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渦輪葉片的冷卻裝置的制作方法

文檔序號(hào):5245563閱讀:188來源:國知局
專利名稱:渦輪葉片的冷卻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種葉片,特別是渦輪葉片,其具有至少一個(gè)由各壁限定的管道,冷卻流體導(dǎo)入引進(jìn)至少一個(gè)管道中的插件上。
背景技術(shù)
這種葉片從US5419039中可以得知。在葉片縱向中心線方向上延伸的腔室形成在插件和葉片各壁之間。冷卻流體從插件涌出進(jìn)入這些腔室中,并撞擊在葉片的各壁上。接著,冷卻流體沿各壁流動(dòng),并通過出口涌入各壁出口上特別成形的腔室中,并從腔室中進(jìn)入周圍環(huán)境中。在公知的葉片中,在冷卻流體沿各壁流動(dòng)時(shí),對(duì)流冷卻的效果由于流動(dòng)長度極為有限而只是微小的。此外,冷卻流體在腔室中沿著葉片縱向中心線發(fā)生混合,從而不可能發(fā)生有目標(biāo)的冷卻。
另一種葉片在本發(fā)明人的WO98/25009中可得知。該公開文本描述了一種帶有各壁的葉片,所述各壁具有局部中空構(gòu)型且冷卻流體流過該壁。由于中空腔室區(qū)域中的壁厚降低,故可獲得高程度的冷卻效率。然而,具有這些中空壁的葉片需要復(fù)雜的鑄造過程,有較高的廢料率,因此極其昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
因此,本發(fā)明的目的是使采用簡單生產(chǎn)工藝的葉片獲得冷卻效率上的提高成為可能。
根據(jù)本發(fā)明,在本文起始提及的那類葉片中,該目的通過至少一個(gè)壁帶有多個(gè)水平肋以及通過插件帶有開口而實(shí)現(xiàn),這些水平肋設(shè)置在插件和壁之間,來自插件的冷卻流體通過該開口可以進(jìn)入水平肋之間。
水平肋沿葉片的壁引導(dǎo)冷卻劑,并防止冷卻劑在葉片縱向中心線方向上流動(dòng)。因此獲得壁的良好對(duì)流冷卻。此外,水平肋加固葉片使得壁厚可以降低。壁厚降低導(dǎo)致冷卻效率增加。葉片可利用公知方法制造,并不具有復(fù)雜剖面。中空壁是不需要的。因此,廢料配額顯著降低。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例和改進(jìn)在從屬權(quán)利要求中給出。
在優(yōu)選實(shí)施例中,插件接觸水平肋。插件被支承和對(duì)準(zhǔn)在所要求的位置上。
根據(jù)優(yōu)選的改進(jìn),水平肋、插件和壁形成腔室,冷卻流體通過該腔室流動(dòng)。冷卻流體在葉片縱向中心線方向上的流動(dòng)被腔室可靠地阻止。此外,以有目標(biāo)的方式沿葉片縱向中心線通過有差別的將冷卻流體導(dǎo)入腔室而使冷卻效果得以改變。
在優(yōu)選實(shí)施例中,插件的開口設(shè)置在腔室的第一端,用于冷卻流體的出口設(shè)置在腔室第二端的壁中。因此,冷卻流體沿在腔室整個(gè)長度上將要冷卻的壁流動(dòng),從而對(duì)流冷卻進(jìn)一步提高。
水平肋可以設(shè)置成大致與葉片的縱向中心線成直角?;蛘?,也可以傾斜定位。在相對(duì)于縱向中心線成直角的配置中,水平肋的長度以及由此腔室的長度最小。傾斜定位允許腔室長度增加,因此進(jìn)一步提高對(duì)流冷卻。
插件優(yōu)選在一端封閉。此時(shí),冷卻流體只從插件另一端供給。防止了冷卻流體通過背離供給端的端部的涌入,從而冷卻效率增加?;蛘?,冷卻流體可從兩端供給。
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例,湍流器用于加固壁并且彼此匯合,并與水平肋匯合。借此,可實(shí)現(xiàn)硬度的顯著增加而不需額外材料。對(duì)于相同長度的葉片,壁厚可進(jìn)一步降低。同時(shí)實(shí)現(xiàn)各壁和冷卻流體之間的良好熱交換。因此結(jié)果是具有高冷卻效率和高總體效率。
