CN101482031B - 涡轮叶片叶冠 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及涡轮叶片叶冠，具体而言，公开了一种涡轮叶片(10)，其包括叶冠(20)、形成在该叶冠(20)内的一个或多个冷却腔(130)、以及限定在至少其中一个该冷却腔(130)内的至少一个离散的结构元件(202，206，208)。该离散的结构元件(202，206，208)包括在结构上将该冷却腔(130)的基底连接到该冷却腔(130)的顶板上的元件，该元件不起源于、不终止于或不连接到该冷却腔(130)的内壁或该叶冠(20)的外缘。
Description
技术领域
本发明涉及用于涡轮机的叶片，例如航空发动机、燃气涡轮机、蒸汽涡轮机等。更具体地，本发明涉及空腔叶冠和通过使用穿过空腔的循环冷却剂对涡轮叶冠的冷却。作为非限制性示例，本发明及其背景技术通过关于燃气涡轮机而进行描述。
背景技术
工业燃气涡轮机和航空发动机的涡轮叶片在极端温度环境下运行。与此环境相关的热应力和金属温度可降低涡轮叶片的有效使用寿命。在运行期间对涡轮叶片及其部件进行冷却，可延长它们的有效使用寿命。
许多涡轮叶片包括翼型件(airfoil)和连接到翼型件末端的叶冠。连接到翼型件外边缘的叶冠提供大体上垂直于翼型件表面延伸的表面区域。叶冠的表面区域有助于将涡轮排气保持在翼型件上(即不允许排气滑过翼型件叶片的末端)，使得来自涡轮排气更大百分比的能量可通过涡轮叶片转换成机械能。因而，叶冠改善了燃气涡轮发动机的性能。此外，需要由叶冠覆盖翼型件的整个外表面。然而，由于通过涡轮转速所施加的机械力，叶冠和叶冠到翼型件的连接在运行期间变得高度受压。当这些机械应力与涡轮机的极高温度环境相关的热应力以及金属温度结合时，就成为设计能在翼型件整个使用寿命期间执行预定功能的叶冠的一种挑战。
解决此问题的两种可能的方法为：1)通过降低叶冠的重量来减轻施加在叶冠上的机械应力；或2)降低叶冠所经受的金属温度。关于第一种方法，用来降低叶冠重量的一种通用方法是使外伸的叶冠“成扇形”(scallop)(即移除凹槽或一部分)。叶冠材料的减少导致运行期间施加在叶冠和翼型件之间形成的连接上的载荷减少。然而，通过成扇形减少叶冠的表面积的代价是：其降低了涡轮发动机的性能，因为具有较少表面积的叶冠具有较低的将涡轮机排气保持在涡轮机翼型件上的能力(即更多的排气滑过翼型件的顶部，该翼型件具有减少的表面积的叶冠)。关于第二种备选方法，通过降低燃气涡轮机的运行温度而降低叶冠所经受的金属温度也是不理想的解决办法。作为本领域的技术人员将会理解，涡轮机运行温度的降低导致涡轮机效率的降低。然而，在运行期间通过冷却来降低叶冠所经受的金属温度可延长部件的使用寿命。
因而，需要用于冷却涡轮叶片叶冠的改进的系统，使得与高温涡轮环境相关的金属温度降低。然后，金属温度的降低将允许部件更好地经受住与具有更大表面积的叶冠(即未成扇形的叶冠)相关的增加的机械应力。这样的系统将允许没有扇形或具有最小扇形的叶冠在涡轮机的高温环境里更好地运行成为可能。而且，如果这样的系统能冷却叶冠并同时减少叶冠的重量，则可进一步实现效率的改进。
发明内容
因而，本发明描述了一种涡轮叶片，该涡轮叶片包括叶冠、形成在该叶冠内的一个或多个冷却腔、以及限定在该至少一个冷却腔内的至少一个离散的结构元件。该离散的结构元件可包括在结构上将该冷却腔的基底连接到该冷却腔的顶板上的元件，该元件不起源于、不终止于或不连接到该冷却腔的内壁或该叶冠的外缘。该冷却腔的内壁可包括限定冷却剂室的壁、该冷却腔的外壁和内中心壁中的一个壁。该离散的结构元件可包括结构元件，除该结构元件与该冷却腔的基底和顶板形成的连接外，该结构元件被该冷却腔的中空区域所围绕。
在一些实施例中，该离散的结构元件可包括离散的分隔肋，该离散的分隔肋包括延伸通过横跨该冷却腔的距离的至少大部分的肋。在一些实施例中，横跨该冷却腔的距离的大部分包括横跨该冷却腔的距离的至少75％。
