CN101063411A - 叶片平台的冷却 - Google Patents

Abstract

一种叶片组件，有一平台、一覆环与在该平台的外表面和该覆环的内表面之间延伸的至少第一和第二翼面。每个翼面有一压力侧和一负压侧。第一翼面的压力侧面对第二翼面的负压侧。该组件包括一个冷却通道系统。该系统包括覆环中的至少一个入口。至少一个第一输气通道从该覆环通过第一翼面延伸到该平台。至少一个第二输气通道从该覆环通过第二翼面延伸到该平台。一个第一平台的冷却压力腔通向第一翼面的压力侧。一个第二平台的冷却压力腔通向第一翼面的负压侧。

Description

叶片平台的冷却

本发明是根据与美国空军签订的F33657-99-D-2051-0014号合同在美国政府的支持下进行的。美国政府对本发明拥有一定权利。

技术领域

本发明涉及高温部件的冷却。尤其涉及燃气涡轮发动机部件的薄膜式冷却。

背景技术

在航天工业中，存在一种有关冷却部件如燃气涡轮发动机部件的成熟发展的技术。示范的部件为燃气涡轮发动机叶片和叶片。示范的叶片和叶片的翼面受从翼面表面中的冷却孔排出的通过翼面引导的空气流的冷却。同时，沿叶片的覆环或者叶片或叶片的平台也可以有冷却孔。冷却机制可以包括当空气流通过该部件时的直接冷却和空气流已从该部件排出之后但沿下游紧靠该部件的外表面通过的薄膜式冷却两种。

作为例子，在美国专利5413458和5344283与美国申请书出版物20050135923中可以找到冷却的叶片。示范的冷却的叶片通过熔模铸造工艺形成。在一个或多个型芯(如难熔金属型芯和/或陶瓷型芯)上模制一种牺牲材料(如蜡)而形成一模型。该模型被包以壳体。该壳体被脱蜡。在该壳体中铸造合金(如镍基或钴基超合金)。该壳体和型芯可以被破坏性地取出(例如分别通过机械手段和化学手段)。该铸件可以抛光加工(包括表面加工和钻孔/钻通道)。该铸件可以涂敷一层抗热和/或抗腐蚀的涂层。

发明概要

因此，本发明一方面涉及一种有一平台、一覆环与延伸在该平台的外表面和该型芯板的内表面之间的至少第一和第二翼面的叶片组件。每个翼面有一压力侧和一负压侧。第一翼面的压力侧面对第二翼面的负压侧。该组件包括一个冷却通道系统。该系统包括该覆环中的至少一个入口。至少一个第一输气通道从该覆环通过第一翼面延伸到该平台。至少一个第二输气通道从该覆环通过第二翼面延伸到该平台。一个第一平台的冷却压力腔通到第一翼面的压力侧。一个第二平台的冷却压力腔通到第一翼面的负压侧。

在各种实施例中，该组件可以包括一个基本上形成该型芯板、翼面和大部分平台的铸件。该组件可以包括一个或多个盖住第一和第二平台冷却压力腔的盖。

在附图和下面的描述中列举本发明的一个或多个实施例的细节。从附图的描述和权利要求书可以清楚本发明的其它特点、目的和优点。

附图简述

图1是一种燃气涡轮发动机的示意图。

图2是图1的发动机的叶片环的视图。

图3是图2的环的叶片组件的视图。

图4是图3的组件的平台的第一视图。

图5是图3的组件的平台的第二视图。

图6是图3的组件的下侧视图。

图7是图6的组件沿线7-7截取的剖视图。

图8是盖取走后的图3组件的下侧视图。

图9是图3组件沿线9-9截取的剖视图。

图10是图3组件沿线10-10截取的剖视图。

各图中相同的标号和符号表示相同的部件。

详细描述

图1表示一台具有纵向中心轴线500的燃气涡轮发动机20，发动机20从上游入口22延伸到下游出口24。从上游到下游，发动机沿一核心流路可以有多个区段。从上游到下游，这些区段可以包括一低速低压压缩机(LPC)30、一高速高压压缩机(HPC)32、一燃烧器34、一高速高压涡轮机(HPT)36、一低速低压涡轮机(LPT)38、一增强器40和一排气导管/喷嘴42。每个压缩机和涡轮机区段可以包括与多个叶片级间隔设置的多个叶片级。LPC和LPT的叶片安装在一个围绕轴线500作转动的低速管轴上。HPC和HPT的叶片安装在一用于此种转动的高速管轴上。

