CN101021166A - 带有径向冷却通道的涡轮叶片 - Google Patents

Abstract

涡轮叶片被流过径向冷却通道的冷却空气冷却。该涡轮叶片包括根部和翼面。进入冷却通道中的冷却空气的流量被预计量孔限制，使该冷却通道内的压力降低。压力降由该预计量孔的横截面积比相邻的冷却通道的横截面积小产生。在流过该冷却通道后，冷却空气通过薄膜冷却孔从冷却通道流出，在该翼面上形成一个薄膜层，以冷却和隔离涡轮叶片。

Description

带有径向冷却通道的涡轮叶片

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机，尤其涉及燃气涡轮发动机的冷却的涡轮叶片。

背景技术

诸如轴流式涡轮发动机一类的燃气涡轮发动机包括转子组件。该组件带有回转圆盘和在圆周上围绕该圆盘配置的多个转子叶片。转子叶片包括与该圆盘接合的一个根部和被安置在发动机气体通道内的翼面部分。在这个气体通道内的温度非常高，使该转子叶片加热。如果转子叶片太热，对翼面的耐久性有不利影响。因此，使用冷却涡轮叶片的各种方法来改善涡轮叶片的寿命和耐久性。

已知冷却转子叶片的一个方法为简单的径向流动薄膜冷却。在这种方法中，在该转子叶片中，通过钻削从基座至顶部的直孔，形成内部通道。由于是钻削形成的，该内部通道为具有从基座至顶部的单直径的圆柱形通道。然后，通过转子叶片的侧壁钻出薄膜冷却孔，与该内部通道邻接。冷却空气强制通过该通道，然后流出薄膜冷却孔。当冷却空气通过该内部通道和在涡轮叶片上流出和围绕它流动时，进行冷却。简单的径向流动薄膜冷却大都已被抛弃，因为这种方法将太多的冷却空气释放入发动机中。过分冷却发动机是不希望的，因为冷却空气降低了发动机内的压力，从而降低发动机的效率和推力。

为了缓和这个问题，翼面设计开始包括复杂的内部通道，例如蛇形通道的设计。在这些翼面中，内部通道首先将冷却空气从基座引导至翼面的顶部。然后，该通道急剧地拐弯，将冷却空气从顶部引导回基座。然后，该通道再拐弯，将冷却空气引导回顶部，依此类推，直至冷却空气走过全部的蛇形通道为止。

蛇形通道的设计有许多问题。一个挑战是当蛇形通道系统转动时，难以预测和模拟通过蛇形系统的空气流动和压力分布。特别是，回转力阻止冷却空气在从翼面顶部至基座的方向上的流动。预测和模拟回转力对冷却空气的精确作用非常困难。为了克服阻止冷却空气从翼面的顶部至基座的流动的回转力，必需在内部通道的顶部上有足够的压力，以迫使空气流回翼面的基座。如果没有足够的压力，则冷却空气不流过所希望的蛇形通道，造成涡轮叶片冷却不充分。

另外，冷却通道内的压力不足可造成倒流。当热的气体从气体通道流入翼面的薄膜冷却孔，而不是冷却空气流出时，产生倒流。这会导致涡轮叶片的不希望的加热。另一方面，如果在冷却通道中冷却空气太多，则太多的冷却空气从薄膜冷却孔逸出，造成发动机的过度冷却。

发明概述

利用供给多个薄膜冷却孔的径向延伸的冷却通道，可以有效地冷却燃气涡轮发动机的涡轮叶片。利用位于冷却通道的一端上的预计量孔，可以控制通过冷却通道的冷却空气的量。该预计量孔的横截面积可允许足够的冷却空气通入冷却通道中，充分冷却涡轮叶片，但也限制冷却空气的流量，使得不过度冷却发动机。

附图简要说明

图1为涡轮转子组件的透视图；

图2为涡轮叶片的透视图；

图3为涡轮叶片的横截面图；

图4为涡轮叶片的放大的横截面图。

优选实施例说明

图1为燃气涡轮发动机的涡轮转子组件10的透视图。涡轮转子组件10包括圆盘12和涡轮叶片14。圆盘12包括多个在圆周上围绕圆盘12设置的凹部16和圆盘12可以围绕它转动的一条回转中心线18。涡轮叶片14包括根部20，翼面22和平台24。根部20的形状与圆盘12的一个凹部16匹配(如图所示，与冷杉树形匹配)。翼面22沿着径向中心线25从圆盘12伸出。翼面22包括压力侧壁26和低压侧壁28。平台24支承在圆盘2的外圆周上，并为翼面14提供侧面对侧面的稳定性。涡轮叶片14可利用通常的技术制造，例如利用蜡模铸造技术制造。

