[发明专利]涡轮叶片

说明书

本发明涉及一种涡轮叶片和一种制造涡轮叶片的方法。 

涡轮叶片，尤其是燃气轮机的涡轮叶片在运行时要承受高温，有时这样的高温也会超过材料应力的极限。尤其是在涡轮叶片的入流前缘周边区域内会出现这样的情况。为了即便在高温时也能使用涡轮叶片，很久以来已知的方法是对涡轮叶片进行适当的冷却，使它们具有更高的耐热性，其中，尤其是在燃气轮机中，由于燃气轮机的进口温度越来越高，对涡轮叶片实施冷却的重要意义也一直在增加。利用具有高耐热性的涡轮叶片，尤其可实现较高的动力效率。 

已知的冷却方式例如是对流冷却，冲击式冷却和薄膜式冷却。对流冷却可能是应用最为广泛的叶片冷却方式。在这种冷却方式中，冷却空气被导引通过叶片内的通道并利用对流效应，将热量带走。在冲击式冷却方式中，冷却空气流从内侧撞击到叶片表面上，由此在撞击点实现很好的冷却效果，然而这样良好的冷却效果仅仅局限于撞击点较窄的区域及比较靠近的周边。因此，这种冷却方式主要用于冷却涡轮叶片的承受局部很高温度载荷的入流前缘。在薄膜式冷却方式中，冷却空气通过涡轮叶片中的开孔从内部流到叶片的外侧。冷却空气绕流涡轮叶片并在热的过程燃气和涡轮叶片表面之间形成一个隔热层。上述这些冷却方式可视具体应用情况而适当组合，从而实现尽可能有效的叶片冷却。 

例如在美国专利文献US 6,238,182中公开了涡轮叶片的入流前缘的冲击式冷却。该涡轮叶片具有一个铸造出的叶片型面，其型壁较厚。在较厚的型壁中插装有一种薄壁的冲击式冷却插件。该冲击式冷却插件通过多个分别减缩成尖端的肋片支撑在与之相对的另一些肋片上，这另一些肋片设置在型壁的内侧。这样形成的成对肋片(肋片对)在此相互焊接，以围成所述腔室。 

为实现对流冷却，在目前已知的涡轮叶片设计中，叶片连同例如叶片衬套形式的外壳以及冷却通道被浇铸而成。然后通过涂敷工艺在叶片上施加涂层。在该制造工艺中，尤其是借助浇铸工艺制造在已知的涡轮叶片中设计的冷却通道十分麻烦，成本耗费也很大。 

除了用浇铸工艺制造涡轮叶片外，在美国专利文献US 2,906,495中也公开了由一个支撑结构和一个外壳组成的可纯粹进行对流冷却的涡轮叶片。所述支撑结构为波形。波谷和波峰分别与一个由外壳板构成的叶片型面的吸入侧和压力侧焊接，由此形成多个沿叶片型面直线延伸的冷却通道。 

本发明所要解决的技术问题在于提供一种可进行特别有效的对流冷却的涡轮叶片，并且该涡轮叶片与已知的涡轮叶片相比能更方便和廉价地制造。 

上述技术问题按照本发明首先通过一种涡轮叶片来解决，该涡轮叶片具有一个托架结构和一个包绕该托架结构的外壳，该外壳通过多个间隔保持件与所述托架结构保持间隔地相连接，以便在所述托架结构和所述外壳之间形成可供冷却介质流过的间隙，按照本发明，所述外壳和所述托架结构通过所述间隔保持件进行逐点地连接，所述间隔保持件面状分布地设置。 

在本发明的涡轮叶片中，所述优选为叶片衬套形式的外壳仅仅用于在涡轮叶片被绕流或迎流时，通过按照本发明的间隔保持件将气体动力传递到一个面状地位于该外壳之下的托架结构中。所述托架结构主要支撑外壳并承接通过外壳和间隔保持件传递来的流动力。如果按照本发明的涡轮叶片也用作动叶片，则托架结构也承受因转动造成的离心力作用。就此而言，本发明的涡轮叶片与美国专利文献US6,238,182所公开的涡轮叶片存在区别，在后者所披露的叶片中，仅叶片型面段设计为自支撑，冲击式冷却插件仅仅承担为冲击式冷却保持间隔距离的作用。 

所述力传递通过大量面状分布地设置、并分别将外壳与托架结构逐点地连接起来的间隔保持件来实现。通过间隔保持件的面状分布设置，所述外壳在大量的部位被支撑，这使得外壳可特别薄并因此能特别好地冷却。 

所述通过间隔形成的间隙按照本发明由一种优选为气体或流体的冷却介质流过，以便在涡轮叶片应用过程中通过对流冷却实现对外壳的有效冷却。按照本发明，所述外壳的热量仅仅通过所述间隔保持件传递给所述托架结构。这样做的优点在于，避免了因外壳受热所导致的托架结构过热。 

采用本发明的涡轮叶片，可相对于已知的技术方案更好地区分流动导向任务和力传递任务，从而降低任务的复杂程度。通过热和机械方面的脱耦，可有效地结合不同寻常的材料组合，而这在已知的连同其外壳和冷却通道一起被浇铸而成的涡轮叶片中却不能顺利简便地实现。