壁的加固不只在各個(gè)湍流器的區(qū)域中發(fā)生。實(shí)際上,通過湍流器的彼此連接形成了大面積的加固。
優(yōu)選的是,湍流器具有直的構(gòu)型。直的湍流器的采用使得加固程度高,而且制造簡單。
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例,湍流器布置成與水平肋一起形成呈多邊形的彼此相鄰的凹陷,特別是三角形或菱形。壁的內(nèi)部設(shè)置有蜂窩結(jié)構(gòu)。各個(gè)多邊形或蜂窩結(jié)構(gòu)分別形成具有高承載能力并相互支承的封閉的剖面。
在優(yōu)選的改進(jìn)中,壁的壁厚降低,至少在湍流器之間的區(qū)域中降低。壁厚的這種降低由于湍流器所導(dǎo)致的壁的加固而成為可能。由于壁厚降低,冷卻效率進(jìn)一步增加。在該配置中,湍流器優(yōu)選可用作葉片鑄造過程中的金屬輸送管。因此可方便地制造蜂窩結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的葉片可構(gòu)造成渦輪機(jī)的導(dǎo)向葉片或轉(zhuǎn)子葉片。


在下文利用附圖中示意性示出的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。各附圖中,同一附圖標(biāo)記表示相似或功能上相同的部件,附圖中圖1表示渦輪機(jī)的縱向剖視圖;圖2表示葉片的分解透視圖;圖3表示從葉片壁的內(nèi)側(cè)看上去的端視圖;圖4是沿圖3中線IV-IV截取的剖視圖;圖5是沿圖3中線V-V截取的剖視圖;圖6表示第二實(shí)施例的類似于圖3的視圖;圖7表示第一實(shí)施例中插件的示意圖;圖8表示第二實(shí)施例的類似于圖7的視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1表示具有殼體11和轉(zhuǎn)子12的渦輪機(jī)10的縱向剖視圖。殼體11設(shè)有導(dǎo)向葉片13,轉(zhuǎn)子12設(shè)有轉(zhuǎn)子葉片14。工作中,流體在箭頭方向15流過渦輪機(jī)10,該流體沿導(dǎo)向葉片13和轉(zhuǎn)子葉片14流動(dòng),致使轉(zhuǎn)子12圍繞中心線16開始轉(zhuǎn)動(dòng)。
在多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合中,流體的溫度較高,特別是在第一排葉片區(qū)域中(圖1中左部所示)。為此,設(shè)置有冷卻系統(tǒng)用于導(dǎo)向葉片13和轉(zhuǎn)子葉片14。冷卻流體的流動(dòng)示意性地由箭頭17、18表示。
圖2示意性示出導(dǎo)向葉片13的分解示意圖。導(dǎo)向葉片13具有曲線形外壁19、20。外壁19、20之間的內(nèi)部空間借助兩個(gè)間隔壁21再分成總數(shù)為三個(gè)的管道22。插件25插入每個(gè)管道22中。為了圖示清楚,未示出中心管道22的插件。
兩個(gè)外壁19、20在每個(gè)管道22中設(shè)置有多個(gè)水平肋24。水平肋24沿壁19、20延伸直至間隔壁21。湍流器23設(shè)置在水平肋24之間。插件25接觸水平肋24。
冷卻流體,特別是冷卻空氣供給到插件25的內(nèi)部空間26中。插件25設(shè)置有多個(gè)開口27,通過該開口,冷卻流體涌入外壁19、20和插件25之間的過渡空間內(nèi)。接著,冷卻流體沿外壁19、20流動(dòng),直至壁19、20中的出口28。這種流動(dòng)由箭頭30示意性表示出。在該配置中,插件25的開口27設(shè)置成與外壁19、20的出口28有一距離。在所示的示范性實(shí)施例中,出口28形成大致直的行29。
從插件25涌出的冷卻流體首先撞擊外壁19、20,導(dǎo)致該處撞擊冷卻。接著,流體沿外壁19、20流動(dòng)直至出口28,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流冷卻。從出口28涌出之后,冷卻流體薄膜形成在外壁19、20的外側(cè)上,從而同樣實(shí)現(xiàn)薄膜冷卻。如此就大大改進(jìn)了冷卻效果。