在工作中，当热气体在翼面14上通过时，涡轮转子组件10沿着回转中心线18转动。气体的高温使涡轮叶片加热。为了满足所希望的耐久性要求，涡轮叶片必需保持在最高温度以下。为了做到这点，将温度比热气体的温度低的冷却空气通过涡轮转子组件10。再将冷却空气导入涡轮叶片14的根部20。冷却空气通过冷却通道，并通过在侧壁26和28上的薄膜冷却孔流出(如图2所示)。当冷却空气从薄膜冷却孔流出时，它在涡轮叶片14上形成一个冷却空气的薄膜层。该薄膜层冷却通过的热气体，并使叶片与该热气体隔离。

图2为涡轮叶片14的透视图。涡轮叶片14包括根部20，翼面22和平台24。翼面22包括基座30，顶部32，前缘34和后缘36。低压侧壁26和压力侧壁28在基座30和顶部32之间延伸，并在前缘34和后缘36处相交。薄膜冷却孔38穿过压力侧壁26和低压侧壁28。冷却空气通过该薄膜冷却孔，从翼面22的内部通至翼面22的外部，从而沿着侧壁26和28的表面形成冷却空气的隔离薄膜，以冷却涡轮叶片14和使涡轮叶片14与热气体隔离。

图3为涡轮叶片14的一个实施例的横截面图。涡轮叶片14包括根部20，翼面22和平台24。翼面22包括基座30，顶部32，前缘34和后缘36。在涡轮叶片14内有从基座30延伸至顶部32(一些肋从根部20延伸至顶部32)和在侧壁26和28之间的多个肋48。这些肋形成冷却通道40之间的隔板，引导在涡轮叶片14内的冷却空气的流动。冷却通道40包括根部冷却通道42和翼面冷却通道44。在冷却通道44内有与一个或二个侧壁26和28的内表面连接的多个分离带50(tripstrip)。

冷却通道40在如图1所示的与径向中心线25平行的方向上，在涡轮叶片14内沿径向延伸。冷却通道40包括根部冷却通道42和翼面冷却通道44，它们由预计量孔52隔开。冷却通道44的横截面可以为任何所希望的形状，例如圆形、矩形三角形等。根据具体的工作规范，该所希望的形状和尺寸可以改变。另外，冷却通道44从基座30至顶部32作成锥度也是希望的(使横截面积从基座30至顶部32减小)，以便当冷却空气从薄膜冷却孔38流出时，维持冷却通道44内所希望的压力。

预计量孔设置在冷却通道42和44之间，以控制进入冷却通道44的空气流量。通过调节预计量孔52的尺寸，可以调节进入冷却通道44的空气流量。预计量孔52的横截面积越小，则能够流入冷却通道44的冷却空气越少。术语“计量”表示将从薄膜冷却孔流出的冷却空气流量设定为适当的量。术语“预先计量”表示孔52提供冷却通道44内粗略或近似的空气压力，以便粗略地调节通过薄膜冷却孔38的冷却空气的流量。

每一个预计量孔52的横截面积比在基座30的相关的冷却通道44的横截面积小。预计量孔52和基座30处的冷却通道44之间的横截面积差造成产生从冷却通道42至冷却通道44的压力降。冷却通道44中小的压力表示可以使用较大的薄膜冷却孔38，而不会使发动机过度冷却。特别是，通过使预计量孔52的横截面积，冷却通道40的横截面积和薄膜冷却孔38的横截面积(如图2所示)平衡，可以控制流出薄膜冷却孔38的冷却空气流量，以便将适当的冷却空气量送至涡轮叶片14的特定区域。这点参照图4更详细地说明。

分离带(trip strip)50以相对于冷却空气流动方向倾斜的一个角度，设置在冷却通道44内。最好，分离带50的取向为与冷却空气的流动方向成大约45°角。分离带在冷却空气流动中加入紊流，这可增加冷却通道44内的传热系数，从而改善从翼面22至冷却空气的传热。

