专利名称：燃气轮机的透平叶片、燃气轮机的应用及其冷却方法
技术领域：
本发明涉及一种燃气轮机的透平叶片，以及一种带有这种透平叶片的燃气轮机和一种冷却透平叶片的方法。
背景技术：
在多种领域中，燃气轮机用于驱动发电机或工作机。在此，利用燃料的能含量来产生透平轴的旋转运动。为此，燃料在其中供有由空气压缩机压缩的空气的多个燃烧器中进行燃烧。通过燃料的燃烧，产生高温高压的工作介质。这种工作介质将被导引至一个后接的透平单元中并在其中做功膨胀。
燃气轮机的透平单元为了传输工作介质的冲量到透平轴上而具有多个连接在该透平轴上的可转动的工作叶片。为此，所述工作叶片呈环状地设置于透平轴上，并由此形成多个工作叶片环或工作叶片组。透平和压缩机设置于一个共同的、也被称作透平转子的透平轴上，该透平轴也与发电机或工作机相连，并且被绕其中心轴线可转动地支承。
通常，透平单元还包括多个固定的导向叶片，它们同样呈环形地以构成导向叶片环或导向叶片组的方式固定在透平的内壳体或定子上。在此，工作叶片通过由流经该透平的工作介质传递来的冲量来驱动透平轴。相反，导向叶片用于对在每两个沿工作介质的流动方向看彼此连续的工作叶片组或工作叶片环之间的工作介质进行导流。在此，由彼此相连续的导向叶片环或导向叶片组以及工作叶片环或工作叶片组的组成的一对也被称作透平级。
导向叶片通常具有一个也被称作叶根的平台，它们作为壁元件设置于透平的内壳体上以固定各自的导向叶片，并形成用于流经该透平的工作介质的热气体通道的外边界。为了有效地沿着指向与一导向叶片组相连的工作叶片组的方向对工作介质进行导流，该导向叶片组中所属的导向叶片通常具有拱起的翼型横断面叶型，使得在保持摩擦损耗尽可能小的情况下在各导向叶片上形成预先设定的导流，并从而使导向叶片组或者其所属的透平级具有尽可能高的效率。为此，导向叶片的前缘具有圆形横截面，该圆形横截面逐渐收缩形成所述导向叶片的以尖角收尾的后缘。工作叶片也类似地形成，其中通常将例如最大叶型厚度、前缘处的曲率半径等的具体细节与其应用目的相匹配，即，为将工作介质的冲量特别有效地传递到各工作叶片上而进行优化。
在设计上述燃气轮机时，在可达到的功率之外的设计目标通常是特别高的效率。同时，根据热力学原理，效率的提高基本上可以通过温度的升高来实现，其中，工作介质从燃烧室流出并流入到透平单元中。因此，对于这种燃气轮机，力求并且也实现了约1200℃至1500℃的温度。
不过，在工作介质的这种高温下，承受这种工作介质的部件和构件承受较高的热应力。所以，为了以高可靠性确保有关部件的较长使用寿命，通常需要对有关部件、尤其是透平叶片进行冷却。为了防止材料产生对部件使用寿命造成限制的热应力，通常力求对部件实现尽可能均匀的冷却。在此，通常采用冷却空气作为冷却介质，将待冷却构件的热量传递给这些冷却空气。在此，在所谓的冲击式冷却(Prallkühlung)的情况下可以基本垂直于待冷却表面地导引冷却空气，或者，在所谓的薄膜式冷却(Filmkühlung)的情况下可以沿着待冷却表面、即基本与待冷却表面相切地导引冷却空气。此外，为了对透平部件进行对流冷却，可以在其中设置一体的冷却空气通道。最后，不同的冷却方式也可以相互组合。
为对承受特别高热应力的透平叶片(尤其是导向叶片)进行冷却，通常在其内部导引冷却空气，使得各透平叶片的壁从内向外地受到冷却。所述冷却空气的至少一部分通过排气口沿工作介质的流动方向从叶片内部自透平叶片后缘向后吹出。为了按空气动力学有利地构造后缘或者为了以从其中吹出的冷却空气对较为细长的后缘进行有效冷却，在保持叶片吸力面侧在空气动力学方面特别有利的轮廓的条件下，向回切去原来在后缘区域内与吸力面侧叶片壁呈锥形地聚拢的压力面侧叶片壁到这样的程度，即，使得吸力面侧叶片壁超出压力面侧叶片壁末端边缘的区段形成一个具有较小厚度的所谓后缘拖尾(Hinterkantenfahne)。这种后缘结构也被称作“回切后缘(Cut-Back-Hinterkante)”。视制造商的不同而定，也还有其它的称谓，例如“压力侧面剪裁(Pressure Side Bleed)”。后缘拖尾利用薄膜冷却由从压力面侧叶片壁末端边缘和吸力面侧叶片壁后缘之间的间隙流出的冷却空气冷却。后缘拖尾的自由区段由被称作“槽脊(Land)”的加强区段或隔板断开，在此加强区段或隔板处，压力面侧叶片壁为了实现透平叶片在后缘区域内的稳定而分别一直延伸至后缘末端，因此后缘在该处保持较为实心的结构。
