CN102444434A - 用于涡轮机翼形件的弯曲薄膜冷却孔及相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于涡轮机翼形件的弯曲薄膜冷却孔及相关方法，具体而言，一种涡轮机轮叶(10)包括：在其一端处的翼形件部分(12)；在其相反端处的根部分(14)；在翼形件和根部分之间的平台部分(16)；在平台部分内或平台部分的径向向内的至少一个内部空腔(18)，其具有至少一个薄膜冷却孔(30)，至少一个薄膜冷却孔(30)在至少一个空腔和平台部分的外表面之间延伸。薄膜冷却孔(30)沿着薄膜冷却孔的长度尺寸弯曲。

Description

用于涡轮机翼形件的弯曲薄膜冷却孔及相关方法
技术领域
本发明总体涉及燃气涡轮机翼形件技术，且更具体地，涉及翼形件的平台部分的薄膜冷却。
背景技术
典型地使用传统的直或线性钻头将薄膜冷却孔钻进燃气涡轮机翼形件的平台部分中，相对于平台的表面以大约30°的统一浅角度定向。以超过30°的角度钻的孔将可能导致降级的薄膜冷却性能。当试图钻进内部平台空腔时，该约束会引起困难。例如，当最坏的情况时考虑铸造型芯浮动和位置公差，钻头的边缘可部分或完全错过目标空腔且继续进入轮叶柄部分或根部分。为了减轻该问题，孔角度必须增加，而这如已经指出的，具有负面的性能含义，或者孔必须被移动更靠近翼形件平台的斜面(slash face)。然而，更靠近斜面定位孔可能由减少因薄膜冷却受益的区域或通过在寿命已经受到威胁的区域中引入应力集中而限制零件寿命。
因而将希望开发一种技术，其维持优选的薄膜冷却孔角度但消除了与传统制造工艺能力有关的问题。
发明内容
根据一个示例性但非限制性的实施例，本发明提供了一种涡轮机轮叶，其包括：在其一端处的翼形件部分；在其相反端处的根部分；在翼形件部分和根部分之间的平台部分；在平台部分内或平台部分的径向向内的至少一个内部空腔，其具有在至少一个内部空腔和平台部分的外表面之间延伸的至少一个薄膜冷却孔，该至少一个薄膜冷却孔沿着至少一个薄膜冷却孔的长度尺寸弯曲。
在另一个方面，本发明涉及一种涡轮机构件，其包括：适于被薄膜冷却空气冷却的外表面；在涡轮机构件内的内部空腔，其适于向外表面供给薄膜冷却空气；以及大致径向地在内部空腔和外表面之间延伸的至少一个薄膜冷却孔，该至少一个薄膜冷却孔沿着该至少一个薄膜冷却孔的长度尺寸弯曲，其中，该至少一个薄膜冷却孔沿着外表面的表面以相对于外表面小于大约30°的角度开口，且其中，该至少一个薄膜冷却孔沿着内部空腔的表面以相对于内部空腔的表面大于大约30°的角度开口。
在又另一个方面，本发明涉及在涡轮机轮叶平台中形成薄膜冷却孔的方法，薄膜冷却孔连接平台的外表面与在平台内或平台的径向向内的内部空腔，该方法包括(a)在平台的外表面上定位薄膜冷却孔出口点且定位向内部空腔中开口的薄膜冷却孔入口点；(b)沿薄膜冷却孔出口点和薄膜冷却孔入口点之间的弯曲路径钻出薄膜冷却孔。
联系以下标示的附图，本发明将被更详细地描述。
附图说明
图1是燃气涡轮机轮叶构造的透视图；
图2是穿过轮叶平台获得的部分截面图，图示了直的薄膜冷却孔和潜在的孔定位问题；且
图3是类似于图2的截面图，但图示了根据本发明的一个示例性但非限制性实施例的弯曲薄膜冷却孔。
零部件列表
10燃气涡轮机或翼形件
12翼形件部分
14根部分
16平坦平台部分
18空腔
20气膜冷却孔
22空腔构造
24钻头
28斜面
30弯曲的气膜冷却孔
32内部空腔表面
具体实施方式
首先参考图1，图示了已知构造的燃气涡轮机翼形件或轮叶10。轮叶包括翼形件部分12和轮叶柄部分或根部分14。大致平坦的平台部分(或简称平台)16位于在翼形件部分12和根部分14之间的接合处。斜面17(显示了一个)沿着轮叶的相反周向边缘延伸。
现在参考图2，例如冷却流或空气的冷却介质典型地从轮叶或叶片冷却回路或从平台冷却回路(未显示)被供给至一个或更多空腔18，该一个或更多空腔18已经例如被铸造或被机加工在平台16内或平台16的径向向内。冷却剂被通过连接空腔与内部翼形件冷却回路(未显示)的一个或更多通道或孔供给至空腔18。冷却空气或流的一部分可通过在翼形件部分12的吸入侧上的在空腔18和平台16之间延伸的薄膜冷却孔20离开该一个或更多空腔18。离开薄膜冷却孔20的流或空气在平台16的外表面上产生一层冷却空气，其进一步将平台吸入侧与热气体通道空气隔离。
