[发明专利]具有翼型轮廓形状散热器的涡轮叶片

说明书

技术领域

本发明涉及涡轮叶片，其具有压力侧、吸力侧和布置在该压力侧和吸力侧之间的冷却空气管道，其由吸力侧的内表面和压力侧的内表面划界，其中，在冷却空气管道中布置有圆柱形散热器，该散热器的基部表面具有翼型轮廓的形状，具有轮廓上侧和轮廓下侧，所述冷却空气管道从压力侧到吸力侧延伸，其中，所述基部表面是在所述压力侧或吸力侧的内表面，其中紊流器布置在所述压力侧和/或吸力侧的内表面上，在散热器的区域中。

背景技术

涡轮是涡轮机，其将流动流体(液体或气体)的内能(焓)转换成旋转能，最后转化为机械驱动能。当流体流围绕涡轮叶片尽可能无紊流且层流地流动时，流体流的内能的分被从其提取，并由涡轮的转子叶片占用。这些然后转动涡轮轴，有用功率被提供到与其联接的机器，诸如例如发电机。转子叶片和轴是涡轮的移动转子或线轴的部分，该涡轮被布置在壳体内。

在一般情况下，多个叶片被安装在轴线上。安装在平面中的转子叶片分别形成叶片环或转子环。叶片具有略微弯曲的轮廓，类似于飞机翼型。定子环通常位于每个转子环的上游。这些定子叶片从壳体伸出到流动介质中，并且导致其成漩涡。定子环中产生的旋涡(动能)被用于在随后的转子环以转动轴，在该轴上安装有转子环叶片。定子环和转子环一起被称为级。通常，多个这样的级串联连接。

涡轮的涡轮叶片经受特定负载。高负载需要非常耐磨的材料。因此涡轮叶片由钛合金，镍基超合金或钨-钼合金制成。叶片被涂层保护，以用于相对于温度和腐蚀，例如点蚀较大的抗力。该防热涂层被称为热障涂层或简称TBC。用于提供具有更高耐热性的叶片的其他措施包括精心设计的冷却管道系统。这种技术可以用在定子叶片和转子叶片中。

在许多情况下，涡轮叶片轮廓的在压力侧和吸力侧之间延伸的冷却管道被铸入涡轮叶片。在这方面，所述冷却导管道是由压力侧的内表面和吸力侧的内表面以及由其他引入的边界壁划界的。为了提高通流空气的冷却效果，被称为“针鳍(pin fins)”的散热器根据需要被布置；这些可以具有各种形状，并且还特别是其横截面以翼型轮廓的方式被成形。这种散热器是本领域技术人员例如从EP 0 230 91，EP 0034 961和美国5536143已知的。

这些散热器在铸造过程期间被引入涡轮叶片中。此外，冷却管道的内表面上，特别是在这些针鳍区域的涡轮叶片的外壁的内表面上，经常附接有紊流器，其提供额外的空气紊流并且改善了冷却效果。

目前，在涡轮叶片上的热负载限制了涡轮的效率，因为这些材料只允许有限的操作温度。然而，高的工作温度对卡诺效率具有积极作用。

发明内容

因此，本发明具有指示在引言中提到类型的涡轮叶片的目的，这允许涡轮的改进冷却空气效果，并且因此允许较高的工作温度和更高效率。

这个目的是根据本发明来实现的，因为紊流器被布置成使得在邻近轮廓上侧的区域内比邻接轮廓下侧的区域产生更少的空气紊流。

在这方面，本发明从以下考虑出发，迄今，当使用散热器，特别是那些具有翼型轮廓的散热器时，散热器所造成的热梯度是不考虑的。这种热梯度可以表示部件上热负载的增加，这降低了使用寿命。在这方面，已经认识到，具有翼型轮廓的散热器产生这样的热梯度，这是因为冷却空气更快地在上侧上流动，所述上侧即在其上由于轮廓的曲率，空气必须采取从轮廓前缘到轮廓后缘的更长的路径的那侧。结果是，换句话说，热传递在上侧相比于下侧得到改善。出于这个原因，为了避免热梯度，下侧上的热传递应该增加。这可以通过下侧区域中增加的紊流，即空气紊流而实现。为此目的，冷却管道的内表面上的紊流器应布置成使得在邻接轮廓上侧的区域中比邻近轮廓下侧的区域中产生较少的空气紊流。

有利的是，为此，更多数量的紊流器被布置在邻近散热器的轮廓下侧的区域中，相比于邻近轮廓上侧的区域中。作为紊流器，可使用任何类型的人为附着表面中断，该表面中断将层流改变成紊流，所述表面中断例如是横向导轨，小竖板或孔。如果更多的紊流器布置在轮廓上侧，所期望的更大空气紊流效果在这里实现。

更有利地，在这种情况下，没有紊流器被布置在邻近散热器的轮廓上侧的区域中。这最大限度地减少在轮廓上侧的区域中的空气紊流，以使得热传递降低。这也有助于平衡在轮廓上侧和下侧的热传递。

在一个有利的实施方式中，紊流器具有相对于在冷却空气管道中的主流动方向以超过45度的角度取向的边缘。各紊流器是在这种情况下体现为相对于空气流被横向引入的导轨。这样的形状是相对简单的以用于在铸造过程中引入，并且可靠地产生空气紊流。