在一些实施例中，该离散的分隔肋可形成为使得该肋在该冷却腔的近似中心处开始，并向外朝该冷却腔的两个相对外壁延伸。该离散的分隔肋可具有如下长度，该长度使得在该离散的分隔肋的第一末端和该冷却腔的其中一个相对外壁之间限定第一间隙，并在该离散的分隔肋的第二末端和该冷却腔的另一个相对外壁之间限定第二间隙。该第一间隙和第二间隙可各包括横跨大约0.10英寸至0.75英寸的距离。在一些实施例中，该第一间隙和第二间隙各包括横跨至少0.10英寸的距离。该离散的结构元件包括离散的截平肋，该离散的截平肋包括延伸通过小于横跨该冷却腔的距离的大部分的肋。
当结合附图和所附权利要求查看下文优选实施例的详细描述后，本申请的这些和其它特征将变得显而易见。
附图说明
通过仔细地研究结合附图的当前本发明优选实施例的以下更详细描述，将会对本发明的这些和其它目的以及优点有更完整的理解和掌握，其中：
图1为具有叶冠的传统涡轮叶片的示意性透视图；
图2为传统叶冠的示意性平面图，其图示了叶冠的扇形边；
图3为根据本发明的一个实施例的具有冷却腔的叶冠的局部剖视图；
图4为根据本发明的一个备选实施例的具有冷却腔的叶冠的局部剖视图；
图5为根据本发明的一个备选实施例的具有冷却腔的叶冠的局部剖视图；
图6为根据本发明的一个备选实施例的具有冷却腔的叶冠的局部剖视图；
图7为根据本发明的一个备选实施例的具有冷却腔的叶冠的局部剖视图；
图8为根据本发明的一个备选实施例的具有冷却腔的叶冠的局部剖视图；以及
图9为根据本发明的一个备选实施例的具有冷却腔的叶冠的局部剖视图。
部件列表：
| 10 | 涡轮叶片 |
| 12 | 翼型件 |
| 14 | 叶根 |
| 16 | 叶柄 |
| 18 | 楔形榫 |
| 20 | 叶冠 |
| 22，24 | 支承表面 |
| 26 | 密封轨道 |
| 28 | 空气排出孔 |
| 130 | 冷却腔 |
| 132 | 压力侧冷却腔 |
| 134 | 吸入侧冷却腔 |
| 136 | 尾缘 |
| 112 | 翼型件 |
| 138 | 冷却剂室 |
| 140 | 冷却剂室孔 |
| 142，144 | 肋 |
| 147 | 出口孔 |
| 145 | 外延分隔肋 |
| 142 | 截平肋 |
| 144 | 分隔肋 |
| 146 | 内延分隔肋 |
| 152 | 内中心壁 |
| 154 | 入口孔 |
| 202 | 离散的分隔肋 |
| 206 | 离散的截平肋 |
| 208 | 离散柱 |
| 212 | 圆形出口孔 |
| 214 | 非圆形出口孔 |
| 194 | 自由端 |
具体实施方式
现在参考附图，在全部的若干视图中，不同的数字代表相似的部件，图1图示了具有冷却剂通道的典型叶片，该冷却剂通道在叶梢处有出口以流过叶冠。如其中示意性示出的那样，各涡轮叶片10包括翼型件12和叶根14。翼型件12具有前缘和后缘。通常凹入的压力面和通常凸出的吸入面在翼型件12的相对侧上的前缘和后缘之间延伸。在图示的示例中，叶根14包括叶柄16和楔形榫18，该楔形榫18与转子上的相应楔形槽接合以将涡轮叶片10紧固到转子上。
如图1和图2所示，叶冠20形成在翼型件12的末端处且从翼型件12的表面垂直地向外延伸。叶冠20具有径向向内和径向向外的相对面，且暴露于流过涡轮段的热压缩气体。各叶冠20具有支承面22、24，在支承面之上各叶冠与相邻叶片的叶冠接触从而抑制叶片振动。此外，密封轨道26典型地从叶冠20的径向向外的相对面径向向外地延伸，以防止相应叶栅周围的热气的泄漏。在某些传统的涡轮叶片结构中，多个冷却空气通道径向向外地延伸穿过叶片进入叶梢。在其它传统的涡轮叶片结构中，冷却剂通道可限定在翼型件内。如图2所示，冷却剂通道通常终止于空气排出孔28，该空气排出孔28允许在叶冠20的径向向外的表面处排出冷却空气。