在此的问题在于，尽管进行了所述的冷却，但在这一区域还是可能出现由结构形式决定的过热。尤其是，由该过热所导致形成的裂纹对有关透平叶片的使用寿命造成限制。因为在对消除这种磨损损害所必需的维护工作中，必须拆卸燃气轮机或者各透平单元的绝大部分零件，并随后再将它们组装起来，因此，在购置和安装替换零件的费用之外还造成较长的停机时间。尽管可以通过增加冷却空气的使用来抵抗透平叶片的腐蚀、尤其是在其各自的后缘区域内的腐蚀，但是这降低了燃气轮机的总体效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种燃气轮机透平叶片，该透平叶片在较低冷却空气需求的条件下具有特别高的使用寿命。本发明所要解决的另一个技术问题在于这种透平叶片的应用。此外，还提供了一种透平叶片的冷却方法。
本发明有关透平叶片所要解决的技术问题优选由在后缘的压力面侧的表面具有多个槽形凹坑的透平叶片解决。
在此，本发明出于如下考虑沿压力面侧流动的工作介质或热气体与从叶片内部流出的冷却空气在后缘的区域内相混合，使得由于其细长结构形状而尤其敏感的后缘拖尾承受冷却能力相应较低的较暖冷却空气。后缘末端由此可能出现过热，这种过热可能导致裂纹的形成，并由此导致各透平叶片使用寿命的降低。此外，本发明还出于以下考虑从实现燃气轮机高效率的利益角度出发，应当放弃增加采用冷却空气。取而代之，应当这样设计对后缘区域进行冷却的装置，即，尽可能地充分利用在与热工作介质相混合之后所存在的冷却空气的剩余冷却能力。为此应提高从后缘或后缘拖尾向沿其流动的热燃气/冷却空气混合物的热传递。
在此，应在后缘拖尾上这样地设计适当的元件，使得一方面对切向地沿后缘拖尾流动的热燃气/冷却空气混合物形成流动影响或使之形成涡流，这起到提高的热传递作用。不过，另一方面又要这样设计所述流动影响，即，使得待冷却表面上的冷却薄膜不发生断裂或由该待冷却表面偏转出。为此，设置若干槽形凹坑、即所谓的“酒窝(Dimples)”，这些凹坑提高了沿后缘拖尾流过的冷却薄膜的湍流，不过却不会导致其偏离后缘表面。在此，提高了可排出的热量，而避免了不希望的压力损失。在此，这样设计这些凹坑，使得它们分别具有一个仅在后缘拖尾的压力面侧的表面内环绕的(umlaufende)边界边缘。
多个嵌在后缘拖尾内的凹坑优选分别具有椭圆形、尤其是圆形的边界边缘。在一种特别适合的实施方式中，仅导致流阻相对于平滑的后缘拖尾特别微小地提高，通过使各凹坑具有截球体结构而实现这种边界。
作为所述凹坑对于沿后缘流动的工作介质/冷却空气混合物的速度及流量以及对于透平叶片尺寸的适当匹配，在凹坑具有圆形边界的情况下，其半径优选为后缘拖尾宽度的约1/10至1/4。截球体的(最大)深度优选对应于相应球半径的约1/3。具有略微非圆形边界(例如具有较小偏心率的椭圆形边界)的凹坑优选在其深度和其平面范围方面与具有圆形边界或具有截球体形结构的凹坑有相近的设计尺寸。
为对沿(所述表面)流动的工作介质/冷却空气混合物造成尤其均匀的影响，优选将所述凹坑规则地分布在后缘拖尾压力面侧的表面上，其中在截球体形状的结构下，每两个相邻凹坑的边界之间的距离优选为球直径的一至一点五倍。
根据本发明，上述的其后缘具有若干槽形凹坑的透平叶片可应用在一种优选固定的燃气轮机中，以便解决提供一种所述透平叶片的应用的技术问题。透平叶片尤其可以是导向叶片。优选在多个导向叶片组中分别汇集了多个这种导向叶片。相应情形在工作叶片的条件下亦适用。尤其可以为提高一个配备有传统透平叶片的燃气轮机的效率而用这种针对后缘的冷却进行了改进的透平叶片来在后改装该燃气轮机。
通过利用在后缘拖尾上设置的凹坑使沿后缘拖尾流动的冷却空气产生局部涡流而解决在方法方面所要解决的技术问题。