如下面将更详细地讨论的，一个或多个叶片级可以形成有一个组件环。例如，图1中示意地示出HPT 36的第二叶片级50。图2进一步表示示范的叶片级50的细部。该环包括一个内侧平台52和一个外侧覆环54。在平台52和覆环54之间跨接一个圆周形翼面阵列(下面讨论)。如下面更详细地讨论的，该环可以分割为多个单独形成的组件，它们用结构环56联锁在平台处，并用发动机壳联锁在覆环处。

图3表示一个示范的双翼面组件60。每个示范的组件包括一第一翼面62和一第二翼面64。每个翼面从平台区段68上的相关的内侧端部66延伸到覆环区段72上的外侧端部70。该示范的平台区段有一沿该核心流路的内侧末端的外侧表面74。该型芯板区段有一沿该核心流路的外侧末端的内侧表面76。

平台区段的下侧80可以包括用于将每个平台区段安装到其相邻区段上的细部(例如用螺栓拧到环56上)。该平台区段有一前面/上游端部82、一后面/下游端部84与第一和第二圆周端部或啮合表面86和88。同样，覆环区段72有一上游端部92、一下游端部94与第一和第二圆周端部96和98。每个平台的圆周端部86和88可以包括一个槽或通道100(图4)和102(图5)，用于装入一密封件(未示出)。一个给出的此种密封件跨接每对相邻组件的相邻的槽100和102之间的间隙。覆环的圆周端部96和98还可以包括装入密封件的细部106和108。

组件60有冷却通道。示范的通道网络可以包括覆环区段72中的一个或多个入口孔110和112。孔110和112通过翼面62和64中的一个或多个翼展方向的通道区段而直接冷却空气(如泄放空气)。该空气流的一部分可以沿翼面流出冷却孔(未示出)。但是，空气流的一部分进入平台区段68而冷却平台。这些空气可以通过一个或多个出口孔而流出平台。例如，图4和5示出沿平台外侧表面74的出口孔120。图4和5还分别示出沿平台圆周端部86和88的出口孔122和124。

图6是沿径向向外看的平台图。图6还示出沿翼展方向的通道的端部部分130、132、134、136。当组件的主体是原先铸造的时，这些通道向平台下侧140开口，但随后封闭(例如通过塞焊)。图6还表示固定(例如通过焊接)在组件的铸件上的盖160、162、164。示范的盖用镍基超合金板(例如铬铁镍合金625[UNS NO6625])冲制或激光切割而成。可以选择盖的材料与组件体合金(如单独的晶态镍基超合金铸件)具有焊接和热的兼容性。示范的盖160、162、164盖住通向压力腔170、172、174(图7)的孔。示范的第一压力腔170紧接第一翼面的压力侧。示范的第二压力腔172紧接第二翼面的负压侧并用分隔壁176与第一压力腔隔开。示范的第三压力腔174紧接第二翼面的压力侧。为了参考，这些相对位置是以当沿垂直于翼面翼展的叠置方向观看时为特征的。但是，这些压力腔设置成沿径向在相邻的翼面表面以内。

在示范的组件内，每个压力腔170和172给出口孔120的相关分组输气。例如，在一个初始的铸造工艺中，这些压力腔可以用陶瓷型芯铸造，它们可以与形成翼展方向的通道的陶瓷输气型芯隔开地形成。在脱型芯过程后，可以对从相应的压力腔170和172来的孔120及其相关的出口通道178(通过其中心线示意地示于图6中)进行钻孔(例如通过激光钻孔或放电机加工[EDM])。在示范的实施例中，压力腔170是通过第一翼面的翼展方向的通道经一个或多个输气通道180而输气的。通道180可以铸造在位置中，或者可以钻孔(例如在作为出口通道178的同一步骤中)。在示范的组件中，压力腔172从第二翼面的沿翼展方向的通道经压力腔174间接地输气。在该特定的例子中，输气通道182可以从压力腔174钻孔到第二翼面的翼展方向的通道。

图8还表示与多个传热轴线186一起铸造的压力腔170和172。一个连接通道188(图9)连接压力腔172和174。一个示范的连接通道188可以铸造在位置中。在一种示范的制造方法中，使用一个单独的陶瓷型芯来铸造压力腔172、174和连接通道188。在该熔模铸造工艺中，陶瓷型芯和任何附加的型芯可以用蜡在外面模制而形成一模型。在去壳时，陶瓷型芯的原先暴露的部分可以成为与外壳成整体而从铸造该平台内侧(铸件的)表面的外壳的内表面凸出。示范的连接通道188设置成成为通到平台内侧(铸件的)表面的子表面，由此压力腔170、172、174暴露于该表面，并因而必须用盖160、162、164关闭。这种暴露便于化学脱型芯。这些盖可被焊接就位(例如首先通过用以定位的定位焊接，而后通过用以密封和结构整体性的全周边焊接)。为便于此种焊接，盖160和162的形状做成在间隙189的两侧上有两点式接触。这使得该间隙能够与肋板176的中心对准而精确地安置这些盖并能够焊接。