图3图示了本发明的一个示例性实施例。如图所示，叶冠20可包括限定在其内的空腔(可包括室、腔、孔和/或通道)。所有限定在叶冠20内的空腔彼此可成流体连通，以致空腔形成连续的冷却腔(以下称“冷却腔130”)。(应注意本文所公开的示例性实施例通常通过使冷却剂穿过叶冠来描述关于冷却叶冠的功能。此功能仅仅是示例性的而不意味着限制性。本文所描述的所有实施例通常可用于冷却之外的原因。例如，所有的空腔和结构性支撑件配置可用来产生轻质的结构上合理的叶冠。为了简洁，本文仅就其“冷却”功能描述了与在叶冠上形成空腔相关的结构元件。然而，如本文所定义的，所有这种引用也应解释成包括为了不同于冷却功能的其它优点而使用空腔和/或其任意结构元件的可能性。因此，例如，“冷却腔”和/或任意其所描述的结构元件可用于制造轻质的结构上合理的中空叶冠的功能，而并非为了冷却叶冠的目的。在具体实施方式或权利要求或本申请的任何其它部分中，不管是否涉及冷却功能这都是正确的)。在一些实施例中，冷却腔130可包括压力侧冷却腔132和吸入侧冷却腔134，它们分别与翼型件12的压力侧和吸入侧重合。如图所示，压力侧冷却腔132和吸入侧冷却腔134可沿翼型件112的后缘或尾缘136彼此成流体连通。
按照传统方式，空气可在楔形榫18或叶柄16区域附近吸入涡轮叶片10，并通过翼型件12流向叶冠20。在所图示的示例中，冷却剂室138可在叶冠20的近似中心处(大体上将压力侧冷却腔132和吸入侧冷却腔134隔开)限定为冷却剂(通常为压缩空气)贮存器，用来经由压力侧冷却腔132和吸入侧冷却腔134将冷却剂分配到叶冠20。作为备选，冷却剂室138可限定在翼型件12的末梢中(该实施例未示出)。作为另一个备选，延伸通过翼型件12的多个冷却剂通道可直接联接到压力侧冷却腔132和吸入侧冷却腔134，使得冷却剂室138不存在(参看下面与图4的实施例相关的论述)。
冷却剂然后可从冷却剂室138或相应的冷却剂通道流向并流过冷却腔132、134。在图示的示例中，在冷却剂室138和冷却腔132、134之间限定了多个冷却剂室孔140。因而，冷却剂室138、压力侧冷却腔132以及吸入侧冷却腔134彼此均成流体连通。同样地，如本文所限定和所使用的，冷却剂室138、压力侧冷却腔132以及吸入侧冷却腔134在叶冠20内形成单一的冷却腔或连续的冷却腔(即，由于在叶冠20内限定的所有腔/室/孔通道彼此均成流体连通)。将冷却腔132、134连接到冷却剂室138的冷却剂室孔140不仅可用来简单地将冷却腔132、134连接到冷却剂室138，而且可适于测量或控制进入冷却腔132、134的流，从而在整个叶冠20内实现冷却剂的期望分布。在备选示例中，冷却剂室138可通向冷却腔132、134，如稍后的论述。
冷却腔130可具有限定在其内的多个支撑肋或肋142、144。一般而言，肋142、144为将冷却腔130的基底(或辐射状基底)连接到冷却腔130的顶板(或辐射状顶板)上的延长结构，如若干附图所示出的那样。(如本文所使用的，冷却腔130的基底在若干附图中示出为围绕肋的区域。冷却腔130的顶板为从叶冠20上移除的部分，以便可提供冷却腔130的内部的视图。)肋142、144的功能之一是有利地限定冷却腔130的形状。同样，肋142、144维持中空叶冠20的结构强度，以便涡轮叶片10的有效寿命不被负面地影响。肋142、144支撑冷却腔130的中空区域，该中空区域允许叶冠20为轻质叶冠。轻质叶冠在降低叶冠20和翼型件12在运行期间的机械应力方面是有利的。通常而言，如下文更加详细的描述那样，肋142、144部分地延伸通过穿过其位于其中的冷却腔130。在一些实施例中，多个肋142、144可延伸通过横跨冷却腔130的距离的大部分。在一些实施例中，肋142、144彼此大致平行。
如图所示，肋142、144可包括多个截平肋142。截平肋142通常为更短的肋，其在某些实施例中(也如图所示)限定出口孔147。另外，肋142、144可包括大体上比截平肋142长的多个分隔肋144。(注意某些实施例可仅包括多个分隔肋144。在此类实施例中，在叶冠20的边缘所钻的洞可限定出口孔147。)一般而言并如图所示，分隔肋144具有长度以便延伸通过横跨相应冷却腔132、134的距离的至少大部分，但是不延伸通过整个距离。在一些实施例中，分隔肋144可延伸通过横跨冷却腔130的宽度的至少75％。因而，分隔肋144不产生隔离腔。换句话说，在分隔肋144的任一侧的空腔围绕分隔肋144的至少一个末端保持流体连通。
