CN101737103A - 关于护罩冷却的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及关于护罩冷却的方法及设备。一种涡轮冷却构件(100)包括：前缘(110)；后缘(114)；连接到前缘和后缘上的第一侧板(116)；连接到前缘和后缘上的第二侧板(116)；连接到后缘(114)和前缘(110)上的弓形基部(108)，其部分地限定操作地用来收容压缩空气(105)的腔室(118)，以及弓形内表面(132)；位于基部(108)中沿第一侧部(106)从前部(110)延伸至后部(114)的第一侧冷却空气通路(204)；以及位于基部(108)的前部中与侧冷却空气通路(204)和腔室(118)连通的前冷却空气通路(202)，其操作地用以收容来自于腔室(118)的压缩空气(105)。

Description

关于护罩冷却的方法及设备
技术领域
本文所公开的主题涉及涡轮发动机，并且更具体地涉及关于涡轮发动机中的护罩冷却的方法及设备。
背景技术
涡轮发动机的高压涡轮段包括从安装在壳体内的盘组件沿径向延伸的转子叶片。涡轮发动机包括安装在包绕转子叶片的壳体圆周上的护罩组件。转子叶片和护罩组件经受影响转子叶片旋转的高温气流。转子叶片包括位于转子叶片远端处的叶片尖端。在叶片尖端与护罩组件之间限定了小的间隙。小的间隙对于发动机效率而言是合乎需要的，因为穿过该间隙的气流不会有效地影响转子叶片的旋转。
实际上，护罩组件通常包括安装到壳体上的多个区段，用以形成周向的护罩组件。护罩组件经受高温，并且通常利用流动的压缩空气来冷却这些区段。压缩空气接触护罩区段的表面，并且可穿过护罩区段的内部通路而进入壳体内的气体流路。一旦压缩空气已使护罩区段冷却，则进入气体流路的压缩空气就可通过改变流向来不合乎需要地影响气体流路。因此，所期望的是减少用于冷却护罩区段的压缩空气量，以及采用减轻对气体流路影响的方式来将压缩空气排入气体流路中。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种涡轮冷却构件包括：周向前缘；与前缘间隔开的周向后缘；连接到前缘和后缘上的第一侧板(panel)；连接到前缘和后缘上、与第一侧板间隔开并相对的第二侧板；连接到后缘和前缘上的弓形基部，其具有前部、中段部分、后部、相对的第一侧部和第二侧部、部分地限定操作地用来收容压缩空气的腔室的外表面，以及与涡轮发动机的气体流路相接触的在从涡轮构件的前缘至后缘的方向上伸展(moving)的弓形内表面；第一侧冷却空气通路，其位于基部中沿第一侧部从前部延伸至后部；以及位于基部的前部与侧冷却空气通路和腔室连通的前冷却空气通路，其操作地用来收容来自于腔室的压缩空气。
根据本发明的另一个方面，一种用于制造涡轮冷却构件的方法，包括：在护罩区段的基部中形成第一侧冷却空气通路，该护罩区段具有周向前缘、与前缘间隔开的周向后缘，其中，第一侧冷却空气通路延伸穿过周向前缘和周向后缘；以及形成与第一侧冷却空气通路连通的前冷却空气通路，其延伸穿过连接到前缘和后缘上的护罩区段的第一侧板以及连接到前缘和后缘上的与第一侧板间隔开且相对的第二侧板。
根据本发明的再一个方面，一种用于在构件中形成冷却空气通路的方法，包括：利用探头在构件中形成具有第一内径的空气通路的第一部分；利用探头在构件中形成具有第一内径的空气通路的第二部分，该第二部分与空气通路的第一部分连通；以及改变探头的行进速率，以便探头将空气通路的第二部分的内径增大到第二内径。
通过结合附图的如下描述，这些及其它优点和特征将变得更为明显。
附图说明
在权利要求中具体地指出且明确地要求了认作是本发明的主题。通过结合附图的如下详细说明，本发明的前述及其它特征和优点将变得显而易见，在附图中：
图1为护罩组件形式的涡轮冷却子组件的局部剖面侧视图。
图2为图1中的护罩区段的示例性实施例的局部剖面顶视图。
图3为图1中的护罩区段的备选示例性实施例的局部剖面顶视图。
图4为图1中的护罩区段的另一备选示例性实施例的局部剖面顶视图。
图5为用于制造图1中的护罩区段的示例性方法的局部剖面顶视图。
