CN102168584B - 带有隔离的冷却剂供给通道的涡轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及带有隔离的冷却剂供给通道的涡轮机叶片，具体而言，一种用于涡轮发动机的涡轮机叶片包括穿过涡轮机叶片以冷却叶片的主冷却剂通道。末梢冷却剂通道将冷却剂从邻近叶片的底座的位置直接传送到叶片的末梢，从而将冷却流体直接提供至叶片的末梢。这确保了到达叶片末梢的冷却剂处于相对低的温度下，并且从而可对定位在叶片的末梢处的材料提供有效的冷却。

Description

带有隔离的冷却剂供给通道的涡轮机叶片
技术领域
本发明涉及涡轮机叶片，更具体而言，涉及带有隔离的冷却剂供给通道的涡轮机叶片。
背景技术
涡轮发动机利用附接在涡轮机的旋转轴上的涡轮机叶片。穿过涡轮发动机的涡轮段的热燃烧气体撞击在涡轮机叶片上，这造成叶片和附接的轴旋转。典型地，涡轮发动机将包括安装在旋转轴上的多排叶片以及多排固定叶片。这些成排的旋转叶片和固定叶片相互交替。
已经穿过一排旋转涡轮机叶片的热燃烧气体然后撞击在后排的固定叶片上。成排固定叶片使燃烧气体在其到达下一排旋转的涡轮机叶片之前重新定向。
旋转涡轮机叶片和固定叶片都会遭受极其苛刻的操作环境。叶片经历高温，并且极热的燃烧气体在高速下通过。为了帮助涡轮段中旋转和不旋转的叶片应对苛刻的操作环境，通常在叶片本身内形成冷却通道。冷却通道供有冷却剂，典型地呈冷却的压缩空气的形式。压缩空气穿过叶片内的冷却通道以帮助冷却叶片，并且冷却剂通常之后穿过形成于叶片的外表面上的多个冷却孔而离开叶片。
发明内容
在第一方面，本发明可在一种用于涡轮机中的叶片上实施，该叶片包括具有底座和末梢的叶片主体。至少一个蜿蜒的冷却剂通道定位在叶片主体的内部。末梢冷却剂通道也定位在叶片主体中，其中末梢冷却剂通道从邻近主体的底座的位置直接延伸到邻近主体的末梢的位置。
在另一方面，本发明可在一种形成用在涡轮机中的叶片的方法中实施。该方法包括形成具有底座和末梢的叶片主体，在叶片主体的内部形成至少一个蜿蜒的冷却剂通道，以及在叶片主体的内部形成末梢冷却剂通道，其中末梢冷却剂通道从邻近主体的底座的位置直接延伸到邻近主体的末梢的位置。
附图说明
图1是涡轮机叶片的透视图；
图2是涡轮机叶片的纵向横截面图；
图3是图2中图示的涡轮机叶片的横向横截面图；
图4是另一涡轮机叶片的纵向横截面图；
图5是图4中图示的涡轮机叶片的横向横截面图；
图6是涡轮机叶片的末梢部分的横向横截面图；
图7是涡轮机叶片的另一实施例的末梢部分的横向横截面图；
图8是涡轮机叶片的另一实施例的纵向横截面图；且
图9是涡轮机叶片的另一实施例的纵向横截面图。
零部件列表
10  涡轮机叶片
12  前缘
14  后缘
16  末梢
15，17，19  冷却孔
20  座架
32  第一入口
34  第二入口
36  第三入口
38  第四入口
40  第一收集室
42  接收室
52，62，122，142  第一向上延伸的通道
54，124，144  第二向下延伸的通道
56，146  第三向上延伸的通道
58  第四向上延伸的通道
60，130  交叉孔
62，64  第二冷却通道
66  第三向上的冷却通道
110  第一入口
112  第二入口
113  第五入口
114  第三入口
115  第四入口
120  第一接收室
122  室
126，128  向上延伸的通道
140  末梢冷却剂通道
160  末梢冷却剂储槽
具体实施方式
图1显示了座架20上的典型的涡轮机叶片。图1中所示的实施例意图代表涡轮机的旋转涡轮机叶片。然而，本发明同样适用于固定涡轮机叶片(定子叶片)。