在工作中，冷却空气进入根部20处的涡轮叶片14的冷却通道40。冷却空气通过预计量孔52，从根部20流入翼面22的基座，再引导至顶部32。当在冷却通道40内，冷却空气从基底30流至顶部32时，一些冷却空气通过薄膜冷却孔38流出。冷却空气从薄膜冷却孔38流出后，空气沿着侧壁26或28流动，并在翼面22的表面上形成冷却空气的薄膜层。这个薄膜层冷却翼面22，还使翼面22与流过的热气体隔离。这样，涡轮叶片14保持在所希望的温度以下，以保持在燃气涡轮发动机内，叶片的寿命和耐久性。

图4为包括薄膜冷却孔38，冷却通道40和预计量孔52的涡轮叶片的一个实施例的放大的横截面图。通常的涡轮叶片设计遇到的一个困难是不能很好地控制从薄膜冷却孔流出的冷却空气的流量。如果太多的冷却空气从薄膜冷却孔放出，则因为过度冷却燃烧气体，和还降低发动机内的压力，因此，燃气涡轮发动机的效率降低。然而，不足够的流量不能充分地冷却涡轮叶片，使该涡轮叶片的寿命和耐久性降低。

通常的带有径向冷却通道的涡轮叶片设计大部分被抛弃，这是由于这种设计会使发动机过度冷却或被砂或碎片堵塞。燃气涡轮发动机经常在飞机上或其他在多砂或灰尘的环境中工作的机械上使用。为了避免过度冷却，通常的系统使用非常小的薄膜冷却孔尺寸，这会限制冷却空气的流动。然而，这些薄膜冷却孔的尺寸这样小，以致可被砂和其他碎片堵塞。在薄膜冷却孔被堵塞后，薄膜冷却孔放出很少或不放出冷却空气。结果，该冷却系统不能有效地冷却涡轮叶片14。使用小的薄膜冷却孔的通常的涡轮叶片的另一个问题是在薄膜冷却孔上产生全部的压力降。结果，从薄膜冷却孔流出的冷却空气流的速度高。高速的冷却空气必然与外界空气和热气体混合，造成大的混合损失。该混合损失导致涡轮叶片的空气动力学效率低。

因此，必需使用大的薄膜冷却孔尺寸，以避免堵塞和降低可造成燃气涡轮发动机过度冷却的排出的冷却空气的速度。结果，大部分都抛弃带有径向冷却通道的涡轮叶片设计，而采用复杂的冷却通道设计一例如具有蛇形冷却通道的设计。

与蛇形冷却通道或其他复杂的形状相反，径向冷却通道的好处之一为冷却空气在径向冷却通道内的流动更容易预测和计算。涡轮转子组件(如图1所示)的快速转动产生作用在涡累叶片14以及内部包含的冷却空气上的大的回转力。径向冷却通道利用径向力，帮助将冷却空气从翼面22的基座30推至顶部32。蛇形通道的设计可通过迫使冷却空气通过取向与该回转力(在从顶部32至基座30的方向上)相反的通道克服该回转力。这大大增加预测在涡轮叶片内的冷却空气的流动的复杂性。

这个实施例提供了径向冷却通道40。它消除了更复杂的设计的困难，还克服了通常的径向冷却设计的缺点。具体地是，预计量孔52提供了控制流入冷却通道44中的冷却空气的流量，以避免过度冷却发动机和避免涡轮叶片14冷却不足。

基座30处的每一个翼面冷却通道44的横截面积(A_C)比相应的相邻的预计量孔的横截面积(A₀)大。横截面积的改变使得当冷却空气通过预计量孔52，进入冷却通道42的基座30中时的压力改变。结果，在冷却通道44的基座30处的压力P₂比在根部20内，在冷却通道40内的压力P₁小。冷却通道44中压力减小的结果，可使薄膜冷却孔38(其横截面积为A_F)的尺寸作得足够大，以避免被砂或其他碎片堵塞。

预计量孔52的尺寸和形状可根据系统的具体要求和具体的冷却通道的要求变化。

可以设计预计量孔52的横截面的形状，以控制进入冷却通道42的冷却空气的流动方向。例如，可以使用三角形的横截面，使导入一侧的空气流量比导入另一侧的多。可以设想无限多种横截面形状。设计预计量孔的横截面积，以提供进入和流出薄膜冷却孔38的适当的冷却空气量。因此，横截面积取决于许多变量，包括在涡轮叶片14外面的热气体的温度，冷却空气的温度，由相应的预计量孔供给的薄膜冷却孔的数目和尺寸，涡轮转子的回转速度，燃气涡轮发动机所希望的推力，和在涡轮叶片设计技术领域的技术人员知道的其他变量。

