带主动冷却围带元件的涡轮叶片 本发明涉及燃气轮机领域。即涉及一种气冷涡轮叶片，其在叶尖带有一个垂直于叶片纵轴伸展的围带元件，一组用于冷却的冷却孔穿过围带元件，所述冷却孔在入口侧连接着至少一个从涡轮叶片通向叶尖的冷却通道，并在出口侧通向环绕着涡轮叶片的外界空间。
DE 198 13 173 A1或US 5,785,496中公开了一般型式的涡轮叶片。
现代燃气轮机工作在极高的温度中。这需要对涡轮叶片进行强冷却。一个特别的困难是可靠地冷却叶片的暴露区域。这样的区域之一是叶片的围带或围带元件。在DE 198 13 173 A1的开始部分描述了冷却围带元件的一种可行方法。在这个专利申请公开说明书中提出(见其图3和4)利用多个平行的冷却孔冷却围带元件，这些冷却孔从(中央)移动叶片通过围带元件伸向围带元件的外缘，并在此通向外界空间。
然而，这种现有的解决方案有以下缺点：- 相邻叶片(例如，从US 5,482,435的图3中可以看到)的两
个围带元件之间的对抵接头至少部分地接近冷却孔的出口。
这将阻碍冷却气地排出和分配。围带元件会在运转过程中过
热。- 由于出口的横向安置，现有围带冷却方法不能改变流过围带
的气流状态；也就是说，位于围带顶侧的压力和温度保持相
同。在US 5,460,486中提出的方法中，由于一些冷却孔开口
于围带元件的底侧，因此上述状态也不会改变；- 冷却效果主要取决于围带周围的混合温度，该混合温度可以
通过排出的冷却气与热气的混合而降低。在冷却孔中没有采
取措施以增强冷却气与围带元件之间的热传递能力。
因此，本发明的一个目的是一种带气冷围带元件的涡轮叶片，其中，可以以简单的方式避免上述缺点，而且可以显著实现围带元件的冷却，特别是围带元件的暴露顶侧。
这个目的可以通过这样的技术方案而实现，即提供一种气冷涡轮叶片，其在叶尖带有一个垂直于叶片纵轴伸展的围带元件，一组用于冷却的冷却孔穿过围带元件，所述冷却孔在入口侧连接着至少一个从涡轮叶片通向叶尖的冷却通道，并在出口侧通向环绕着涡轮叶片的外界空间，其特征在于，冷却孔在围带元件中大致平行于叶片的运动方向从内侧向外侧伸展，并全部在围带元件的侧缘的上游通入一个向着外界空间敞开的表面凹槽中。
本发明的基本思想是，一方面，以这样的方式构造穿过围带元件的冷却孔，即能够确保围带元件与冷却气之间具有显著的热交换，另一方面，以这样的方式使这些孔通向外界空间，即能够使冷却气可靠地进入围带的暴露区域，而且这些区域会被额外冷却。
这个思想可以通过下面的事实实现，即冷却孔从叶片中的冷却通道开始，在围带元件中大致平行于叶尖的运动方向从内侧伸向外侧，而且全部在围带外边缘的上游通入一个向着外界空间敞开的表面凹槽中。
在这种情况下，在本发明的第一个优选实施例中，凹槽成形在顶侧外边缘附近，冷却孔横向开口于该凹槽中。
由于冷却气会与流过围带元件顶侧的热燃烧气混合，因此这个区域中的温度可以有效地降低，而且围带的过热可以避免。通过这种方式，可以在整个表面上对围带元件均匀冷却。除了能够均匀冷却围带顶侧之外，这种结构还有结构非常简单的优点。
在一个优选实施例中，由于在围带元件顶侧带有彼此相隔并相互平行的密封肋，并且使密封肋与燃气轮机上的相面对的壳壁之间构成一个空腔，而冷却孔开口于该空腔中，因此可以使排放到围带元件顶侧的冷却气特别有效。冷却气使空腔中出现压力升高，从而导致热气的穿透性降低。
在本发明的另一个实施例中，围带元件的侧缘带有凹槽部分，冷却孔即开口于其中。在这种情况下，相面对的围带元件之间的凹槽部分构成一个间隙。冷却气在排入间隙时会分裂成两个局部气流。一部分流向顶侧，并在上述相隔密封肋之间的间隙中具有上述效果。另一部分流向围带底侧并与热气混合，从而获得一个混合温度，以降低次区域中的热负载。向上和向下流动的局部气流的体积比可以通过间隙的几何形状而调节。
在本发明的一个附加便利方面，还提出在冷却通道中带有装置，以提高冷却气与围带元件之间的热传递能力。
冷却孔中的用于提高热传递能力的装置包含粗糙特征、肋或涡流点。通过一种本身公知的方法，冷却孔可以通过所谓的STEM钻孔方法加工。具有改进热传递能力的冷却孔可以通过简单且可靠的方式加工，特别是通过STEM钻孔，该方法在，例如，美国专利5,306,401中接合涡轮叶片的冷却孔的加工方法进行了描述。
此外，在另一个有效实施例中，由于在每个冷却孔中分别带有一个用于限制冷却气质量流的阻塞点，每个阻塞点均安置在冷却孔的入口侧，因此可以获得改进的冷却气利用率。