图6为沿图5中的线A-A的局部剖面前视图。
图7为通路的示例性成形(profiled)内表面的一部分的剖面顶视图。
图8为形成图7中的通路的成形内表面的示例性方法的一部分的剖面顶视图。
本详细说明通过举例的方式，参照附图阐述了本发明的实施例以及优点和特征。
零件清单
100护罩组件
101箭头
102护罩区段
103压缩空气
105冲击空气
104挂钩段
106发动机外壳
108基部
110前横档部(rail)
112涡轮叶片
114后横档部
116侧横档部
118护罩区段腔室
120上充气腔室(plenum cavity)
122孔
124外表面
126通路
128排出孔
130进入孔
132内表面
202前通路
204侧通路
206压力孔
208后通路
210排气孔
501区域
601第一通路
603第二通路
701通路
705凸脊
801探头
803区域
805箭头
807材料
具体实施方式
图1示出了呈护罩组件形式的涡轮冷却子组件的局部剖面侧视图，大体上以100标示的护罩组件设置为与涡轮叶片112成包绕关系。涡轮叶片112连接到涡轮发动机的高压涡轮段的转子(未示出)上。气体流路示为沿箭头101的方向。护罩冷却组件100包括具有环形阵列的弓形护罩区段的护罩。护罩区段大体上以102标示。护罩区段102由环形阵列的弓形挂钩段保持在适当位置上。挂钩段大体上以104标示。挂钩段104由大体上以106标示的发动机外壳支承。
护罩区段102包括基部108、从基部108沿径向且向前延伸的限定护罩区段102的周向前缘的前横档部110、限定护罩区段102的周向后缘的后横档部114，以及从基部108沿径向向外延伸的成角度地间隔开的侧横档部116。基部108部分地限定护罩区段的腔室118。
在工作中，例如来自于涡轮发动机的压缩机段的压缩空气103进入由挂钩段104所限定的上充气腔室120，并且经由挂钩段104中的孔122进入护罩区段腔室118。护罩区段腔室118中的压缩空气103冲击基部108的径向外表面124。冲击空气105冷却基部108，并进入通路126的进入孔130，该通路126从基部108的外表面124延伸入基部108，以提供对护罩区段102的对流冷却。冲击空气105经由排出孔128流出通路126，该排出孔128定位在护罩区段102的后横档部114上。一旦冲击空气105流出排出孔128，则冲击空气105便进入由箭头101所示的气体流路中。
图2示出了护罩区段102的示例性实施例的局部剖面顶视图。护罩区段102包括经由进入孔130与护罩区段腔室118连通的前通路202。前通路202与包括排出孔128的侧通路204连通。在工作中，冲击空气105(图1)进入进入孔130，并且流过前通路202和侧通路204，以及经由排出孔128流出而进入气体流路。所示的实施例包括补充压力孔206，其可包括为用以向侧通路204提供附加的冲击空气105。补充压力孔206补偿在远离进入孔130的侧通路204区域中的冲击空气105压力的损失。
前通路202和侧通路204的安置加强了护罩区段102的前横档部110区域和侧横档部116区域中的对流冷却。实验表明，护罩区段102的前横档部110区域和侧横档部116区域与基部108的低于护罩区段腔室118且由冲击空气105冷却的区域相比变得更热，该冲击空气105聚集并冷却护罩区段腔室118。
护罩区段的前述实施例包括沿侧横档部116、前横档部110以及后横档部114设置的排气孔，这些排气孔接收来自于护罩区段腔室118的冲击空气105，并且沿护罩区段腔室118的外表面将冲击空气105排放到气体流路中。图2所示的实施例使用前通路202和侧通路204来冷却前横档部110区域和侧横档部116区域，并且可不包括此类排气孔。省略排气孔的一个优点在于护罩区段102可包括沿径向内表面132(图1)的热涂层。在生产中，可在制造(铸造或在护罩区段102中钻取)排气孔之后涂布涂层，或在制造排气孔之前涂布涂层。如果在制造排气孔之后涂布涂层，则要遮盖排气孔，以防止涂层堵塞排气孔。如果在制造排气孔之前涂布涂层，则要在制造之前将排气孔区域的涂层除去。这些生产方法的任何一种都会增加护罩区段102的生产成本。