如图3所示，分隔肋144可包括外延分隔肋145。该外延分隔肋145通常可从限定冷却剂室138的壁向外延伸至达不到冷却腔130的外壁的位置，从而在外延分隔肋145和冷却腔130的外壁之间限定间隔或间隙。在一些实施例中，冷却腔130的外壁可由其中一个截平肋142限定。在此类实施例中，外延分隔肋145可从限定冷却剂室138的壁向达不到截平肋142的位置延伸，该截平肋142在此位置限定冷却腔130的外壁，从而在外延分隔肋145和截平肋142之间限定间隙。分隔肋144还可包括内延分隔肋146，该内延分隔肋146通常从冷却腔130的外壁向内延伸至达不到限定冷却剂室138的壁的位置，从而在内延分隔肋146和限定冷却剂室138的壁之间限定间隙。在一些实施例中，由：1)外延分隔肋145和冷却腔130的外壁；2)内延分隔肋146和限定冷却剂室138的壁所限定的两个间隙均可为约0.10英寸至0.25英寸。在其它实施例中，由：1)外延分隔肋145和冷却腔130的外壁；2)内延分隔肋146和限定冷却剂室138的壁所限定的两个间隙均可为至少0.10英寸。
如图所示，各冷却腔132、134可包含多个分隔肋144。在一些实施例中(也如图所示)，各冷却腔132、134可包含4-7个分隔肋144。此外，如图所示，分隔肋144可以配置成交替排列。在交替排列中，外延分隔肋145的布置通常与内延分隔肋146的布置交替。如本文所使用的，“交替排列”应当广义地解释为包括若干不同的交替排列，并不意味着限于严格的“一对一”式交替(即这种排列需要各个外延分隔肋145仅与内延分隔肋146相邻)。如本文所使用的，“交替排列”还应解释为描述了例如如下的分隔肋序列：外延分隔肋145-外延分隔肋145-内延分隔肋146-外延分隔肋145-外延分隔肋145-内延分隔肋146。在另一种情况下，“交替排列”可例如用来描述此序列：内延分隔肋146-外延分隔肋145-外延分隔肋145-内延分隔肋146-内延分隔肋146-外延分隔肋145-外延分隔肋145。“交替排列”可用来描述其它类似的序列。交替排列策略可有效地限定通过冷却腔132、134的曲折或迷宫式冷却回路，其在通过穿过其中的冷却剂的循环来冷却叶冠20方面是有利的。如本文所使用的，迷宫式回路一般限定成用来描述阻碍流动的蜿蜒或迂回通道，如下文更详细的描述一样，其可有利地用来在运行期间在整个叶冠20上有效地分布冷却剂。
如上文所提及的，可在相邻的截平肋142之间限定出口孔147以使冷却剂流出涡轮叶片10。如图所示，冷却腔132、134主要置于叶冠20的平面内。
图4图示了本申请的备选实施例，该实施例不包括上文所述实施例的冷却剂室138。图4中的实施例通常可包括多个截平肋142和分隔肋144，肋142、144成上文关于图3所述的相似的排列。然而，图4中的实施例没有限定冷却剂室138的壁，而是具有内中心壁152。该内中心壁152通常把冷却腔130一分为二，从而在冷却腔130的两侧产生(如图3的实施例中冷却剂室138所做的)压力侧冷却腔132和吸入侧冷却腔134。由于没有冷却剂室138，延伸通过翼型件12的冷却剂通道可通过多个入口孔154直接联接到压力侧冷却腔132和吸入侧冷却腔134上。如图所示，入口孔154可沿内中心壁152的壁而定位。其它位置也是可能的，例如在冷却腔132、134的基底处。
此外，在图4的实施例中，外延分隔肋145通常从内中心壁152向外延伸至达不到冷却腔130的外壁的位置。在一些实施例中并如图所示，冷却腔130的外壁可由其中一个截平肋142限定。在此类实施例中，图4的外延分隔壁145可从内中心壁152向达不到截平肋142的位置延伸，该截平肋142在此位置处限定冷却腔130的外壁，从而在外延分隔肋145和截平肋142之间限定间隙。同样，在图4的实施例中，内延分隔肋146通常从冷却腔130的外壁向内延伸至达不到内中心壁152的位置，从而在内延分隔肋146和内中心壁152之间限定间隙。最后，类似于图3的实施例，分隔肋144可排列成使得外延分隔肋145的布置与内延分隔肋146的布置交替。
