專利名稱：渦輪葉片的加固和冷卻結(jié)構(gòu)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，其具有至少一個由多個壁限定的而且冷卻流體可以導(dǎo)入其中的輸送管，多個湍流器設(shè)置在至少一個壁上，以提高壁和冷卻流體之間的熱交換。
背景技術(shù)：
這種渦輪葉片從(例如)EP0758932B1可得知。該公知的渦輪葉片為中空結(jié)構(gòu)并具有四個輸送管。各輸送管分別由渦輪葉片的兩個外壁以及分立的各壁限定，冷卻流體流經(jīng)各輸送管，以備冷卻使用。各外壁設(shè)有湍流器，以便提高各外壁和冷卻流體之間的熱交換。
在公知的渦輪葉片中，湍流器只用來改善熱交換。工作過程中發(fā)生的渦輪葉片上的負(fù)荷幾乎全部由各外壁接受，各外壁由此必須具有相對較厚的結(jié)構(gòu)。當(dāng)負(fù)荷增加，各外壁的壁厚也必須進(jìn)一步增加。然而，由于壁厚的增加，冷卻效率降低，總體效率由此降低。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種葉片，其具有較高的承載能力而不需增加壁厚，或者換句話說，對于相同的承載能力來說，其壁厚得以降低。
為了解決該技術(shù)問題，在說明書起始提及的那類葉片中，根據(jù)本發(fā)明提出了湍流器彼此匯合并用來加固壁。
根據(jù)本發(fā)明而且也是首次提出的，湍流器彼此匯合并用來加固壁。借助該裝置，在不需要附加材料也不需要增加壁厚的情況下實現(xiàn)加固的大幅度增加。同時，各壁和冷卻流體之間實現(xiàn)良好熱交換。因此，冷卻效率高，總體效率高。壁的加固不僅僅在單個湍流器的區(qū)域中產(chǎn)生。各湍流器的相互連接確實能形成大面積的加固。
本發(fā)明優(yōu)選實施例和改進(jìn)在從屬權(quán)利要求中給出。
優(yōu)選湍流器具有直的結(jié)構(gòu)。直湍流器的使用能產(chǎn)生較高程度的加固，而且制造簡單。
在優(yōu)選的第一實施例中，所有湍流器都具有相對于葉片縱向中心線相同的角度。這樣形成了湍流器的對稱布置，該布置可以均勻地接收來自所有方向的負(fù)荷。
在優(yōu)選的改進(jìn)中，湍流器之間為直角。作為備選方案，也可選擇銳角或鈍角。
根據(jù)優(yōu)選的第二實施例，第一組湍流器與葉片的縱向中心線成第一角，而第二組湍流器與葉片的縱軸成第二角。
因此，兩組湍流器具有相對于葉片的縱向中心線不同的傾角。因此，葉片的加固取決于負(fù)荷沖擊的角度。故不同方向上的加固的具體配合可因不同傾角實現(xiàn)。
湍流器優(yōu)選設(shè)置成形成彼此相鄰而且在彼此上方定位的多邊形凹陷，特別是正方形、菱形、六邊形形狀的凹陷。壁的內(nèi)表面設(shè)有蜂窩結(jié)構(gòu)。每一個多邊形或蜂窩結(jié)構(gòu)分別形成一個封閉的、可承受高負(fù)荷的橫截面且互相支撐?？蓪崿F(xiàn)加固的大幅度增加。
在優(yōu)選的改進(jìn)中，壁厚(至少在湍流器之間的區(qū)域)降低。壁厚降低由于湍流器所導(dǎo)致的壁的加固的事實而成為可能。冷卻效率通過壁厚的降低而進(jìn)一步增加。在葉片鑄造過程中，該布置的湍流器可以優(yōu)選用作金屬輸送管。蜂窩結(jié)構(gòu)易于制造。
根據(jù)優(yōu)選實施例，葉片具有多個帶有不同湍流器布置的截面。各個截面中的這些不同布置可具體影響葉片的加固。結(jié)果是對存在于各個葉片截面中的負(fù)荷有最優(yōu)匹配。
在優(yōu)選的第一改進(jìn)中，各截面彼此相距一距離。這樣就在湍流器的不同布置之間形成簡單過渡。
根據(jù)優(yōu)選的第二改進(jìn)，各截面彼此匯合。葉片的加固繼續(xù)增加。
根據(jù)本發(fā)明的葉片可構(gòu)成導(dǎo)向葉片，或構(gòu)成渦輪機的轉(zhuǎn)子葉片。


本發(fā)明在下文采用示例性實施例進(jìn)行描述，所述實施例示意性繪于附圖中。在所有附圖中的相同的附圖標(biāo)記用于相似或功能相同的部件。附圖中圖1為渦輪機的縱向截面圖；圖2為葉片的分解透視圖；圖3為圖2中x的放大詳細(xì)視圖；圖4為第一實施例的葉片的外壁內(nèi)表面上的端視圖；圖5為第二實施例的類似于圖4的視圖；圖6為第三實施例的類似于圖4的視圖；圖7為轉(zhuǎn)子葉片的示意圖；圖8為導(dǎo)向葉片的示意圖。