涡轮机叶片10包括前缘12、后缘14和末梢16。多个冷却孔定位在叶片的表面上。这些冷却孔可包括定位在叶片的前缘12附近的冷却孔17、定位在叶片的后缘14附近的冷却孔18、以及沿着叶片的中间部分而定位的冷却孔15。另外，沿着叶片的末梢部分可定位冷却孔19。图1中所示的构造意在仅为说明性的。冷却孔的图案和位置可从一个涡轮机叶片设计到下一涡轮机叶片设计而极大地变化。
图2显示了典型的涡轮机叶片的纵向横截面图，其包括蜿蜒的冷却通道。如图2中所示，蜿蜒的冷却通道通过定位在叶片的底座中的四个冷却入口而接收冷却剂流。四个冷却入口包括第一入口32、第二入口34、第三入口36和第四入口38。虽然此实施例包括四个冷却剂入口，但是带有蜿蜒的冷却通道的叶片的其它实施例可能具有不同的入口的数量。
当叶片10安装在相关联的座架20上时，如图1中所示，叶片主体中的第一、第二、第三和第四入口32，34，36，38与定位在底座20上的相应的冷却剂出口对准。这容许冷却剂流从底座20移动到叶片主体的内部。
在图2中图示的涡轮机叶片中，形成了两个蜿蜒的冷却通道，以使冷却剂流在叶片的整个主体中循环。第一蜿蜒的冷却剂通道定位在叶片主体的前面部分或前沿部分上。第一蜿蜒的冷却通道通过第一入口32和第二入口34而接收冷却剂流。然后在第一收集室40中可接收通过第一和第二入口32/34进入的冷却剂。然后冷却剂沿着第一向上延伸的通道52而流向叶片的末梢部分。在叶片的顶部，冷却剂流转向180°，并向下流过第二且向下延伸的通道54。在第二向下通道54的底部，冷却剂再次转向180°，并通过第三向上延伸的通道56开始向上移回到叶片。然后第三向上通道56中的冷却剂可通过形成于第三通道和第四通道之间的多个交叉孔60而跨越到第四向上延伸的通道58中。
然后位于第四向上延伸的通道58中的冷却剂可通过定位在叶片主体的前缘12附近的多个冷却孔而逸出。另外，第一、第二、第三和第四通道中的冷却剂可通过沿着叶片主体的中间部分形成的冷却孔穿过叶片的侧表面而离开。另外，来自这些通道的冷却剂还可通过沿着叶片的末梢而定位的冷却剂出口而选出。
第二蜿蜒的冷却剂通道沿着叶片的后半部分形成，该第二蜿蜒的冷却通道接收来自第三入口36和第四入口38的冷却剂。在接收室42中接收通过第三入口和第四入口进入的冷却剂。然后冷却剂通过第一向上延伸的通道62而流向叶片的末梢。在末梢附近，冷却剂流转向180°，并且开始通过第二冷却通道64而向下移动。第二通道64中的冷却剂到达该通道的底部，然后转向180°，并且开始沿着第三向上延伸的冷却剂通道66而向上升起。如第一蜿蜒的通道一样，冷却剂可经由形成于叶片的表面上的冷却孔而穿过第一、第二和第三通道逸出。另外，冷却剂将典型地通过定位在叶片的后缘附近的冷却孔而从第三冷却剂通道66逸出。此外，冷却剂可通过沿着叶片的末梢定位的冷却剂孔而从第一通道62、第二通道64或第三通道66中的一个或多个通道逸出。
图3中图示了此涡轮机叶片的横向横截面图。如在其中所示，沿着叶片的中间部分的冷却剂孔15可容许冷却剂例如从第一蜿蜒的冷却剂通道的第二向下延伸的冷却剂通道54逸出。类似地，冷却剂可通过第一蜿蜒的通道的第四冷却剂通道58而从定位在叶片的前缘附近的冷却剂孔17离开。
对于如图2和图3中图示的涡轮机叶片，到达叶片的末梢的冷却剂典型地已经穿过第一和第二蜿蜒的冷却剂通道的其中一个或多个向上和向下延伸的通道。结果，到冷却剂到达叶片的末梢时，冷却剂可能已经被加热至非常热的温度。这使得冷却叶片的末梢处的材料变得更加困难。在一些设计中，冷却剂在其已经穿过蜿蜒的冷却剂通道的多个行程之前将不会到达叶片的末梢。结果，叶片的末梢处的冷却受损，并且材料倾向于保持比期望的温度更热的温度。
