[发明专利]涡轮叶片

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于流动旋转机器(Stroemungsrotationsmaschine)的涡轮叶片，其带有叶片叶(Schaufelblatt)，叶片叶由凹状的压力侧壁和凸状的抽吸侧壁限制，侧壁包围由压力侧壁和抽吸侧壁以及由在纵向上延伸的以内壁方式(innwandig)将抽吸侧壁和压力侧壁连接的间壁(Zwischenwand)限制的空腔。

背景技术

上述类型的涡轮叶片是耐热的构件，其尤其被应用在燃气涡流组件的涡轮级内并且以导叶或工作叶片(Laufschaufel)的形式暴露于直接从燃烧室出来的热气。

这样的涡轮叶片的耐热性一方面源于耐热材料的使用而另一方面源于直接暴露于热气的涡轮叶片的最高效的冷却，其为了以冷却剂、优选地冷却空气连续流过和加载的目的具有相应的空腔，空腔联接到燃气涡轮组件的冷却剂供给系统(其为了所有暴露于热的燃气涡轮部件的冷却在燃气涡轮运行期间由此尤其给涡轮叶片提供冷却空气)处。

传统的涡轮叶片具有叶片根部(Schaufelfuss)，叶片叶径向地间接或直接联接到叶片根部处，叶片叶具有凹状成形的压力侧壁以及凸状成形的抽吸侧壁，它们在叶片前棱边(Schaufelvorderkante)的区域中一体地相连接并且在它们之间限制有间隙，为了冷却目的从叶片根部的侧以冷却空气来供应该间隙。在此，概念“径向地”表示在径向于转子单元的旋转轴线定向的燃气涡轮组件内的装配状态中的涡轮叶片延伸。为了对于涡轮叶片的优化的冷却进行在抽吸侧壁与压力侧壁之间所包围的间隙内的冷却空气供给和分布，该间隙设有径向伸延的间壁，其分别将径向地在叶片叶内定向的空腔彼此隔开，其中的一些空腔具有流体连接。在沿着空腔的合适部位处在涡轮叶片前和/或后棱边的区域中或者在涡轮叶片顶端处在抽吸或压力侧壁中设置有通过孔(Durchtrittsoeffnung)，使得冷却空气可向外漏到涡轮级的热气通道中。

由文件EP 1 319 803 A2可得悉一种为了冷却目的优化的燃气涡轮叶片，其在涡轮叶片叶内设置多个径向定向的冷却通道空腔，它们分别曲折形地流体连接并且根据不一样强地热负载的叶片叶区域被以或多或少的冷却空气流过。尤其适合于以特别有效的方式冷却叶片前棱边的经受热气的最大的流动和热暴露的区域。对此，以内壁方式相对于叶片前棱边纵向地延伸有空腔，其由在叶片前棱边处联合的抽吸和压力侧壁以及由以内壁方式将抽吸和压力侧相互连接的间壁限制并且其从叶片根部侧被供应以冷却空气。通常，流过空腔的冷却空气向外到达叶片叶顶端的区域中。为了改善在叶片叶壁与流过空腔的冷却空气之间的热传递，此外沿着包围空腔的壁区域设置有使冷却空气流动成漩涡的结构。

在文件US 5,688,104中说明了涡轮叶片的叶片前棱边区域的另一优选的冷却。沿着叶片前棱边伸延有空腔，其一方面由在叶片前棱边处联合的抽吸和压力侧壁以及由在叶片叶内将抽吸和压力侧壁刚性地相互连接的间壁限制。沿着叶片前棱边伸延的空腔被供应以冷却空气，其仅通过设置在间壁内的冷却通道开口进入空腔中。直线地构造的间壁在径向的纵向延伸中设有多个单独的通过通道，冷却空气通过其从邻接的径向伸延的冷却通道沿着叶片叶以冲击冷却的形式在叶片前棱边的方向上进入前述空腔内。为了导出被引入空腔中的冷却空气，沿着叶片前棱边分别设置有指向抽吸和压力侧壁的薄膜冷却开口，被引入空腔内的冷却空气通过其在构造薄膜冷却的情况下分别在压力以及抽吸侧壁处被带出。

为了改善尤其涡轮叶片的叶片前棱边的冷却效果，提出利用已知的冷却技术一方面提高冷却空气供给，另一方面优化冲击冷却的冷却机构。

为了尤其在叶片前棱边的区域中优化的耐热性的目的具有上述冷却措施的涡轮叶片然而在叶片前棱边区域中沿着压力和抽吸侧壁常常显示出疲劳现象，其在最终阶段中通过形成裂纹显现出。对于这样的裂纹形成的基础在于在叶片前棱边区域中在抽吸和压力侧壁内出现热机械应力，其源于在叶片叶的被冷却空气加载的内部的壁区域与热气加载的叶片前棱边之间的高温差。尤其在燃气涡轮组件的瞬态运行状态的情况中，如其在涡轮级中载荷变化时或在起动时出现的那样，可出现大约1000℃的在热气加载的叶片前棱边与以冷却空气加载的间壁和内壁区段之间的温差。显然，在这样大的温差下沿着叶片前棱边在抽吸侧壁和压力侧壁内出现显著的热机械应力，如前面所提及的那样，其导致显著的材料负载。

发明内容