具體實施例方式
圖1示出為具有殼體11和轉(zhuǎn)子12的渦輪10的渦輪機的縱向截面圖。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10，該流體沿導(dǎo)向葉片13和轉(zhuǎn)子葉片14流動，致使轉(zhuǎn)子12圍繞中心線16開始轉(zhuǎn)動。
在多數(shù)應(yīng)用場合中，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，要對導(dǎo)向葉片13和轉(zhuǎn)子葉片14進(jìn)行冷卻。冷卻流體的流動示意性地由箭頭17、18表示。特別是空氣可用作冷卻流體。
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)部空間借助兩個間隔壁21再分成總數(shù)為三個的輸送管22。工作中，冷卻流體導(dǎo)入到輸送管22中。
為了提高外壁19、20和冷卻流體之間的熱交換，外壁19、20設(shè)置了多個湍流器23。為了繪圖，圖2中湍流器23以極為簡化的方式示出。然而，可以看到湍流器23彼此匯合，且形成蜂窩結(jié)構(gòu)。該蜂窩結(jié)構(gòu)形成對外壁19、20的加固。
圖3示出圖2中x的詳細(xì)放大視圖。湍流器23具有直的結(jié)構(gòu)且彼此匯合。在所示的示例性實施例中，每個凹陷24由四個湍流器限定。從湍流器23開始直到凹陷24的中心，外壁19的壁厚d持續(xù)降低。壁厚d的降低因為湍流器23的彼此支撐而成為可能，并且借此，大幅度增加對導(dǎo)向葉片13的加固。同時，湍流器23起到?jīng)_擊保護(hù)的作用。
由于降低的壁厚d，冷卻效率增加。因此，需要較少的冷卻流體，從而渦輪10的總體效率可以較高。
湍流器23的截面為近似三角形結(jié)構(gòu)，并從外壁1 9開始逐漸變細(xì)。因此，在導(dǎo)向葉片13的鑄造過程中，湍流器可用作金屬輸送管。因此，本發(fā)明的導(dǎo)向葉片13易于制造。
圖4至6示出了三個不同實施例中的外壁19內(nèi)部的示意性端視圖。在圖4的實施例中，所有湍流器23a、23b都具有相對于導(dǎo)向葉片13的中心線25相同的角度α、β。湍流器23a、23b之間為直角26。因此由湍流器23a、23b限定的凹陷24為方形。
在各種情形下，湍流器23a、23b在兩個接觸點31之間延伸。在接觸點31的區(qū)域中，湍流器23a、23b彼此匯合。直湍流器23a、23b的使用簡化了生產(chǎn)。此外，使得加固增加。
圖5的實施例中，第一組湍流器23a與縱向中心線25成第一角α，而第二組湍流器23b與縱軸25成第二角β。在該實施例中，湍流器之間的角度26大于90°。相應(yīng)結(jié)果是形成菱形凹陷24。湍流器23a、23b相對于縱軸的不同傾角導(dǎo)致導(dǎo)向葉片13的取決于負(fù)荷方向的不同加固。由此實現(xiàn)對不同邊界條件的良好匹配。
圖6的實施例中，在各情形下，六個湍流器23形成六邊形凹陷24。結(jié)果是產(chǎn)生了可大幅度增加對導(dǎo)向葉片13加固的蜂窩結(jié)構(gòu)。
湍流器23的其他適當(dāng)配置當(dāng)然也可采用。優(yōu)選湍流器23布置成可產(chǎn)生圖4至6所示的凹陷24。在端視圖中，這些凹陷24具有封閉的橫截面，因此加固程度高。作為備選方案，湍流器23也可以布置成v或x形。
當(dāng)然，在轉(zhuǎn)子葉片14的情形中也可以設(shè)置湍流器23。圖7示意性示出這樣一種轉(zhuǎn)子葉片14，其具有多個帶有不同布置的湍流器23的截面28、29、30。在該情形下，截面28中湍流器的布置與圖4所示一致，而截面29、30中湍流器的布置與圖5和6的結(jié)構(gòu)一致。各截面28、29、30彼此間距一距離。轉(zhuǎn)子葉片14可在截面28、29、30之間的區(qū)域中以較少的生產(chǎn)成本進(jìn)行橫截面和形狀的變化。為了獲得所需的加固，外壁19、20的壁厚d在這些過渡區(qū)中相應(yīng)增加。采用不同湍流器23的布置使得葉片14的加固受到各截面28、29、30的具體影響。因此，結(jié)果是沿縱向中心線25有對不同邊界條件的最優(yōu)匹配。