图5至图9示出了备选实施例。这些实施例示出了上文所讨论的一些特征在具有不同结构的冷却腔130中的应用，以及如下详细讨论的新元件的使用。图3和图4示出的实施例均在叶冠20的近似中心处具有分隔特征(即，在图3中该分隔特征为冷却剂室138，在图4中该分隔特征为内中心壁152)。在某些实施例中，如图5至图8，分隔特征可能不存在。
图5图示了具有多个分隔肋144的叶冠20中具有单一的或连续的冷却腔130的备选实施例。也可存在多个截平肋142。截平肋142可限定出口孔147，该出口孔147沿叶冠20的压力侧和吸入侧集中。由于没有冷却剂室138，延伸通过翼型件12的冷却剂通道可通过多个入口孔154直接联接到冷却腔130上。如图所示，入口孔154可定位成在叶冠20的大约中心线的任意一侧朝向叶冠20的中心，如果画出该中心线的话，其将概略地将叶冠20的吸入侧和叶冠20的压力侧分开，而其它位置也是可能的。
此外，在图5的实施例中，对分隔肋144进行配置，使得它们沿冷却腔130的外壁(即第一内壁)开始，并延伸通过叶冠20朝向冷却腔130的相对外壁(即第二内壁)。分隔肋144可具有长度，使得它们在达不到冷却腔130的相对外壁的位置处终止。因此在分隔肋144的末端出可在分隔肋144和冷却腔130的相对外壁之间限定有狭窄空间或间隙。在某些实施例中并如图所示，冷却腔130的外壁可由其中一个截平肋142限定。在此类实施例中，分隔肋144可朝冷却腔130的相对外壁的截平肋142延伸到达不到限定冷却腔130的外壁的截平肋142的位置，如图5所示。从而，可在分隔肋144的末端处在分隔肋144和相对截平肋142之间限定狭窄间隔或间隙。而且，如图5所示，分隔肋144可以交替排列进行配置。在此排列中，从冷却腔130的外壁之一延伸的分隔肋144的布置与从冷却腔130的相对外壁开始的分隔肋144的布置交替。也可参见上文所提供的用于“交替排列”的定义。如之前所述，通过冷却腔130的交替排列策略可有效地限定曲折或迷宫式冷却回路，其在通过穿过其中的冷却剂的循环对叶冠20的冷却中是有利的。注意在备选实施例中，交替的分隔肋144可定向成使得它们通常以垂直于如图5所示的分隔肋144的方位的方式排列。作为本领域技术人员将会理解其它排列也是可能的。
图6-8示出了若干示例性实施例，其包括叶冠冷却腔130内的离散的结构元件。如本文所使用的，离散的结构元件为在结构上将冷却腔130的基底连接到冷却腔130的顶板上的元件，其不起源于、不终止于或不连接到冷却腔130的内壁或叶冠20的外缘或外围。出于此定义的目的，冷却腔130的内壁可包括：1)限定冷却剂室138的壁；2)冷却腔130的外壁；3)内中心壁152；或者4)可限定在冷却腔130内的其它类似的壁。同样，如本文所使用以及先前所描述的那样，冷却腔130的顶板为已在图3-9中移除的元件，以便能观察到冷却腔130的内部。换句话说，离散的结构元件通常为这样的结构元件，除该结构元件与冷却腔130的基底和顶板所形成的连接外，这些结构元件被冷却腔130的中空区域所包围。
图6示出了具有多个离散的分隔肋202的单一的或连续的冷却腔130。离散的分隔肋202为离散的结构元件，因为它们将冷却腔130的基底连接到冷却腔130的顶板上，并且不起源于、不终止于或不连接到冷却腔130的内壁或叶冠20的外缘。在一些实施例中并如图所示，也可存在多个截平肋142。截平肋142可限定出口孔147，该出口孔147沿叶冠20的压力侧和吸入侧集中。由于图6的实施例没有冷却剂室138，延伸通过翼型件12的冷却剂通道可通过多个入口孔154直接联接到冷却腔130上。如图所示，入口孔154可沿叶冠20的近似中心线而定位，如果画出该中心线的话，该中心线可大约将叶冠20的吸入侧和叶冠20的压力侧分开。