类似地，对于涡轮发动机的定子叶片可能存在相同的缺点。在一些情形中，定子导叶也结合了蜿蜒的冷却通道。并且在那些情形中，冷却剂在到达定子导叶的特定部分之前可能沿着定子导叶的长度进行了不止一次通过，这会导致定子导叶的那些部分比期望的更热。
图4和图5图示了在涡轮机叶片内布置冷却剂通道的一种备选方式。在图4和图5中图示的实施例中，单独的冷却剂通道专用于将冷却剂直接从涡轮机叶片的底座供给到涡轮机叶片的末梢。通过此专用通道到达末梢的冷却剂在到达末梢之前将不会穿过多个蜿蜒的冷却剂通道。另外，穿过单独的冷却剂通道的冷却剂部分地与叶片的热的周围部分隔离。由于这些因素，在末梢处接收到的冷却剂的温度与如果冷却剂首先通过未隔离的蜿蜒通道进行多次通过相比低得多。这使得有可能更有效地冷却末梢的材料。
如图4和图5中图示的，仍然存在第一和第二蜿蜒的通道。第一蜿蜒的通道从第一入口110和第二入口112接收冷却剂流。冷却剂穿入到第一接收室120中，然后进入组成第一蜿蜒的冷却剂通道的辅助通道中。这包括第一向上延伸的通道122、第二向下延伸的通道124和通过多个交叉孔130而连接起来的两个向上延伸的通道126和128。如同参照图2和图3所述的实施例一样，冷却剂可通过定位在涡轮机叶片的表面上的冷却剂孔而从这些通道中的任何一个或多个离开。
还如图4中所图示的，第二蜿蜒的通道从第三入口114和第四入口115接收冷却剂流。此冷却剂被接收于室122中，然后冷却剂移动到第一向上延伸的通道132中。冷却剂传送到第二向下延伸的通道144，然后进入到第三向上延伸的通道146中。
在这种设计中，第一蜿蜒的通道和第二蜿蜒的通道中的冷却剂被供给至除了叶片的末梢处的那些冷却孔之外的叶片主体的所有部分上的冷却孔中。相反，完全分开的末梢冷却剂通道140大致定位在叶片主体的中心处。末梢冷却剂通道140通过定位在叶片的底座上的第五冷却入口113而供有冷却剂。冷却剂直接从第五入口113通过末梢冷却剂通道140而传送至叶片的顶部。
如图5中所图示的，末梢冷却剂通道140可定位在第一和第二蜿蜒的冷却剂通道的第一向上延伸的通道122，142之间。同图2和图3中所图示的实施例相比，这可通过轻微地改变第一向上延伸的通道122，142的壁的形状来实现。当以这种方式形成末梢冷却剂通道140时，其还用于将末梢冷却剂通道140中的冷却剂与叶片主体的热的材料隔离，因为末梢冷却剂通道140的侧面部分地被周围蜿蜒的通道中的冷却剂所包围。
图6和图7图示了叶片的末梢部分的两个不同的实施例，其包括单独的末梢冷却剂通道。在图6中所图示的实施例中，末梢冷却剂储槽160形成于叶片主体的末梢的后半部分上。末梢冷却剂储槽160从末梢冷却剂通道140接收冷却剂。之后冷却剂通过沿着叶片的后半部分形成的多个末梢冷却孔19而排出。
图7图示了另一实施例，然而在此实施例中，末梢冷却剂储槽160还将通过末梢冷却剂通道140接收的冷却剂供给沿着叶片的末梢的整个长度而形成的末梢冷却孔19。
在备选实施例中，末梢冷却剂储槽160可将冷却剂供给沿着叶片的前缘和后缘的附加部分而定位的末梢冷却孔，以及定位在叶片主体的低压侧上的冷却剂孔。
在又另外的实施例中，末梢冷却剂储槽160中的冷却剂可向下供给到蜿蜒的通道的最后部分中，其沿着叶片的前缘和后缘而定位。例如，参看图4和图5，末梢冷却剂储槽160中的冷却剂可向下供给到位于前缘处的第二向上延伸的通道128中，和/或位于后缘处的第二向上延伸的通道146中。因为这些通道128/146目前只在冷却剂已经穿过蜿蜒的通道的多个通路之后才接收冷却剂，所以以这种方式操作将有助于将具有较低温度的冷却剂供给叶片主体的那些部分。