虽然，已参照优先实施例说明了本发明，但业内人士知道，在不偏离本发明的精神和范围的条件下，可对其形式和细节作改变。

Claims (20)

1.一种涡轮叶片，包括：

具有一前缘，一后缘，一第一侧壁和一第二侧壁的翼面；

一条冷却通道，在该翼面内沿径向延伸，用于引导冷却空气通过该翼面，该冷却通道具有第一末端和第二末端，以及在第一末端处的横截面积；和

与该冷却通道的第一末端相邻的一个孔，该孔的横截面积比该冷却通道的第一末端的横截面积小。

2.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征为，还包括从该冷却通道延伸穿过至少一个侧壁的薄膜冷却。

3.如权利要求2所述的涡轮叶片，其特征为，每一个薄膜冷却孔的横截面积比该冷却通道的第一末端的横截面积小。

4.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征为，还包括一些在该翼面内在该第一侧壁和该第二侧壁之间径向延伸的并相邻于该冷却通道的肋。

5.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征为，还包括一个在该翼面和该根部之间的平台。

6.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征为，在该冷却通道的第一末端处的横截面积比在该冷却通道的第二末端处的横截面积大。

7.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征为，还包括：

基本上与该翼面平行延伸的一个根部；和

连接在该翼面和该根部之间的一个平台。

8.如权利要求7所述的涡轮叶片，其特征为，该叶根包括一条在该根部内径向延伸的用与将冷却空气引入该翼面的根部冷却通道。

9.一种涡轮转子组件，包括：

一个圆盘，具有围绕该圆盘沿圆周方面设置的多个凹部。

多个具有一根部、一平台和一翼面的涡轮叶片；

其中，该振部的形状作成与一个凹部匹配，并且该翼面包括：

一条具有第一末端和第二末端及在该第一末端处的横截面积的径向冷却通道；和

一个与该冷却通道相邻并具有横截面积的孔，其中，该孔的横截面积比该冷却通道的第一末端的横截面积小。

10.如权利要求9所述的涡轮转子组件，其特征为，该翼面还包括：

一个第一侧壁；

一个与该第一侧壁相对的第二侧壁；和

一些在该翼面内在该第一侧壁和第二侧壁之间径向延伸的并与该冷却通道相邻的肋。

11.如权利要求10所述的涡轮转子组件，其特征为，该翼面还包括多个在该第一和第二侧壁的至少一个中并相邻于该冷却通道的薄膜冷却孔。

12.如权利要求11所述的涡轮转子组件，其特征为，该孔的横截面积比这些薄膜冷却孔中的一个的横截面积大，并且其横截面积比该冷却通道的第一末端的横截面积大。

13.如权利要求11所述的涡轮转子组件，其特征为，该翼面的冷却通道的第一末端处在与顶部区域相对的基座区域。

14.如权利要求9所述的涡轮转子组件，其特征为，该根部包括一个径向冷却通道。

15.如权利要求9所述的涡轮转子组件，其特征为，还包括多个在该冷却通道内的分离带，以增加该冷却空气的紊流。

16.一种涡轮叶片的翼面，包括：

一条径向的冷却通道；

限定进入冷却空气流进入该冷却通道的装置；和

限定来自该冷却通道的冷却空气流的装置。

17.如权利要求16所述的翼面，其特征为，限定冷却空气流进入该冷却通道的装置为一个孔。

18.如权利要求16所述的翼面，其特征为，限定来自该冷却通道的冷却空气流的装置为一薄膜冷却孔。

19.如权利要求16所述的翼面，其特征为，还包括一些在该翼面内径向延伸并靠近该冷却通道的肋。

20.如权利要求16所述的翼面，其特征在于，还包括：

一个具有一前缘和一后缘的第一侧壁；

一个与该第一侧壁相对并在该前缘和后缘处与该第一侧壁连接的第二侧壁；和

一些在该第一侧壁和第二侧壁之间并在该翼面内径向延伸以限定该冷却通道的肋。

Images