下面将通过参考示例性实施例和相关附图而更详细地解释本发明，附图包括：
图1是一个涡轮叶片优选实施例的俯视图，该涡轮叶片带有向着围带顶侧排放的冷却孔；
图2中显示了另一个根据图1的带有扩散器状冷却孔的实施例；
图3是根据图1的围带元件的一个侧视图，其中带有环形横截面冷却孔；
图4是根据图1的围带元件的一个侧视图，其中带有椭圆形横截面冷却孔；
图5是根据图1的一个围带元件的局部剖面图；
图6是一个实施例中的两个围带元件的俯视图，它们中带有向着侧缘排放的冷却孔；
图7是根据图6的一个围带元件的局部剖面图；
图8是一个围带元件的局部截面图，其中带有向着围带元件底侧排放的冷却孔。
图1中显示了根据本发明的一个涡轮叶片的优选实施例的俯视图。涡轮叶片10中包含实际叶片型面23和一个围带元件11，其安置在位于叶片轮廓23横向的叶尖上，并与其它叶片上的围带元件(未示出)一起，构成一个连续的机械式稳定围带。叶片型面23在内部是局部中空的，并且有一个或多个冷却气通道18穿过叶片型面23，用以引导冷却气从叶片根部直到叶尖。围带元件在项侧带有两个密封肋12和13，它们沿着平行于叶尖运动的方向伸展，并且与燃气轮机上的相对面的壳壁20一起构成一个空腔21，空腔21通过间隙连通周围环境。在围带元件11内部，有一组冷却孔17在肋12、13之间并大致平行于两个肋从中央向外伸展。在入口侧，各冷却孔17连接着冷却气通道18，并被冷却气通道供应冷却气。从图1中可以看到，冷却孔17并不是完全伸到横端，即围带元件11的边缘，而是全部从这一侧通入一个细长凹槽14中，凹槽14在顶侧22处凹入围带元件11中。显然，除了凹槽14，每个冷却孔17也可以自身分别连接到一个单独的凹槽中。此外，还可以理解，如需要，也可以使冷却孔17以一个小的角度伸展并从彼此平行的位置上偏离一些，从而使对围带元件11的整个表面冷却最优化。
此外，向上吹出冷却气将导致围带与壳壁20之间的空腔21充气。这将使得空腔中的压力升高并有助于减少热气24的质量流穿透。此外，这个区域中的混合温度显然也可以降低，这是因为围带元件11在顶侧22处受到的热负载减少了。
图示的冷却结构中的冷却孔17优选通过所谓的STEM钻孔方法加工，该方法详细描述于美国专利5,306,401中。其结果是，能够(通过进给变化)使冷却孔17的表面带有粗糙特征、肋或涡流点。这将导致冷却效率显著提高，因为冷却孔的形状可以最优化。此外，还希望在所有冷却孔17中均带有一个阻塞点19，优选位于入口侧，即型面23的冷却气供应区。其结果是，可以精密地限制冷却气的质量流并使冷却效率显著提高。
根据图2的实施例与根据图1的实施例的区别之处在于，从冷却孔入口侧阻塞点19处开始的所述冷却孔17均分别构成一个扩散器，或构成扩散器形结构。在另一个实施例中，如图4所示，冷却孔具有椭圆形状。与带有内部粗糙特征的表面和扩散器式的加宽形状一样，这种结构也会增加热交换器的可用有效表面。作为附加或替换结构，冷却孔17可以具有不同于上述形状的结构。这些结构可以是，例如，规则或不规则保持的凹槽或波纹。
在根据图6和7的本发明的另一个改良例子中，冷却孔在围带元件11的侧缘25处排放。然而，为了避免现有技术中的缺点，围带元件11的侧缘25被这样设计，即相邻元件11之间只有区域性接触，从而使冷却孔的排放区域后退到一个凹槽15。在相邻元件之间，两个面对着的凹槽15构成一个间隙26，冷却气即进入该间隙26中。本实施例可以可靠地防止排放口被相邻围带元件堵塞。即使两个相邻围带元件11之间构成机械式接触，也可以确保冷却气总是穿过冷却孔17。
从两个相邻围带元件11进入间隙26的冷却气将分裂成两个局部气流。一个局部气流向上流动并导致位于围带上方的空腔21充气，而另一个局部气流则流到围带底侧并与热气混合。所形成的混合温度将导致这个区域中的热负载降低。
两个局部气流的体积比受间隙结构的影响。因此，顶侧和底侧可以具有不同的间隙宽度，或者从射流点处看，边界壁可以倾斜或具有不同结构。
在图8中显示的一个实施例中，冷却介质排放到围带元件底侧。冷却孔17横向通向凹槽16中。在这个变型中，围带底侧区域中的混合温度被降低，因此热负载减少。
参考标号清单：
10 叶片
11 围带元件
12，13 密封肋
14，15，16 凹槽
17 冷却孔
18 冷却气通道
19 阻塞点
20 壳壁
21 空腔
22 顶侧(围带)
23 叶片型面
24 热气
25 围带元件的外边缘
26 外端元件之间的间隙