圖2左側(cè)示出的導(dǎo)向葉片13的前沿還附帶有直接撞擊冷卻。對(duì)于該撞擊冷卻,插件25具有設(shè)置在導(dǎo)向葉片13的前沿正后方的其他開口36。冷卻介質(zhì)經(jīng)由這些開口36直接涌出,提供導(dǎo)向葉片13的前沿的特殊冷卻。
相關(guān)的插件25還在導(dǎo)向葉片13后沿的區(qū)域內(nèi)設(shè)有另一個(gè)開口37。通過該開口37,冷卻流體直接涌入外壁19、20之間的狹縫38中,并且在此實(shí)現(xiàn)薄膜冷卻。
圖3至5示出外壁19內(nèi)部的更多細(xì)節(jié)。水平肋24基本上成直角延伸至導(dǎo)向葉片13的縱向中心線31。水平肋彼此平行設(shè)置。直的湍流器23設(shè)置在各水平肋24之間,這些湍流器23彼此匯合并與水平肋24匯合。
在中心管道22中,水平肋24的前沿33匯合到間隔壁21。在圖2的左端管道22中,前沿33設(shè)置成相對(duì)于向外最遠(yuǎn)的出口28有一距離。
兩個(gè)水平肋24中的每一個(gè)與外壁19和插件25一起限定了腔室32。冷卻流體從插件25的開口27涌出進(jìn)入該腔室32中。流體接著如箭頭方向30所示流向出口28。在該配置中,開口27設(shè)置在腔室32的一端,出口28設(shè)置在另一端。這就使得在冷卻流體沿外壁19流動(dòng)所流經(jīng)的距離最大。因此有最大的對(duì)流冷卻。對(duì)流冷卻的效果進(jìn)一步被湍流器23加強(qiáng),因?yàn)楹笳咛岣吡送獗?9和冷卻流體之間的熱交換。
冷卻流體有差別地導(dǎo)入腔室32。這是通過插件25的數(shù)量和/或大小的變化實(shí)現(xiàn)的。以此方式,每個(gè)腔室32可以一種有目標(biāo)的方式比其他腔室更強(qiáng)烈地或不太強(qiáng)烈地冷卻。因此,以目標(biāo)的方式沿導(dǎo)向葉片13的縱向中心線31調(diào)節(jié)冷卻,并使冷卻與當(dāng)前的邊界條件相匹配。
湍流器23還用于加固外壁19。以此配置,直的湍流器23設(shè)置成各湍流器23形成多邊形。圖3中,三角形作為示例示出;圖6中,菱形作為示例示出。借助湍流器23實(shí)現(xiàn)的加固允許外壁19的壁厚d在湍流器23之間的區(qū)域內(nèi)降低。由于壁厚d的降低,冷卻效率得以進(jìn)一步增加。
圖6示出第二實(shí)施例中的從外壁19內(nèi)部看上去的端視圖。在該實(shí)施例中,湍流器24相對(duì)于導(dǎo)向葉片13的縱向中心線31傾斜。由于這種傾斜,腔室32的長度增加,由此對(duì)流冷卻的效率增加。在該實(shí)施例中,設(shè)置了直的湍流器23,四個(gè)湍流器組合成菱形。壁厚的降低借助于可視的邊緣示意性地表示在這些菱形中。
當(dāng)然,第二外壁20還設(shè)有相應(yīng)的湍流器23和水平肋24。另一種方案或作為附加地,在轉(zhuǎn)子葉片14的情況中,還可以設(shè)有水平肋24和湍流器23。
圖7和8示出了插件25的兩個(gè)實(shí)施例。圖7的實(shí)施例中,冷卻流體從插件的兩端34、35供給,并通過開口27涌出。這種插件25可以(例如)用在第一排葉片中。
或者,可以設(shè)置在端部34封閉的(如圖8所示)插件25。然后冷卻流體只經(jīng)由端部35供給。該插件25用在另一排葉片中,其中只有導(dǎo)向葉片13或轉(zhuǎn)子葉片14的一端可使冷卻流體經(jīng)由殼體11或轉(zhuǎn)子12導(dǎo)向它。
由于采用根據(jù)本發(fā)明設(shè)置的水平肋24,使得冷卻流體沿外壁19、20有被指引的流動(dòng)。冷卻效果因而顯著提高。同時(shí),由于可以給葉片配置以中空壁,故制造簡單。
權(quán)利要求