此外，在图6的实施例中，离散的分隔肋202可配置成使得各分隔肋在冷却腔130的近似中心处开始，并向外朝冷却腔130的相对外壁延伸。离散的分隔肋202可延伸通过横跨冷却腔130的距离的至少大部分。在一些实施例中，离散的分隔肋202可延伸通过冷却腔130宽度的至少75％。在其它实施例中，离散的分隔肋202可定向成使得它们通常正交于图6所示的离散的分隔肋202而排列。作为本领域技术人员将理解其它排列也是可能的。离散的分隔肋202可具有长度，以便它们在一个末端在达不到冷却腔130的外壁的位置处终止，而在另一个末端在达不到冷却腔130的相对外壁的位置处终止。因而，在各个离散的分隔肋202的末端可限定两个间隙(即由离散的分隔肋202的末端和冷却腔130的外壁限定的第一间隙；由离散的分隔肋202的另一端和冷却腔130的相对外壁限定的第二间隙)。在一些实施例中，第一间隙和第二间隙中的各间隙约为0.10英寸至0.75英寸。在其它实施例中，第一间隙和第二间隙可各至少为0.10英寸。在一些实施例中并如图所示，冷却腔130的外壁由其中一个截平肋142限定。在此类实施例中，离散的分隔肋202可向冷却腔130的相对外壁延伸至正好达不到截平肋142的位置，该截平肋142在此位置限定冷却腔130的外壁，如图6所示。
图7示出了具有多个离散的分隔肋206的单一的或连续的冷却腔130。如上文所定义的，离散的分隔肋206为离散的结构元件，因为它们将冷却腔130的基底连接到冷却腔130的顶板上，并且不起源于、不终止于或不连接到冷却腔130的内壁或叶冠20的外缘。在一些实施例中(尽管未在图7中示出)，还可存在限定出口孔147的多个截平肋。如本文所定义的，限定出口孔147的截平肋142(如先前实施例所示)不看作是离散的结构元件，因为它们通常终止于叶冠20的外缘或外围。由于图7的实施例中没有冷却剂室138，延伸通过翼型件12的冷却剂通道可通过多个入口孔154直接联接到冷却腔130上。如图所示，入口孔154可沿叶冠20的近似中心线定位，要是画出该中心线的话，其可大约将叶冠20的吸入侧和叶冠20的压力侧分开。
如图7所示，可在整个冷却腔130内隔开多个离散的分隔肋206，以便在各分隔肋之间维持最小间隙。离散的截平肋206本质上可为矩形(在一些实施例中具有圆角)，如图7所示。在一些实施例中，离散的截平肋206可为约0.10英寸至0.75英寸长，0.05英寸至0.25英寸宽。在一些实施例中并如图7所示，在冷却腔130内可限定15至25个离散的截平肋206。
图8图示了具有多个离散柱208的单一的或连续的冷却腔130。如上文所定义的，离散柱208为离散的结构元件，因为它们将冷却腔130的基底连接到冷却腔130的顶板上，并且不起源于、不终止于或不连接到冷却腔130的内壁或叶冠20的外缘。由于图8所示的实施例没有冷却剂室138，延伸通过翼型件12的冷却剂通道可通过多个入口孔154直接联接到冷却腔130上。如图所示，入口孔154可沿叶冠20的近似中心线定位，要是画出该中心线的话，其可大约将叶冠20的吸入侧和叶冠20的压力侧分开。
如图8所图示，可在整个冷却腔130内隔开多个离散柱208，以便在各离散柱之间维持最小间隙。如图所示，离散柱208可具有圆形截面。在此类实施例中，圆形截面的直径可为大约0.05英寸至0.25英寸。在其它实施例中，离散柱208可具有正方形截面。在此类实施例中，正方形截面的各边可为大约0.05英寸至0.25英寸。在一些实施例中并如图8所示，在冷却腔130内可限定5至50个离散柱208。
图9示出了示例性实施例，其示范了在叶冠冷却腔130上圆形出口孔212和非圆形出口孔214的使用。如先前所描述的，在相邻截平肋142之间或穿过冷却腔130的外壁，可限定多个出口孔212、214，以便加压的冷却剂逸出冷却腔130。如图9的示例性实施例所示，可限定非圆形出口孔214。这些非圆形出口孔214可为矩形形状(某些实施例可具有圆角)，如图所示。虽然未示出，但非圆形出口孔214也可为椭圆形或卵圆形形状。非圆形出口孔214相对与圆形出口孔可提供传热方面的好处。如图9所示，也可限定一个或多个圆形出口孔212。可提供附加的圆形出口孔212和非圆形出口孔214。作为本领域技术人员将会理解，圆形出口孔212和非圆形出口孔214的不同布置也是可能的。
