[发明专利]燃气涡轮叶片

说明书

技术领域

本发明大体涉及燃气涡轮叶片，其包括：根部；具有前缘、后缘、径向外尖端以及在前缘和后缘之间的压力侧和吸力侧的翼型；以及从根部内的空气入口开口贯穿翼型延伸到翼型的尖端顶部的压力侧和前缘处的多个空气出口的冷却空气通道系统。

背景技术

燃气涡轮在高温运行，该高温可能达到1200摄氏度及更高。因此，涡轮叶片必须能够承受这样的高温。为了延长叶片的寿命，其通常包含冷却系统来引导冷却空气通过叶片。

燃气涡轮叶片包括根部、平台和从平台向外延伸的翼型，翼型包括尖端、前缘和后缘。在燃气涡轮运转期间，在涡轮叶片的一些区域中可产生高应力。在翼型毂区域和毂处的后缘区域内存在特定的寿命受限区，其在翼型的下游侧形成相对薄的壁。由于其相对薄的结构以及在运转期间的高应力，后缘极易形成裂纹，这会导致翼型失效。

冷却系统包含内部冷却通道，其从燃气涡轮的压缩机接收空气并使得空气通过叶片。冷却通道包括多个流路，其被设计成将涡轮叶片保持在相对均匀的温度。不过，有时离心力和边界层处的空气流动会阻止适度冷却涡轮叶片的某些区，从而导致形成局部热点，这会减少涡轮叶片的使用寿命。

翼型中的冷却系统可以包括冷却空气通路以便最大化翼型尖端和后缘中的对流冷却，并且将一部分冷却空气通过翼型的尖端和后缘内的冷却孔排出。这样的涡轮叶片是已知的，例如从美国专利5,192,192可知。

发明内容

本发明的目标是提供在翼型尖端中具有高冷却能力的燃气涡轮叶片。

根据本发明通过如上所述的燃气涡轮叶片来实现该目标，其中翼型尖端顶部处的空气出口的密集度在压力侧上大于在吸力侧上。使用这种手段，冷却空气或任意其他冷却流体被更精确地引导到叶片运转期间产生最多热量的尖端部分。因为更少或没有空气被引导到尖端顶部的吸力侧，所以大部分或全部冷却空气被分配用于冷却尖端顶部的被加热压力侧。

可以以每单位面积尖端表面的出口横截面来测量空气出口的密集度，或者如果存在具有相同横截面的多个出口，则可以以每单位尖端表面面积的出口数量来测量空气出口的密集度。优选地，尖端顶部的吸力侧没有空气出口。

尖端顶部可以被限定成尖端径向面向外的部分。压力侧可以被限定成尖端的顶部的压力侧区段并且前缘可以被限定成尖端顶部的前缘区段。压力侧区段和吸力侧区段，为方便起见称为压力侧和吸力侧，可以被限定成尖端顶部的从尖端的相应外边界延伸到尖端的骨架线或压力侧壁和吸力侧壁之间中间的线的区域。

可以通过在骨架线切入翼型上游表面或压力侧表面的点处从骨架线测量±90度的区域来限定尖端的前缘。根据叶片类型，另一定义是：从翼型前缘向后缘延伸一定距离的区域，该距离可以是前缘和后缘之间的距离的1/10。

叶片尖端的顶部可以包括从尖端底部径向向外延伸的一个或更多个肋。这样的一个或更多个肋可以从前缘延伸到后缘或延伸该距离的一部分，两个肋形成在其间的腔或室。这样的一个或更多个肋用作密封器件来减少在叶片尖端和围绕成排叶片的静止外部密封之间流动的泄漏气体。优选地，冷却空气出口位于从尖端底部径向向外延长翼型的压力侧壁的肋的内侧。优选地，肋绕尖端的前缘以弓形延伸，空气出口位于该肋的弓形所围绕的前缘上。

根据本发明的方面，尖端前缘附近，特别是前缘区段内，每单位面积的空气出口数量高于尖端顶部内每单位面积的空气出口的平均数量。尖端的前缘的热点可以以与非常有效地使用很少冷却空气相结合的最有效的方式被冷却。优选地，前缘上的空气出口的密集度大于压力侧上的最大出口密集度。有利地，前缘上相邻空气出口之间的平均距离大于尖端压力侧上相邻空气出口之间的平均距离。这样，冷却空气可以非常均等地分布于尖端的整个前缘区段。

在本发明的优选实施例中，前缘处的空气出口形成设置在尖端前缘处的一组空气出口。使用这种方式，冷却空气也可以非常均等地分布于尖端的整个前缘区段。

根据本发明另一方面，所述组和最靠近所述组的空气出口之间的最短距离大于所述组的直径。虽然翼型尖端的前缘是在叶片运转期间生成很多热量的热点，但是翼型压力侧靠近前尖端的区段生成相当少的热量，少于朝向后缘进一步向后的随后区段。利用这种实施例，冷却空气仅被引导到热区域，节省了产生很少热量的位置处的空气。优选地，没有空气出口的区域被设置在所述组和最靠近所述组的压力侧上的空气出口之间，这个区域沿从前缘到后缘的方向在直径上大于所述组的直径。