1.一種葉片,特別是渦輪葉片(13;14),其具有至少一個(gè)由壁(19,20,21)限定的管道(22),冷卻流體導(dǎo)入引進(jìn)至少一個(gè)管道(22)中的插件(25)上,其特征在于,至少一個(gè)壁(19;20)帶有多個(gè)水平肋(24),所述水平肋設(shè)置在插件(25)和壁(19;20)之間,并且,插件(25)帶有開口(27),來自插件(25)的冷卻流體通過所述開口進(jìn)入水平肋(24)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片,其特征在于,所述插件(25)接觸水平肋(24)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的葉片,其特征在于,所述水平肋(24)、插件(25)和壁(19;20)形成腔室(32),冷卻流體流過該腔室(32)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的葉片,其特征在于,所述插件(25)的開口(27)設(shè)置在腔室(32)的第一端,用于冷卻流體的出口(28)設(shè)置在腔室(32)第二端處的壁(19;20)中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的葉片,其特征在于,所述水平肋(24)基本上與葉片(13;14)的縱向中心線(25)成直角設(shè)置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的葉片,其特征在于,所述插件(25)在一端(34)封閉。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的葉片,其特征在于,提高所述壁(19;20)和冷卻流體之間熱交換的湍流器(23)設(shè)置在水平肋(24)之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的葉片,其特征在于,所述湍流器(23)用于加固壁(19;20),并彼此匯合,并匯合到水平肋(24)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的葉片,其特征在于,所述湍流器(23)具有基本上直的構(gòu)型。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的葉片,其特征在于,所述湍流器(23)設(shè)置成與水平肋(24)一起形成呈多邊形的凹陷,特別是三角形或菱形的彼此相鄰的凹陷。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的葉片,其特征在于,所述壁(19;20)的壁厚(d)至少在湍流器(23)之間的區(qū)域中降低。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11任一項(xiàng)所述的葉片,其特征在于,所述葉片構(gòu)造成渦輪機(jī)(10)的導(dǎo)向葉片(13)或轉(zhuǎn)子葉片(14)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于渦輪機(jī)(10)的葉片(13;14),包括至少一個(gè)由壁(19,20,21)限定的一個(gè)管道(22)??梢允艿搅黧w冷卻劑作用的插件(25)插入至少一個(gè)管道(22)中。根據(jù)本發(fā)明,至少一個(gè)壁(19;20)帶有多個(gè)位于插件(25)和壁(19;20)之間的水平肋(24)。所述插件(25)設(shè)置有開口(27),流體冷卻劑通過該開口從插件(25)和水平肋(24)之間流出。因此,流體冷卻劑沿壁(19,20)引導(dǎo)并由水平肋(24)導(dǎo)引,以形成改進(jìn)的對(duì)流冷卻。
文檔編號(hào)F01D9/02GK1418284SQ01806790
公開日2003年5月14日 申請(qǐng)日期2001年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月22日
發(fā)明者彼得·蒂曼 申請(qǐng)人:西門子公司
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