[发明专利]流体机械受热负荷的叶片

说明书

本发明涉及一种流体机械受热负荷的叶片。

对涡轮机高效率的要求，除了提高压力比以外还导致不断增加涡轮进口温度。然而，目前可供这种涡轮使用的叶片材料，只有在相应地良好冷却的情况下才能承受这样的温度。为此所需的冷却空气从燃烧空气流分流，因此它们不再在燃烧室内参与能量供入，从而导致降低发电站的效率。

为了节省冷却空气，现在做了大量试验，用陶瓷层保护涡轮叶片或甚至整个叶片都用陶瓷材料制造。在采用陶瓷涂层的情况下，通常存在结构开裂的危险，这尤其是在必须采用较厚的涂层为0.5-1.5mm进行工作时。因此，若规定只有较薄的陶瓷层，则必须用冷却空气来冷却，这与采用隔热层的真正目的是矛盾的。大尺寸全陶瓷式叶片目前还没有能力在足够长的工作时间内承受所产生的力和应力。

本发明将为此提供补救措施。本发明的目的是，在前言所述类型的叶片中采取预防措施，使得在不排出冷却空气的情况下为叶片提供足够充分的热防护。

按本发明的规定，叶片的前缘用陶瓷材料制造，而叶片的其余部分可按传统的方法设计。这样做有下列优点：a)每个涡轮叶片的前缘几何尺寸较小。因此只涉及较少的陶瓷构件部  分，上述有关陶瓷本身的问题实际上不再存在；b)叶片的力和作用在叶片上的外力，由叶片的金属部分按传统的方式  承受；陶瓷材料只承受由于温度梯度产生的负荷，以及少量因气动  力带来的负荷；c)叶片的前缘可按有利于陶瓷材料的方式设计，也就是说，大半径修  圆、均匀的壁厚、合适的温度梯度、足够大的支承面。

由此带来的效果是显著提高了效率，尤其是第一级涡轮导向叶片排，改善了气动特性以及节省了大量的冷却空气。

按本发明为达到上述目的所采取措施的有利和合乎目的的进一步改进，在其他权利要求中说明。

所有对于直接理解本发明无关的构件均省略。在不同的附图中相同的构件采用同样的符号表示。

附图表示：

图1带陶瓷前缘的涡轮叶片；

图2按图1的涡轮叶片的陶瓷前缘部分；

图3陶瓷前缘部分的三维视图；

图4陶瓷前缘部分内部的分缝面视图；

图5陶瓷前缘的固定；和

图6陶瓷前缘的另一种固定装置。

图1表示了一个通常在燃气轮机中使用的涡轮叶片1。在它的内部有一个比较大的冷却通道，冷却介质经过此冷却通道流动。图中可看到一个第一冷却空气通道10用于前缘部分2，另一个冷却空气通道11用于叶片1的后部。用一种优质金属材料制造的叶片1前缘部分2收缩，以便为加装一个用优质陶瓷材料制的薄壳状前缘3(以下简称为陶瓷前缘)提供位置。叶片1和陶瓷前缘3最好通过这样的装置互相连接起来，即，在连接状态它们能在两者间建立摩擦连接和/或形状相配的刚性连接。为此目的，叶片1的头部台阶4无论在负压侧还是在压力侧都有一个凹槽5a、5b，它们可以使陶瓷前缘3有可能机械地挂装在叶片1金属的头部台阶4上。固定所需的摩擦力连接，在一侧例如在凹槽5a处，通过至少一个弹性构件6形成，其中，此弹性构件6最好是圆柱形结构。陶瓷前缘3首先沿凹槽5a、5b挂装上，然后，通过沿径向插入弹性构件6固定。因此，陶瓷前缘3支承在两条线上，在受热时可以在一定的自由度范围内相对于弹性构件6自由运动。在头部台阶4与陶瓷前缘3内侧之间的间隙7起隔热的作用，因为这里存在一个空气垫，它附加地通过在上述支承线处的漏气冷却。间隙7被提供一种“莲蓬头式冷却”(＝通过多排孔的冷却)，在这种情况下，由于线状的支承面，所以空气流量限制为一个很小的量。原则上叶片1的头部台阶4应设计为，即使不是最佳，但仍能保证有满足要求的气动特性。此外，此头部台阶4通过一些冷却空气孔8冷却，使得在没有陶瓷前缘3时可以毫无问题地工作一段有限的时间。陶瓷前缘3的壁厚典型地为3-8毫米。叶片1的前缘部分2和其余部分都制有冷却空气孔12，它们从冷却空气通道10和11供气，并在叶片表面形成气膜冷却作用。除此以外，在头部台阶4后部还设有其他的冷却空气孔9，它们在叶片的金属部分和陶瓷部分之间形成冷却气膜，因此，即便是由于这两个部分之间在那里构成连接而成为难以处理的部分，也能得到最佳的冷却。除了传统的陶瓷以外，还可以使用先进的纤维增强陶瓷，这种陶瓷防止损伤的能力尤其是其机械性能大为改善。陶瓷前缘3薄壳状造型有利于设计采用纤维增强的陶瓷。为了更好地理解，在图2中再次以放大了的比例表示叶片1的前缘部分2，并根据需要在下面作进一步说明。