在图4和图5中图示的实施例中，末梢冷却剂通道140通过定位在叶片主体的底座上的第五入口113接收冷却剂流。此实施例可能需要对保持叶片主体的底座进行修改，使得底座可将冷却剂供给至叶片主体中的新的第五冷却剂入口。虽然此实施例可能具有优势，因为其确保了从底座接收的冷却剂被直接传送至叶片主体的末梢，但这可能还需要对保持叶片主体的底座进行修改。
图8图示了叶片主体的一个实施例，其包括末梢冷却剂通道，但其不需要对保持叶片主体的底座进行任何修改。在此实施例中，第一蜿蜒的冷却通道将仍然从第一冷却剂入口32和第二冷却剂入口34接收冷却剂。然而，从第一和第二冷却剂入口接收的冷却剂然后将供给到沿着叶片主体的前半部分形成的第一蜿蜒的通道以及末梢冷却剂通道140中。因而，将不需要修改底座以包括第五冷却剂入口。
图9图示了将不需要修改底座的涡轮机叶片的另一实施例。在此实施例中，末梢冷却剂通道140直接连接在第二冷却剂入口34上。因而，第一蜿蜒的冷却回路之后将只从第一冷却剂入口32被供给冷却剂。
在备选实施例中，末梢冷却剂通道140还可通过第三和第四冷却剂入口36，38二者而被供给冷却剂。备选地，末梢冷却剂通道140可通过第三冷却剂入口36被供给，并且第四冷却剂入口38可用于只将冷却剂供给位于叶片的后半部分上的第二蜿蜒的冷却通道。当然各种其它组合也将是可能的。
如上面指出的，提供直接从底座通向叶片的末梢的单独的末梢冷却剂通道确保了在末梢处接收的冷却剂在相对较低的温度下到达，从而冷却剂可对叶片的末梢处的材料提供有效的冷却。
另外，对于图5中图示的结构，其中末梢冷却剂通道140向上延伸到大约叶片的厚度的中心，并且其中末梢冷却剂通道140夹在蜿蜒的冷却通道之间，同图3中图示的实施例相比可能存在较少的横跨叶片的温度梯度。末梢冷却剂通道140部分地与来自叶片主体的侧面的直接热传递隔离。跨越叶片的厚度的较少的温度梯度还可有助于增加涡轮机叶片的可靠性和寿命。
如上面指出的，对于旋转的涡轮机叶片和非旋转的(定子)叶片均可提供从邻近叶片底座的位置直接通向叶片的末梢的专用的末梢冷却剂通道。由专用的末梢冷却剂通道所提供的优势同等地适用于任一类型的叶片。
在上述实施例中，末梢冷却剂通道主要定位在叶片的厚度的中心处。另外，末梢冷却剂通道定位在叶片主体的一部分中，其大约在叶片的前缘和后缘之间的中间。在备选实施例中，末梢冷却剂通道可定位在其它位置处。关于末梢冷却剂通道的位置，图3A-7中所图示的实施例仅意图为说明性的而非限制性的。
此外，上面提供的说明书描述了其包括四个冷却剂入口的叶片主体。在备选实施例中，叶片主体可能只包括单个冷却剂入口，或任何数量的冷却剂入口。体现本发明且包括专用的末梢冷却剂通道的涡轮机叶片可利用来自定位在叶片主体上的底座处的一个或多个冷却剂入口的冷却剂。
另外，在前面的描述中，叶片的主冷却剂通道是蜿蜒的通道。然而，本发明同等地适用于具有其它类型的主冷却剂通道的叶片。例如，本发明同等地适用于外围冷却的叶片。
在外围冷却的叶片中，典型地有从叶片的底座延伸至叶片末梢的多个冷却剂通道。冷却剂通道基本上笔直向上延伸叶片的整个高度。结果，到任何冷却剂到达叶片末梢时，冷却剂已经在向上通过叶片期间被加热。
如果在外围冷却的叶片中提供单独的末梢冷却剂通道，并且末梢冷却剂通道在其向上通过叶片的高度期间被热隔离，那么通过末梢冷却剂通道到达末梢的冷却剂将比通过正常冷却剂通道到达末梢的冷却剂冷得多。因而，外围冷却的叶片也可受益于单独的末梢冷却剂通道。