通过安置前通路202和侧通路204来加强在前横档部110和侧横档部116中的冷却可提供从护罩区段102设计中省略排气孔的机会，从而降低生产成本。其它好处可包括减少流出护罩区段102的冲击空气105的总量。流出的冲击空气105通常是不期望的，因为流出的冲击空气105会进入涡轮发动机的高压段，并且可对气体流路产生负面影响，从而降低发动机的效率。冲击空气105通常从涡轮发动机的压缩段中所压缩的空气(排放空气)中排出。用于冷却的排放空气并非用来燃烧；因而减少用于冷却的排放空气提高了涡轮发动机的效率。
图2中所示的实施例不限于包括两个进入孔103和排出孔128，而是可包括任何数目的进入孔130和排出孔128，包括单个进入孔130或多个进入孔130，以及单个排出孔128或多个排出孔128。
图3示出了护罩区段102的备选示例性实施例。图3中的护罩区段102类似于图2中的护罩区段102，并且包括与侧通路204连通的后通路208。后通路208引出冲击空气105来用于对护罩区段102的后横档部114区域进行对流冷却。
图4示出了护罩区段102的另一备选示例性实施例。图4中的护罩区段102类似于图2中的护罩区段102，并且包括与侧通路204和侧横档部116外表面连通的多个排气孔210。排气孔210可用于增强对侧横档部116外表面的冷却，但排气孔210会增加生产成本。
图5示出了用于制造护罩区段102的示例性方法的局部剖面顶视图。前通路202、侧通路204以及后通路208已形成为穿过前横档部110、侧横档部116和后横档部114的外表面。一旦已钻取通路，则可在区域501对不合需要的钻孔进行密封。通路的形成可采用多种技术来实施，这些技术例如包括钻取、放电加工(EDM)，以及电化学加工(ECM)。
图6示出了用于制造护罩区段102的示例性方法的沿线A-A(图5)的局部剖面前视图。护罩区段102的径向内表面132包括环形轮廓。环形轮廓可使得难以钻取前通路202。通过从各个侧横档部116以一定角度θ钻取前通路202，可更容易地进行前通路202的钻取。例如，钻取程序可包括从其中的一个侧横档部116以一定角度θ至护罩区段102的中点钻取第一通路601。然后，第二通路603可从相对的侧横档部116以类似角度钻取一定的钻孔深度，该第二通路603可大致在护罩区段102的中点与第一通路601相交。备选实施例可包括不相交的第一通路601和第二通路603。从相对的侧横档部116利用一定角度钻取前通路202适应环形的轮廓。后通路208(图5)可采用类似的方式钻取。如果期望的话，侧通路204可在一个钻取程序中钻取，并且将会与前通路202的部分和后通路208的部分相交。一旦通路已被钻取，便可密封经由护罩区段外表面平移的通路部分。所期望的进入孔130和排出孔128可在随后的过程中钻取。尽管上文所述的用于制造通路的方法包括钻取，但可使用其它方法例如包括铸造工艺来制造护罩区段102中的通路。
使用(EDM/ECM)工艺来用于制造上文所述通路的优点在于，可使用钻取工艺来产生通路的成形内表面。图7示出了通路的示例性成形内表面的一部分的剖面顶视图。通路的成形内表面可包括任何上述通路的特征，包括前通路202、后通路208以及侧通路204。参看图7，通路701包括减小通路701内径的凸脊705。凸脊705可通过干扰冲击气流105(图1)的流动来改善流入通路701中的冲击空气105的对流冷却。凸脊705的期望效果可包括在冲击空气105的流动中形成涡流，这会增强冲击空气105的对流冷却效果。
图8示出了用于形成凸脊705的示例性方法。EDM探头801用于钻取通路701。在进行钻取时，探头801旋转，且受到驱动沿箭头805的方向向前进入材料807中，以钻取通路701。为了形成凸脊705，向前驱动探头801会暂时停止，同时探头801继续除去区域803中的材料，从而增大区域803中的通路701内径。停止沿通路701部分向前驱动探头801形成了凸脊705。
