燃气轮机的涡轮叶片 本发明涉及燃气轮机的涡轮叶片。
现在的燃气轮机装置的效率的改进及输出功率的提高在很大程度上是通过提高温度来实现的。但由于燃气轮机的材料的热强度是有限的，因此处于最高温度下的各种零部件必须进行冷却。这就特别要涉及燃气轮机的导叶及动叶。
为了这一目的，设计涡轮叶片时，在其内部至少设计得局部是空地，且具有一个或多个冷却通道。一种冷却流体流过该通道，这种冷却作用通过叶体内的对流换热进行。另外，借助于将部分冷却流体导流流过叶体中的各开口而流到该涡轮叶片的外部，有可能形成气膜冷却。一冷却流体膜在此形成，从而将涡轮的热工作介质与涡轮叶片的外界隔开(参见德国专利DE3642789C2)。公知的可作为冷却流体的是：从燃气轮机装置的压气机来的，或从外部气源来的，并处于正压力的空气，甚至还有适当处理过的蒸汽。
首先将来源于一蒸汽环路的蒸汽保持在一封闭的冷却环路中的各种蒸汽冷却系统，根据技术要求不同而变化。由对流冷却过程加热的蒸汽重新供到该蒸汽环路中(参见EP0698723 A2)。各个敞开式蒸汽冷却系统也是公知的，其中加热后的蒸汽经过叶体中的各个开口导流到该涡轮叶片的外部。另外，还有各种混合蒸汽冷却系统，该系统具有一封闭的主要部分和一个在叶片出气边区域敞开的冷却系统，该敞开式冷却系统利用蒸汽或空气工作。
与各种敞开式冷却系统相比，甚至与各种公知的混合蒸汽冷却系统相比，各种公知的封闭蒸汽冷却系统在冷却过程方面具有许多优点。这种系统的使用范围现在正在扩大，具体原因是因为它们的效率高。然而，一封闭蒸汽冷却系统可能会因为杂质穿入与叶片的导向边相邻的冷却通道中而受到严重损害。根据杂质撞击期间形成于该叶片导向边中的各个孔的数量及大小不同，许多冷却蒸汽漏离，从而在穿透处的下游的叶片不再具有足够的冷却。因此此时材料产生过热，由于这个原因将导致严重的后续损坏。
因此，为了克服上述所有这些缺点，本发明的目的之一是提供各种可提高其工作可靠性的新型涡轮叶片。
根据本发明，这个目的是这样实现的，替换为权利要求1“其特征”之前的文字，在叶片的吸气侧壁区域，压气侧壁区域及出气边区域的叶体内腔，具有一个带有至少一个冷却通道的封闭式冷却系统。另一方面，在叶片的导向边区域形成一个单独的敞开式冷却系统，该敞开式冷却系统具有至少一个冷却通道和一组穿过叶体的气膜冷却孔。
由于该叶片的冷却分成两个单独的冷却系统，因此在一般大小的杂质穿过时，只有与叶片导向边相邻的敞开式冷却系统受到影响。而蒸汽对叶体的主要部分的对流冷却作用仍得到了保证。在叶片的导向边区域，该叶体同样可通过该敞开式冷却系统进行同样的对流冷却及附加的气膜冷却。
在一最佳的实施方式中，该敞开式冷却系统由两个设置得相互平行且通过一组进气孔相互连接的冷却通道组成。在该设计方案中，在第一冷却通道的下游存在泄漏时，借助于从第二冷却通道供给的冷却介质也可保持冷却作用。
在本发明的第一实施例中，该个邻近于叶片导向边的冷却通道的设计至少大致为圆形。各个气膜冷却孔“进气孔”从该第一冷却通道开始沿切向延伸，而各个进气孔从第二冷却通道开始沿切向延伸并同样沿切向导入该第一冷却通道中。因此在第一冷却通道中的冷却介质要进行旋转运动。冷却介质的这种涡流既可用于改善叶体内腔的对流冷却，又可对叶体提供有效的气膜冷却。