在一类似的方式中，压力腔170可以经过连接通道192而向压力腔190输气。示范的压力腔190沿第一翼面的负压侧靠近其前缘地设置。压力腔170、190和连接通道192也可以通过一个单独的陶瓷型芯而铸造。这可以是铸造压力腔172和174及其连接通道188的同一陶瓷型芯，或者可以分开地形成。

使用连接通道188便于从压力腔174而不是从压力腔172的输气通道钻孔。前者更易于钻孔。示范的压力腔190经出口通道194向出口孔122输气(用其中心线示意地表示)。示范的压力腔174经出口通道196向出口孔124输气。出口通道194和196可以作为出口通道178而同时被钻孔。

示范组件的通道网络可以具有一个或多个有利的性能。一个优点是冷却空气被引入平台的圆周端部86和88。这可以用一个基本状况来对照，其中冷却空气被引入到这些端部中的只有一个。在这样一种基本状况中，从该端部来的冷却空气还将用于冷却相邻组件的相邻的其它平台的端部。但是，冷却两个端部可以延长部件寿命。

另一可能的优点涉及给压力腔170和172分开输气。给压力腔170和172分开输气能减小通过这两个翼面的空气流之间的不良的相互作用的可能性。这可以与基本状况对照，后一状况中用从两个翼面来的空气给两翼面之间的单一的大压力腔输气。此种基本混合可能出现工程问题。例如，可能希望避免压力腔中从翼面之一流动的空气来的反压力干扰流过其它翼面的冷却空气。还有，这些压力腔与表面74之间的平台面积可以受到不同的加热考虑。这种分开输气可以允许更精确地修整通过每组通道178的空气流性能。

已经描述了本发明的一个或多个实施例。然而，可以理解，能够进行各种修改而并不偏离本发明的范围和精神。例如，这些原理可以应用于重新制造现有的发动机或重新设计现有的基本发动机构形。在这样一种重新制造或重新设计的状况中，基本构形的细节可以影响特定的实施方案的细节。因此，其它实施例处在下述权利要求书的范围内。

Claims (19)