截面28、29、30還可以彼此匯合，如圖8中采用導(dǎo)向葉片13所示意性示出的。在該情形下，各截面28、29、30的湍流器23彼此在接觸點匯合(未詳細(xì)示出)。因此，結(jié)果是導(dǎo)向葉片13沿其縱向中心線25連續(xù)加固。
本發(fā)明能夠借助設(shè)置用來提高熱交換的湍流器的特殊布置而使加固增加。對于相同負(fù)荷，外壁19、20的壁厚d可降低。冷卻效率因壁厚降低而增加，從而導(dǎo)致渦輪10的總體效率較高。
權(quán)利要求
1.一種葉片，特別是渦輪葉片(13；14)，其具有至少一個由多個壁(19、20、21)限定的而且冷卻流體可以導(dǎo)入其中的輸送管(22)，多個湍流器(23)設(shè)置在至少一個壁(19；20)上，以提高壁(19；20)和冷卻流體之間的熱交換，其特征在于，所述湍流器(23)彼此匯合，并用于加固壁(19；20)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片，其特征在于，所述湍流器(23)具有直的結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的葉片，其特征在于，所有湍流器(23a、23b)都與葉片(13；14)的縱向中心線(25)成相同角度(α、β)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的葉片，其特征在于，所述各湍流器(23a、23b)之間為直角(26)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的葉片，其特征在于，第一組湍流器(23a)與縱向中心線(25)成第一角(α)，而第二組湍流器(23b)與縱軸(25)成第二角(β)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項所述的葉片，其特征在于，湍流器(23)設(shè)置形成彼此相鄰而且在彼此上方定位的多邊形凹陷，特別是正方形、菱形、六邊形形狀的凹陷。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的葉片，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。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的葉片，其特征在于，葉片(13；14)具有多個帶有不同湍流器(23)布置的截面(28、29、30)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的葉片，其特征在于，所述截面(28、29、30)彼此間隔開。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的葉片，其特征在于，所述截面(28、29、30)彼此匯合。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的葉片，其特征在于，所述葉片構(gòu)成導(dǎo)向葉片(13)或構(gòu)成渦輪機(10)的轉(zhuǎn)子葉片(14)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于渦輪(10)的葉片(13；14)，其具有至少一個可被冷卻流體沖擊的輸送管(22)。提高壁(19；20)和冷卻流體之間熱交換的幾個湍流器(23)設(shè)置在輸送管(22)的至少一個壁(19；20)。此外，湍流器(23)加固壁(19；20)并會聚。所述加固的結(jié)果是，湍流器(23)之間區(qū)域中的壁(19；20)的厚度(d)可以降低。
文檔編號F01D5/14GK1606655SQ01806791
公開日2005年4月13日 申請日期2001年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月22日
發(fā)明者漢斯-托馬斯·博爾姆斯, 彼得·蒂曼 申請人:西門子公司