特别合适的是：气膜冷却孔朝向吸气侧壁并至少大致处于该燃气轮机的工作流体的流动方向。因此从气膜冷却孔中高速流出的工作介质要求的流动方向已经预先确定。这样，一种提高了冷却作用的冷却膜分布于该涡轮叶片的吸气侧壁上，因此可提高膜冷效果。
在本发明的第二实施例中，该封闭式冷却系统也由至少两个相互平行设置且通过各个连接孔相互连接的冷却通道组成。当杂质穿过后，该冷却介质流过各连接孔，流到相应的杂质穿过点，所以处于冷却侧下游的各冷却部分仍可充满冷却介质。这样，可进一步改善涡轮叶片的工作可靠性。
最后，根据冷却介质的可获得性，可用空气作为敞开式冷却系统的冷却介质，或用蒸汽作为封闭式冷却系统的冷却介质。
参照与燃气轮机的动叶的各个附图一起考虑时而作出的下列详细说明，就会对本发明有更好的理解，故可容易地得出对本发明更完全的理解及其许多明显的优点。
图1所示为一个具有一封闭式及一敞开式冷却系统的动叶的局部纵剖视图；
图2所示为沿图1中平面Ⅱ-Ⅱ剖开的剖视图(放大)；
图3所示为一个类似于图1中动叶但带有两个平行冷却通道的剖视图；
图4所示为沿图3中平面Ⅳ-Ⅳ的剖视图(放大)。
各图中只示出了那些对本发明的理解起关键作用的零部件。该燃气轮机装置的没有示出的零部件包括诸如压气机，燃烧室及导叶。工作介质的流动方向由箭头表示。
现在参见附图，其中相同的标号在各个附图中自始至终表示相同的或对应的部件，该燃气轮机(未示出)具有几排动叶和导叶。图1中示出了一片动叶1。该动叶由叶跟2和叶体3组成。该动叶1的叶体3具有吸气侧壁4，与该吸气侧壁4相对的压气侧壁5，叶片导向边6和叶片出气边7。该动叶具有空的内部空间8，在该吸气侧壁4、该压气侧壁5及叶片出气边区域中，内部空间包括一个带有一冷却通道10(图2)的封闭式蒸汽冷却系统9。在另一方面，在叶片的导向边6区域形成有一个带有两个相互平行设置的冷却通道14,15的敞开式冷却系统11。一隔壁16设置于该封闭式蒸汽冷却系统9和该敞开式冷却系统11之间。
该敞开式冷却系统11的第一冷却通道14邻近叶片的导向边6，并设计为圆形，且经一组设置于一中间壁17中的进气孔18与第二冷却通道15相连。当然该第一冷却通道14也可具有其它合适的形状，例如一近似圆形，一椭圆形或一土豆形的设计(未示出)。该中间壁117在叶跟2的区域通过一连接片19连接到吸气侧壁4上，一组用于对该吸气侧壁4进行局部冷却的冷却孔20设置于该连接片19中。
设置于该中间壁17中的各进气孔18使该两个冷却通道14,15相切地连接。从该第一冷却通道14起，一排在任何情况下都具有一组朝向该吸气侧壁4，以及大致处于该燃气轮机的工作流体13的流动方向12的切向气膜冷却孔22的膜孔排21，位于叶体3中，并穿过该叶体3。也可以在该叶体3中设置一组膜孔排21。这一特征在图2中由虚线所示的第二膜孔排21示出。
在该燃气轮机装置工作期间，从燃烧室来的热工作流体13被导入燃气轮机中并通过流体动叶1在那里产生膨胀。在该过程中，固体颗粒可能会穿入燃气轮机并与其零部件产生碰撞。由于处于叶片导向边6的区域因而处于该燃气轮机工作流体13的流动方向12的敞开式冷却系统11处于最上游，因此工作流体13中所含撞击该动叶1的叶体3的颗粒实际上只能损坏该敞开式冷却系统11，而与该敞开式冷却系统分开的封闭式冷却系统9得到了保护。因此，该叶体3的主要部分的冷却从一开始就得到了保证。