注意图3至图9所描述的实施例均提供了具有单一的或连续的冷却腔的叶冠的示例。然而，本文所讨论的某些特征并不限于用于单一的或连续的冷却腔(即，可成功地用在具有多个隔开的冷却腔的叶冠上，这些冷却腔彼此不成流体连通)。这些特征包括：1)部分地延伸通过冷却腔的肋，以便它们在肋的末端和相对结构之间产生通道；2)部分地延伸通过冷却腔的肋的交替排列；3)离散的结构元件；以及4)使用非圆形出口孔和圆形出口孔。有关单一的或连续的冷却腔的这些特征的描述仅是示例性的，并不意味着限制性。
在使用中，冷却剂(通常为压缩空气)可分布到涡轮叶片10。冷却剂可通过冷却剂通道到达冷却剂室138。然后冷却剂通过冷却剂室孔140被输送到冷却腔130。(注意：在图4至图8所描述的实施例中，通过入口孔154直接将冷却剂输送到冷却腔130)。一旦在冷却腔130中，冷却剂按需要围绕肋142、144流向出口孔147，然后通过出口孔147离开叶冠20，该出口孔147通常沿冷却腔130的外壁定位。通过冷却腔130的冷却剂流对流地冷却叶冠20。
作为本领域技术人员将会理解，叶冠20边缘处存在的压力条件在涡轮机运行期间变化很大。叶冠20的前缘(在图3和图4中示出为170)处的外部压力高，叶冠20的后缘(在图3和图4中示出为180)处的外部压力低，而在前缘和后缘之间的叶冠20的边缘处(在图3和图4中示出为190)的外部压力适中。叶冠20的冷却腔130具有比外部压力更高的压力，然而在没有干涉的情况下，多数冷却剂会从外部压力最低的叶冠20的后缘180附近流出。这种趋势可导致不足量的冷却剂流出叶冠20的前缘170，这会在那些区域引起过高的温度，并可负面地影响涡轮叶片10的使用寿命。因而，希望使冷却剂在流出涡轮叶片10时优选地分布在整个叶冠20上。
如上述实施例中所描述的，肋142、144的排列通常产生曲折的或迷宫式冷却回路，进入叶冠20的冷却剂在流出之前必须通过该回路使。例如，在前缘170附近进入叶冠20的冷却剂必须通过迷宫式冷却回路以在较低压力的后缘180处流出。通过这种方式，曲折路径或迷宫式冷却回路产生阻碍，从而阻碍不均衡量的冷却剂在低压后缘180处流出。结果是，冷却剂沿叶冠20的所有不同的压力区域流出叶冠20，这就在运行期间在整个叶冠20上产生优选的冷却剂分布。无需在叶冠20内必然需要多个独立的或断开的(即，冷却腔彼此之间不成流体连通)冷却腔，就可获得这种有益的结果。作为本领域技术人员将会理解，具有中空冷却腔的的涡轮叶片通常通过熔模铸造工艺制造。具有单一的或连续的冷却腔而不是多个断开的腔，考虑到了在熔模铸造工艺中实现的某些优点。
分隔肋144的交替排列的进一步的好处在于：各分隔肋144的自由端194由其各侧的分隔肋144保护，增加了叶冠20的结构整体性。分隔肋144的自由端194指终止在冷却腔130内的敞开区域处的末端(参见图3、图4和图5中所标记的自由端194)。换句话说，自由端194为与起源于连续的冷却腔130的内壁或外壁(连续冷却腔130的内壁或外壁可包括，例如：1)冷却腔130的外壁；2)冷却剂室138的壁；或者3)内中心壁152)的末端相对的分隔肋144的末端。作为本领域技术人员将会理解，在连续冷却腔130内的敞开区域内终止分隔肋144产生了具有增加的应力的区域。然而，导致该应力的载荷可被相邻的分隔肋144处理，由于分隔肋144的交替排列，相邻的分隔肋144可能不会终止于冷却腔内的相同区域。这用来降低否则将在其中一个分隔肋144的末端处形成的应力局部集中。
