[发明专利]具有改进的密封的涡轮叶片和涡轮

说明书

技术领域

本发明涉及燃气涡轮移动叶片，并且更特别地，涉及具有带有改进密封线的平台底切部(undercut)的燃气涡轮叶片。此外，本发明涉及用于屏蔽底切部的涡轮隔热罩，以及包括隔热罩-叶片组合的涡轮。

背景技术

燃气涡轮叶片暴露于高温燃烧气体，并且因此经受较高热应力。在本领域中已知用于冷却叶片和减小热应力的方法。典型地，从压缩机排出的高压空气从叶片根部底部部分引入到被空气冷却的叶片的内部中。在冷却轮轴部分、平台和翼型件之后，高压空气从设在叶片面处的小孔流出，或者从设在叶片末端部分处的小孔流出。此外，小孔可设在叶片的叶片后缘部分处，高压空气流过该小孔，以冷却叶片的后缘。可在平台表面上提供小孔，用于冷却。因此，高压空气降低移动叶片的金属温度。

经高度冷却的燃气涡轮叶片在热的翼型件和平台的相对较冷的轮轴部分的界面处经历高温失配。这些高温差在平台处产生热变形，该热变形与翼型件的那些热变形不一致。除了热应力之外，较大的离心力在运行期间作用在叶片上，从而使叶片中的应力增大。当翼型件被迫遵循轮轴和平台的移位时，在翼型件上、特别是在较薄后缘区域中出现较高热应力。这些较高热应力在瞬时发动机运行以及稳态、全速、全负载状况期间存在，并且可导致裂纹发生和传播。这些裂纹可潜在地最终导致构件的灾难性故障。

US 5947687公开了燃气涡轮移动叶片(图1-3)，其具有在涡轮叶片的平台的后侧上的凹槽，该凹槽设计成制止翼型件后缘和平台的附接点处的、在瞬时运行状况(即，涡轮开始和停止)期间发生的较高热应力。该凹槽沿着平台的整个长度，沿着涡轮的周边(典型地平行于涡轮的旋转平面)从叶片的压力侧(典型地具有凹形弯曲部)延伸到吸力侧(典型地具有凸形弯曲部)。在运行中，在平台的后缘和叶片下游的随后的导叶平台或隔热罩之间不存在有效密封。凹槽典型地开向间隙，该间隙被冷却空气吹扫，并且面向涡轮的热气路径。如果吹扫流被中断，或者热气侧上的压力分布不像预期的那样，则热气可通过间隙吸入，并且导致凹槽局部过热，以及潜在地使叶片足部以及涡轮转子过热。

在凹槽下方，涡轮叶片连接于转子。例如可利用具有渐缩形式的杉树件来进行机械连接，其中，拉销锯齿状边缘提供多个承受负载的面。为了将加压冷却空气供应到叶片，在叶片的足部下方或其间提供腔体。对于叶片的轴向下游端，例如可由搭叠件(即沿周向方向从一个叶片足部延伸超过相邻叶片足部的交迭件)闭合这些腔体。搭叠件使得难以组装和拆卸叶片、尤其是用于修理的单独叶片。另外，搭叠件具有有限的密封能力，因为交迭件实际上不具有机械灵活性。

例如从EP1079070已知的涡轮隔热罩是用于使热的工作介质流过其的空间区域与燃气涡轮的转子布置内部的优选可冷却的空间区域分开的装置。此类隔热罩布置具有至少两个转子盘，其沿轴向方向布置在彼此后面，可借助于至少一个连接区域固定地连接于彼此，并且至少在它们的径向周向边缘的区域中彼此分离开。隔热罩布置另外为片状设计，布置在两个邻近转子盘之间，并且具有两个连接边缘，在各种情况下，沿着该连接边缘，隔热罩可在邻近转子盘的周向边缘的区域中处于运行连接，并且该连接边缘覆盖在转子侧上在两个转子盘之间延伸的中间空间。隔热罩布置用来使设在燃气涡轮的内部中的热气通道成形(该热气通道在其直径处面向转子)，并且保护转子的结构部分免受过热。

已知的隔热罩设计和具有此类隔热罩的涡轮需要在平台下方吹扫叶片足部的轴向下游端。使用的吹扫空气对涡轮功率和效率具有有害影响。另外，任何机械缺陷或吹扫空气供应的变化可使局部吹扫不充分，从而导致叶片的下游端或保持叶片的转子盘的局部过热。

发明内容

本公开的目的是提出一种叶片、隔热罩和包括叶片-隔热罩布置的涡轮，该叶片-隔热罩布置避免叶片后缘部分中的较高应力，并且保证安全高效地冷却叶片足部的下游端以及保持叶片的转子盘。

根据一个实施例，一种燃气涡轮叶片包括：平台，其具有后缘侧、压力侧、吸力侧和前缘侧；连接于叶片平台的翼型件；以及形成于平台的后缘侧中的第一凹槽。第一凹槽在叶片压力侧和叶片吸力侧之间延伸。在轴向方向上，第一凹槽在翼型件的后缘的根部下方延伸。后缘的根部是翼型件的后缘与平台相交的位置(根部可在后缘和平台之间的过渡部处为圆形的，以降低局部应力)。叶片进一步包括形成于叶片平台的后缘侧中的后缘侧密封凹槽，该后缘侧密封凹槽比第一凹槽更接近面向翼型件的平台表面，其中，后缘侧密封凹槽在叶片压力侧和叶片吸力侧之间延伸，并且其中，后缘侧密封凹槽在轴向方向上的深度小于第一凹槽的深度。