在敞开式冷却系统11中，用作冷却介质23的是来源于燃气轮机装置的压气机的空气或一外部气源来的空气，并且该些空气都具有正压力。空气23通过一个设置于叶跟2中的进气通道24导入第二冷却通道15，从而对叶体3进行对流冷却。然后，该空气23通过进气孔18进入第一冷却通道14，并同样对叶体3进行对流冷却。由于第一冷却通道14的圆形设计并由于该空气23的切向喷射，因此该空气23要进行一旋转运动，这种运动明显改善了冷却作用。从该第一冷却通道14开始，该空气23流过同样是切向布置的膜冷孔22流到该吸气侧壁4上。在此，该空气形成一层薄的冷却膜，该膜将叶体3的外表面与该燃气轮机的热工作流体13隔开。由于该膜冷孔22的取向，空气23就可大致沿该燃气轮机的工作流体13流动方向排出，这进一步改善该膜的冷却效果。
适当处理过的蒸汽也可用作冷却介质23。在这种情况下，该封闭式冷却系统9及敞开式冷却系统11两者都采用相同的冷却介质23,26工作。因此不必单独供给冷却介质，所以在叶跟2的区域，两冷却系统9,11之间的隔壁可缩短(未示出)。
工作流体13中所含的颗粒物以极高的动能碰撞该动叶1的叶片导向边6，并可穿透该导向边6。因此在叶体3的该区域(图1,2)会形成孔25。通过孔25泄漏的空气23由从第二冷却通道15来的额外提供的空气23补偿。该燃气轮机的任何穿过的热工作流体首先保持在作涡旋运动的空气的中心，并最后由该空气23稀释，所以，即使在颗粒物碰撞叶片导向边后，敞开式冷却系统11中的冷却作用也仍能保持。
该敞开式冷却系统在冷却作用期间，流入燃气轮机的工作流体13中的冷却介质在涡轮叶片的下游部分发生膨胀。在另一方面，在封闭式冷却系统9中用作冷却介质26的蒸汽进行再循环，并且例如在与该燃气轮机相连的蒸汽轮机的蒸汽通路中膨胀(未示出)。
在第二个示范性实施例中，该封闭式冷却系统9设计为一个蛇形管冷却系统。该系统由两个相互平行设置、并沿叶片纵向从叶跟2向叶梢29延伸的冷却通道27,28组成。该两冷却通道27,28在叶梢29处改为沿该动叶1(图3)的叶跟2的方向。具有一组连接孔31的肋壁30设置于两平行设置的冷却通道27,28之间，蒸汽26穿过该两通道27,28沿相同的方向流动。当然，在冷却通道28,27之间还设置有肋壁32，空气穿过通道28,27沿相反的方向产生流动。然而，该肋壁32没有连接孔31(图4)。冷却介质26的任何脏的颗粒物或其它杂质的排出孔33设置于叶梢29处。
在这种燃气轮机装置工作期间，在封闭式冷却系统9的区域中的各个孔25也可得到补偿。如果杂质颗粒穿入动叶1的该区域，则冷却介质将穿过连接孔31流出不受任何影响的冷却通道27、28而流到相应的各个孔25处，所以，处于冷却侧下游的冷却部分仍能充满蒸汽26。与敞开式冷却系统11相关的操作步骤与根据动叶示范性实施例所述的类似。
一燃气轮机的各个导叶(未示出)当然也可以根据冷却情况按类似的方式进行设计。
显而易见地，根据上述教导，可对本发明作出许多修改及变形。因此可理解：在所附的各权利要求的范围内，除了本文具体描述的内容外，本发明还可以其它方式实施。