，通过冷却元件采用按照本发明规定的榫齿状的设计，在涡轮叶片工作期间在冷却元件内形成的热应力保持为最低程度，从而不会产生内部裂纹，在这里尤其使热应力比在已知的扰流子中形成的热应力小得多。因此按照本发明改善整体的应力状况，与已知的方案相比，可以达到显著延长冷却元件的使用寿命，与冷却元件长的使用寿命相关联地也使涡轮叶片有长的使用寿命。