虽然仅结合有限数目的实施例详细描述了本发明，但应当容易地理解，本发明不限于此类披露的实施例。相反而言，本发明可修改成结合非此前所述但是与本发明的精神和范围相称的任意数目的变型、改型、替代或等同装置。此外，虽然已描述本发明的各种实施例，但是可以理解的是，本发明的方面可仅包括所述实施例的一部分。相应而言，本发明不应视为受前述描述的限制，而是仅受所附权利要求范围的限制。

Claims (10)

1.一种涡轮冷却构件(100)，包括：
周向前缘(110)；
与所述前缘(110)间隔开的周向后缘(114)；
连接到所述前缘(110)和所述后缘(114)上的第一侧板(116)；
连接到所述前缘(110)和所述后缘(114)上的第二侧板(116)，其与所述第一侧板(116)间隔开且相对；
连接到所述后缘(114)和所述前缘(110)上的弓形基部(108)，其具有前部、中段部分、后部、相对的第一侧部和第二侧部、部分地限定操作地用来收容压缩空气(105)的腔室(118)的外表面(124)，以及与涡轮发动机的气体流路相接触的弓形内表面(132)，所述弓形内表面(132)在从所述涡轮构件(100)的所述前缘(110)至所述后缘(114)的方向上伸展；
位于所述基部(108)中的第一侧冷却空气通路(204)，其沿所述第一侧部(106)从所述前部(110)延伸至所述后部(114)；以及
位于所述基部(108)的前部中与所述侧冷却空气通路(204)和所述腔室(118)连通的前冷却空气通路(202)，其操作地用以收容来自于所述腔室(118)的所述压缩空气(105)。
2.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述构件还包括与所述第一侧冷却空气通路(204)和所述后缘(114)连通的第一出口(128)，所述第一出口(128)操作地用来将所述压缩空气(105)出射到所述气体流路中。
3.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述构件还包括位于所述基部(108)中沿所述第二侧部(204)从所述前部延伸至所述后部的第二侧冷却空气通路(204)。
4.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述第二侧冷却空气通路(204)与所述前冷却空气通路(202)连通。
5.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述构件还包括：
后冷却空气通路(208)，其位于所述基部(108)的后部中与所述侧冷却空气通路(204)和所述腔室(108)连通；以及
与所述后冷却空气通路(208)和所述后缘(114)连通的第二出口(128)，其操作地用来将所述压缩空气(105)出射到所述气体流路中。
6.根据权利要求5所述的构件，其特征在于，所述构件还包括位于所述基部(108)中沿所述第二侧部从所述前部延伸至所述后部的第二侧冷却空气通路(204)，其与所述前冷却空气通路(202)和所述后冷却空气通路(208)连通。
7.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述第一侧冷却空气通路(204)包括与所述腔室(108)连通的入口(130)，所述入口(130)操作地用来接收压缩空气(105)。
8.根据权利要求3所述的构件，其特征在于，所述第二侧冷却空气通路(204)包括与所述腔室(108)连通的入口(130)，所述入口(130)操作地用来接收压缩空气(105)。
9.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述第一侧冷却空气通路(204)具有包括凸脊(705)的内表面，所述凸脊(705)操作地用来影响所述压缩空气(105)的流动。
10.根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述前冷却空气通路(202)具有包括凸脊(705)的内表面，所述凸脊(705)操作地用来影响所述压缩空气的流动。
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