利用本发明实现的优点尤其在于，在带有所谓的回切后缘的透平叶片的条件下，通过在后缘拖尾的压力面侧的表面有针对性地布设一种带有多个较小且较平的凹坑(“酒窝”)的表面结构，类似于高尔夫球的表面，改善了对于在其一旁流过的冷却空气的热传递。由此可以在这一特别重要的区域降低热应力，并由此避免后缘末端的损坏和至少延缓其损坏，使得后缘末端或所述的透平叶片可以具有更高的使用寿命和/或在更高的温度下运行。而且，因为流阻并没有由于所述凹陷而相对于带有平滑的后缘拖尾的透平叶片提高，并且冷却空气射流或工作介质由此并没有受到压力损失。所以透平叶片的空气动力学特性数据保持不变，使得各透平单元的总体效率由于节约了冷却空气而提高。所述表面结构可以通过相应构造铸模以较低费用在浇铸透平叶片时直接形成。
下面借助于附图详细解释本发明的实施例。在附图中图1是燃气轮机的纵截面，图2是图1所示燃气轮机的透平叶片的局部剖开的侧视图，而图3是图2所示透平叶片的横截面的局部截取图。
所有图中相同的部分具有相同的附图标记。
具体实施例方式
图1所示的燃气轮机1具有用于燃烧用空气的压缩机2、燃烧室4以及用来驱动压缩机2和未示出的发电机或工作机的透平6。为此，透平6和压缩机2设置于一根共同的、也被称作透平转子的透平轴8上，发电机或工作机也与该透平轴相连，并且该透平轴被以可围绕其中心轴线9转动的方式支承。
设计为环形燃烧室形式的燃烧室4安装有用于燃烧液态或气态燃料的多个燃烧器10。该燃烧室还在其内壁上设置有未详细示出的热屏蔽元件。
透平6具有多个与透平轴8相连、可转动的工作叶片12。工作叶片12在透平轴8上呈环状地设置并由此形成多个工作叶片组。透平6还包括多个固定的导向叶片14，它们同样通过形成导向叶片组而呈环状地固定在透平6的内部壳体16上。在此，工作叶片12通过传递流过透平6的工作介质M的冲量用于驱动透平轴8。导向叶片14用于对在每两个沿工作介质M的流动方向看彼此连续的工作叶片组或工作叶片环之间的工作介质M进行导流。由一个导向叶片14环或者导向叶片组以及一个工作叶片12环或者工作叶片组组成的彼此连续的一对叶片组在此也被称作一个透平级。
每个导向叶片14具有也被称作平台18的叶根，其作为壁元件设置于透平6的内壁16上，以固定各自的导向叶片14。在此，平台18是具有较强热应力的构件，所述构件形成用于流过透平6的工作介质M的热气通道的外边界。每个工作叶片12以相似的方式通过一个被称作叶根的平台20固定在透平轴8上。
为实现较高的效率，燃气轮机1针对从燃烧室4排出的工作介质M有约为1200℃至1500℃的较高出口温度来设计。在此，为了保证燃气轮机1具有较高使用寿命或运行寿命，以可冷却的方式构造其主要部件、尤其是透平叶片15(即导向叶片14和/或工作叶片12)。
为对透平叶片15、特别是导向叶片14进行冷却，采用冷却空气K，该冷却空气被导引到透平叶片15内部，以便尤其是从内向外地冷却外壁。这些冷却空气K的一部分从透平叶片15的设置于端侧的排气口吹出，以便冷却带有后缘22的尤其热敏感的后缘区域21。
因此，在图2和图3中，为详细描述后缘区域22内的透平叶片15的冷却系统而示出了一个透平叶片15，其中图2示出了透平叶片15的一个局部剖开的侧视图，而图3则示出了叶片叶型的横截面。由附图可知，透平叶片15在两侧被工作介质M沿后缘方向22绕流，其中叶片叶型相对于工作介质M以压力面侧叶片壁24以及压力下游侧或吸力面侧叶片壁26为边界。为了在高的空气动力学效率下也取得适合于冷却的后缘区域21结构，透平叶片15具有一个所谓的回切后缘，其中压力面侧叶片壁24从后缘22这样向回错移，即，使得吸力面侧叶片壁26构成超过压力面侧叶片壁24的末端边缘27突伸出的后缘拖尾28。带有露出的、两侧遭受工作介质M的后缘拖尾28的这些区段仅被起稳定作用的肋板元件30断开，其中，后缘区域21在这些所谓的“槽脊”区段中由延长至后缘22的压力面侧叶片壁24共同形成。不过，也可以考虑带有缩短的或不渐缩成尖端的“槽脊”区段的变型方案。