1.一种叶片组件，包括：

一个平台；

一个覆环；

在该平台的外表面和该覆环的内表面之间延伸的至少第一和第二翼面，每个翼面有一压力侧和一负压侧，该第一翼面的压力侧面对该第二翼面的负压侧；以及

一个冷却通道系统；

其中，该冷却通道系统包括：

在该覆环中的至少一个入口；

从该覆环经该第一翼面到该平台的至少一条第一输气通道；

从该覆环经该第二翼面到该平台的至少一条第二输气通道；

一个通到该第一翼面的压力侧的第一平台的冷却压力腔；以及

一个通到该第一翼面的负压侧的第二平台的冷却压力腔。

2.权利要求1的组件，其特征在于，该冷却通道系统包括：

延伸到该平台的第一和第二圆周端部上的第一和第二多个出口孔。

3.权利要求1的组件，其特征在于：

该第一平台的冷却压力腔被联接到该至少一个第一输气通道上；以及

该第二平台的冷却压力腔经该第一平台的冷却压力腔和一连接通道而被联接到该至少一个第一输气通道上。

4.权利要求1的组件，其特征在于：

一个第三平台的冷却压力腔被配置于该第二翼面的负压侧，并被联接到该至少一个第二输气通道上。

5.一种用于制造权利要求1的组件的方法，包括：

借助一种熔模铸造工艺制造一个铸件，该铸件包括该平台、覆环、第一和第二翼面、第一和第二输气通道及第一和第二平台的冷却压力腔的前体；以及

在该第二平台的冷却压力腔上固定至少一个盖。

6.权利要求5的方法，其特征在于：

该熔模铸造方法利用第一和第二输气型芯来铸造该第一和第二输气通道，并利用一个单独的型芯来铸造该第一和第二平台的冷却压力腔；以及

在保留铸态的铸造中，该第一平台的冷却压力腔的前体沿该平台前体的内侧表面开口，但该第二平台的冷却压力腔的前体是所述内侧表面的子表面。

7.一种叶片组件，包括：

一个平台；

一个覆环；

至少第一和第二翼面，在该平台的外表面和该覆环的内表面之间延伸，每个翼面有一压力侧和一负压侧，该第一翼面的压力侧面对该第二翼面的负压侧；以及

一个冷却通道系统，其中该冷却通道系统包括：

在该覆环中的至少一个入口；

从该覆环经该第一翼面到该平台的至少一个第一输气通道；

从该覆环经该第二翼面到该平台的至少一个第二输气通道；

通到该第一翼面的负压侧的一个第一平台的冷却压力腔；以及

通到该第二翼面的压力侧的一个第二平台的冷却压力腔。

8.权利要求7的组件，其特征在于：

多个第一出口通道从该第一平台的冷却压力腔延伸到该平台的第一圆周端部；以及

多个第二出口通道从该第二平台的冷却压力腔延伸到该平台的第二圆周端部。

9.权利要求7的组件，其特征在于，该冷却通道系统还包括：

一个在该第一和第二翼面之间的第三平台的冷却压力腔。

10.权利要求7的组件，其特征在于，该冷却通道系统还包括：

在该第一和第二翼面之间的第三和第四平台的冷却压力腔。

11.权利要求10的组件，其特征在于：

在该平台中设置一个第一连接通道，以便从该第三平台的冷却压力腔向该第一平台的冷却压力腔输气；以及

在该平台中设置一个第二连接通道，以便从该第二平台的冷却压力腔向第四平台的冷却压力腔输气。

12.权利要求11的组件，其特征在于：

至少一个第一输气孔从该至少一个第一输气通道延伸到该第三平台的冷却压力腔；以及

至少一个第二输气孔从该至少一个第二输气通道延伸到该第二平台的冷却压力腔。

13.权利要求11的组件，其特征在于，包括：

一个铸件，基本上形成这些翼面及该平台和覆环的至少主体部分；以及

三个被焊接在该平台的主体部分上的盖板，以便分别盖住该第二、第三、第四平台的冷却压力腔，而该第一冷却压力腔在该铸件的内部。

14.一种用于制造权利要求7的组件的方法，包括如下步骤：

用熔模铸造工艺制造一个铸件，该铸件包括该平台、覆环、第一和第二翼面、第一和第二输气通道以及第一和第二平台的冷却压力腔的前体；以及

将至少一个盖固定在该第一和第二平台的冷却压力腔上。

15.权利要求14的方法，其特征在于：

该熔模铸造法利用第一和第二输气型芯来铸造该第一和第二输气通道，并利用至少一个单独的型芯来铸造该第一和第二平台的冷却压力腔；以及

在保留铸态的该铸件中，该第一和第二平台的冷却压力腔前体是沿该平台前体的内侧表面开口的。

16.一种叶片组件，包括：

一个平台；

一个覆环；

至少第一和第二翼面，在该平台的外表面和该覆环的内表面之间延伸，每个翼面有一压力侧和一负压侧，该第一翼面的压力侧面对该第二翼面的负压侧；以及

一个冷却通道系统，其中，该冷却通道系统包括：

在该覆环中的至少一个入口；

至少一个第一输气通道，从该覆环经该第一翼面延伸到该平台；

至少一个第二输气通道，从该覆环经该第二翼面延伸到该平台；

一个通到该第二翼面的压力侧的第一平台的冷却压力腔；

一个通到该第二翼面的负压侧的第二平台的冷却压力腔；以及

一条将该第一平台的冷却压力腔连接到该第二平台的冷却压力腔的连接通道。

17.权利要求6的组件，其特征在于：

多个第一出口通道从该第一平台的冷却压力腔延伸到该平台的一个相邻的圆周端部；以及

该连接通道围绕该翼面的后缘延伸。

18.一种用于制造权利要求16的组件的方法，包括：

借助熔模铸造工艺制造一铸造件，该铸造件包括该平台、覆环、第一和第二翼面、第一和第二输气通道以及第一和第二平台的冷却压力腔的前体；以及

将至少一个盖固定在该第一和第二平台的冷却压力腔上。

19.权利要求18的方法，其特征在于：

该熔模铸造法利用第一和第二输气型芯来铸造该第一和第二输气通道，并利用至少一个单独的型芯来铸造该第一和第二平台的冷却压力腔；以及

在保留铸态的该铸造件中，该第一和第二平台的冷却压力腔的前体是沿该平台前体的内侧表面开口的，而该连接通道为子表面。

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