虽然已经结合目前被认为是最实用且最优选的实施例而描述了本发明，但是应该懂得本发明并不局限于所公开的实施例，相反，其意图覆盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种变体和等效装置。

Claims (9)

1. 一种用于用在涡轮机中的叶片，包括：
叶片主体，其具有底座和末梢；
第一主冷却剂通道，其沿着所述主体的前缘部分而定位；
第二主冷却剂通道，其沿着所述主体的后缘部分而定位；
定位在所述第一主冷却剂通道和所述第二主冷却剂通道之间的末梢冷却剂通道，其中所述末梢冷却剂通道从邻近所述主体的所述底座的位置直接延伸到邻近所述主体的所述末梢的位置，从而使得末梢冷却剂通道将冷却剂仅传输至所述主体的末梢，所述末梢冷却剂通道由侧壁围绕成，所述侧壁具有延伸所述冷却剂通道的整个长度的内表面和外表面，所述侧壁的外表面形成所述第一主冷却剂通道和第二主冷却剂通道的内表面，该侧壁将所述末梢冷却剂通道中的冷却剂与所述第一主冷却剂通道和第二主冷却剂通道中的冷却剂热隔离，具有板从所述侧壁的所述外表面延伸至所述叶片主体的外壁的内侧。
2. 根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述末梢冷却剂通道用绝热材料覆盖。
3. 根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述叶片还包括定位在所述主体的所述末梢处的末梢冷却剂储槽，其中所述末梢冷却剂通道通向所述末梢冷却剂储槽。
4. 根据权利要求3所述的叶片，其特征在于，所述叶片还包括定位在邻近所述末梢的所述叶片的表面上的多个末梢冷却剂孔，其中各个所述末梢冷却剂孔与所述末梢冷却剂储槽相通，使得所述末梢冷却剂储槽中的冷却剂能够通过所述末梢冷却剂孔而逸出所述主体。
5. 根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述主体具有高度、宽度和厚度，其中所述末梢冷却剂通道在所述高度的方向上延伸，并且其中所述末梢冷却剂通道的纵轴线定位在所述主体的厚度的大约中间处。
6. 根据权利要求5所述的叶片，其特征在于，所述末梢冷却剂通道大致沿着所述主体的最厚部分而定位。
7. 根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述叶片还包括定位在所述主体的所述底座处的冷却剂入口，其中所述冷却剂入口从保持所述主体的座架部分接收冷却剂，并且其中通过所述冷却剂入口接收的冷却剂被供给至所述第一主冷却剂通道、第二主冷却剂通道和所述末梢冷却剂通道。
8. 根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述叶片还包括定位在所述主体的所述底座处的第一冷却剂入口和第二冷却剂入口，其中所述第一冷却剂入口和所述第二冷却剂入口都从保持所述主体的座架部分接收冷却剂，其中通过所述第一冷却剂入口接收的冷却剂被供给至所述第一主冷却剂通道，并且其中通过所述第二冷却剂入口接收的冷却剂被供给至所述末梢冷却剂通道中。
9. 根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述叶片还包括定位在所述主体的所述底座处的第一冷却剂入口和第二冷却剂入口，其中所述第一冷却剂入口和所述第二冷却剂入口都从保持所述主体的座架部分接收冷却剂，并且其中通过所述第一冷却剂入口和所述第二冷却剂入口接收的冷却剂被供给至所述第一主冷却剂通道和所述末梢冷却剂通道两者中。
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