在这种回切后缘中，后缘拖尾28以及背离压力面侧的或吸力面侧的叶片壁26利用一个由来自透平叶片15内部空间的冷却空气K形成的冷却薄膜来冷却。在此，冷却空气K在后缘拖尾28的区域内与压力面侧流入的工作介质M相混合，使得沿背离压力侧的叶片壁26的内侧流动的冷却薄膜的温度在后缘拖尾28的区域内连续地升高。
为了避免由此使透平叶片15的后缘拖尾28发生可能导致裂纹的过热，后缘拖尾28专门针对为了向通过与热工作介质M相接触已被预先加热的冷却空气K特别有效地传热而设计。为此，后缘拖尾28的压力面侧设有多个槽形凹坑32。它们使得冷却空气层内部形成涡流，同时又不会导致该冷却空气层流脱离后缘拖尾或被该后缘拖尾排挤出，从而提高了后缘拖尾28向冷却薄膜的传热。因此，在保持压力损失较小的情况下提高了冷却作用。
这样设计所述多个凹坑32，即，使得它们各自环绕的边界边缘34仅设置于后缘拖尾28的压力面侧的表面内。在本实施例中，凹坑32分别具有截球体结构。在此，它们具有半径为后缘拖尾28的宽度x的约1/10的圆形边界边缘34。截球体的深度对应于球半径的约1/3。因此，保证了对于空气流的良好影响性，同时至多不明显地降低了后缘拖尾28的机械稳定性。所述多个凹坑32排列形成一规则的图案，使得所述的冷却效应在后缘拖尾28的整个压力面侧的表面上(除了原本就针对要承受较高热应力来设计的由肋板元件30断开的区段)均匀地起作用。为了实现特别均匀的冷却效应，还要对即使已由所述图案预先给定、但由于后缘拖尾28末端缺乏位置而不再与余下的剩余表面完全匹配的凹坑32进行补加。
权利要求
1.一种燃气轮机(1)的透平叶片(15)，其具有吸力面侧叶片壁(26)以及在后缘区域内向该吸力面侧叶片壁靠拢的压力面侧叶片壁(24)，其中，吸力面侧叶片壁(26)包括一个至少在后缘区域(21)的部分区段中超过压力面侧叶片壁(24)的末端边缘(27)突伸出的后缘拖尾(28)，并且，该后缘拖尾(28)的压力面侧的表面具有多个槽形凹坑(32)，其特征在于，所述多个槽形凹坑(32)分别具有一个仅在后缘拖尾(28)的压力面侧的表面内环绕的边界边缘(34)。
2.根据权利要求1所述的透平叶片(15)，其中，所述多个凹坑(32)分别具有一个椭圆形、尤其是圆形的边界边缘(34)。
3.根据权利要求2所述的透平叶片(15)，其中，所述多个凹坑(32)分别具有一个截球体结构。
4.根据权利要求3所述的透平叶片(15)，其中，由所述边界边缘(34)形成的圆形的半径分别是后缘拖尾(28)的宽度(x)的1/10至1/4。
5.根据权利要求3或4所述的透平叶片(15)，其中，所述截球体的深度分别为球半径的约1/3。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的透平叶片(15)，其中，所述多个凹坑(32)规则地分布。
7.根据权利要求3至5中任何一项所述的透平叶片(15)，其带有规则分布的分别具有相同尺寸的多个凹坑(32)，其中，每两个相邻凹坑(32)的边界边缘(34)之间的距离是球直径的一倍至一倍半。
8.一种用于冷却根据权利要求1至7中任一项所述的透平叶片(15)的方法，其中，沿着后缘拖尾(28)流动的冷却空气(K)被设置在后缘拖尾(28)上的凹坑(32)引起局部涡流。
9.一种根据权利要求1至7中任一项所述的透平叶片(15)在燃气轮机中的应用。
全文摘要
一种燃气轮机(1)的透平叶片(15)，其具有吸力面侧叶片壁(26)以及在后缘区域内向该吸力面侧叶片壁延伸的压力面侧叶片壁(24)，其中吸力面侧叶片壁(26)包括一个至少在后缘区域(21)的部分区段中突出到压力面侧叶片壁(24)的末端边缘(27)之外的后缘拖尾(28)，该叶片会在低的冷却空气需求下具有尤其高的寿命。此外，根据本发明，该后缘拖尾(28)的压力面侧的表面具有多个槽形凹坑(32)，它们通过冷却空气(K)的局部涡流增大该后缘拖尾(28)的热传递。
文档编号F01D5/18GK101057061SQ200580038972
公开日2007年10月17日 申请日期2005年11月7日 优先权日2004年11月23日
发明者斯蒂芬·鲍多夫, 迈克尔·汉德勒, 克里斯琴·勒纳 申请人:西门子公司