尽管已经结合当前认为是最实用和优选的实施例对本发明进行了描述，但应理解的是，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，本发明旨在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的不同修改和等效装置。例如，尽管尤其参考了叶冠的冷却，但本文所公开的技术可用在不位于叶片的末端处的叶冠上。在这点上，某些叶片在翼型件的中间长度附近具有将其连接到邻近叶片的叶冠，并且可将本文上文所描述的冷却剂通道结合到其中。
Claims (16)
1.一种涡轮叶片(10)，包括：
叶冠(20)；
形成在所述叶冠(20)内的一个或多个冷却腔(130)；以及
限定在至少其中一个所述冷却腔(130)内的至少一个离散的结构元件(202，206，208)；
其中所述离散的结构元件包括在结构上将所述冷却腔的基底连接到所述冷却腔的顶板上的元件，该元件不起源于、不终止于或不连接到所述冷却腔的内壁或所述叶冠的外缘；
其中所述离散的结构元件包括这样的结构元件，即，除所述结构元件与所述冷却腔的基底和顶板形成的连接外，所述结构元件被所述冷却腔的中空区域所围绕；
其中所述离散的结构元件包括离散的分隔肋，所述离散的分隔肋包括延伸通过横跨所述冷却腔的距离的至少大部分的肋；
其中所述离散的分隔肋形成为使得该分隔肋在所述冷却腔的近似中心处开始，并向外朝所述冷却腔的两个相对外壁延伸；以及
所述离散的分隔肋具有如下长度，该长度使得在所述离散的分隔肋的第一末端和所述冷却腔的其中一个相对外壁之间限定第一间隙，并在所述离散的分隔肋的第二末端和所述冷却腔的另一个相对外壁之间限定第二间隙。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶片(10)，其特征在于，所述冷却腔(130)的内壁包括限定冷却剂室(138)的壁、所述冷却腔(130)的所述外壁和内中心壁(152)中的一个壁。
3.根据权利要求1所述的涡轮叶片(10)，其特征在于，横跨所述冷却腔的距离的大部分包括横跨所述冷却腔(130)的距离的至少75％。
4.根据权利要求1所述的涡轮叶片(10)，其特征在于，所述第一间隙和第二间隙各包括横跨0.10英寸至0.75英寸的距离。
5.根据权利要求1所述的涡轮叶片(10)，其特征在于，所述第一间隙和第二间隙各包括横跨至少0.10英寸的距离。
6.根据权利要求1所述的涡轮叶片(10)，其特征在于，所述离散的结构元件(202，206，208)包括离散的截平肋(206)，所述离散的截平肋(206)包括延伸通过小于横跨所述冷却腔(130)的距离的75％的肋。
7.根据权利要求6所述的涡轮叶片，其特征在于，所述离散的截平肋是矩形的形状。
8.根据权利要求7所述的涡轮叶片，其特征在于，所述离散的截平肋为0.10到0.75英寸长以及0.05到0.25英寸宽。
9.根据权利要求7所述的涡轮叶片，其特征在于，限定在所述冷却腔中的离散的截平肋的数量在15和25之间。
10.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述离散的结构元件包括离散柱，所述离散柱为将所述冷却腔的基底连接到所述冷却腔的顶板上的柱。
11.根据权利要求10所述的涡轮叶片，其特征在于，所述离散柱具有横截面正方形形状。
12.根据权利要求11所述的涡轮叶片，其特征在于，所述正方形形状的一边的长度在0.05和0.25英寸之间。
13.根据权利要求10所述的涡轮叶片，其特征在于，所述离散柱具有横截面圆形形状。
14.根据权利要求13所述的涡轮叶片，其特征在于，所述圆形的形状的直径处于0.05和0.25英寸之间。
15.根据权利要求2所述的涡轮叶片，其特征在于，全部所述一个或多个冷却腔彼此成流体连通。
16.根据权利要求2所述的涡轮叶片，其特征在于，所述一个或多个冷却腔包括至少两个冷却腔；且
其中，所述两个或更多冷却腔彼此不成流体连通。
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