本发明涉及用于形成平台薄膜冷却孔20的改进的技术，但应理解的是本发明并不限于用于平台或翼形件任一者(或任何其它构件)的任何特定的冷却回路设计，而使可应用在使用薄膜冷却孔且可实现弯曲薄膜冷却孔的益处的任何情况下。
继续参考图2，典型的薄膜冷却孔20被以相对于平台的外表面大约30°的浅角度直线地钻入燃气涡轮机翼形件的平台16中。已经确定以大约30°角度钻出的孔提供最佳的薄膜冷却性能，而以超过30°的角度钻出的孔导致降级的薄膜冷却性能。如也在图2中的虚线空腔构造22中所示，在轮叶的制造中最坏情况型芯浮动状况下，结合钻出的薄膜冷却孔的位置公差，可导致钻头24部分(如果不是完全)错过再定位的目标空腔22，使得冷却孔可继续经过空腔且进入轮叶的柄部分或根部分14。这典型地通过增加薄膜冷却孔角度或移动薄膜冷却孔更靠近翼形件平台16的斜面28来解决。又如已经指出的，这两个选项中没有一个是特别希望的。
根据本发明的一个示例性但非限制性的实施例，且现在参考图3，由用来形成孔的电火花加工(EDM)导线示意性地代表的弯曲的薄膜冷却孔30被钻过平台16至空腔18(或22)，且孔的曲率允许不忽视制造考虑而更接近最初设计意图定位平台薄膜冷却布局。注意弯曲孔30可具有一致的或不一致的曲率半径，和/或最接近平台的孔的部分可为直的而其余部分是弯曲的。在一个示例性实施例中，孔30可被形成为使得随着钻头接近目标空腔18(或22)，孔角度变得更陡，使得孔较不可能部分或完全错过目标冷却空腔。换言之，冷却孔在其离开到平台外表面上的位置可具有比向在平台内或平台的径向向内的空腔18(或20)开口的位置更浅的角度(例如，30°或更小且优选为大约26°)。因而，在平台16的外表面处的孔出口点可被维持在大约30度，从而保持最大冷却性能，而进入空腔的冷却孔入口点的角度可为相对于内部空腔表面32例如＞30°且＜90°。
在该示例性实施例中，弯曲薄膜冷却孔30可利用例如任何传统精确且快走丝的电火花加工钻出。合适的电火花机器可从例如康涅狄格州的米德尔顿航天科技公司获得，但也可获得其它机器。
钻出弯曲孔的其它方法包括STEM(管电极电解加工)，其中弯曲的电极被旋转进部件中以形成弯曲的孔，孔典型地具有恒定半径但还具有非恒定的曲率半径。其它ECM(电解加工)或方法的组合可被用来在单次加工中或多次加工中形成孔。
将理解的是许多此类薄膜冷却孔30可以以期望的图案形成，以有效地薄膜冷却轮叶平台16。孔30可具有大约0.03″的直径，但直径可取决于具体应用而变化。
在一个示例性实施例中，确定孔的平台端(或孔出口点)和孔的内部空腔端(或孔入口点)，且随后利用EDM或ECM机械以一致或不一致的曲率半径钻出孔，从而确保孔或通道在空腔18(或22)内良好终止。
如以上指出，本发明可应用于在翼形件平台、翼形件其本身或其中薄膜冷却孔构造和定位是关键的任何其它构件中钻出冷却孔。
尽管联系了目前被认为是最可行和最优选的实施例描述了本发明，但应理解的是本发明并不限于所公开的实施例，相反，本发明意图覆盖被包括在所附权利要求书的精神和范围内的各种改型或等同装置。

Claims (15)

1.一种涡轮机轮叶(10)，包括：
在其一端处的翼形件部分(12)；在其相反端处的根部分(14)；在所述翼形件部分和所述根部分之间的平台部分(16)；在所述平台部分内或所述平台部分的径向向内的至少一个内部空腔(18)，具有在所述至少一个内部空腔(18)和所述平台部分(16)的外表面之间延伸的至少一个薄膜冷却孔(30)，所述至少一个薄膜冷却孔(30)沿着所述至少一个薄膜冷却孔的长度尺寸弯曲。
2.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶，其特征在于，所述至少一个薄膜冷却孔(30)形成有不一致的曲率半径。
3.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶，其特征在于，所述至少一个薄膜冷却孔(30)形成有大致一致的曲率半径。
4.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶，其特征在于，所述至少一个薄膜冷却孔(30)以相对于所述外表面小于大约30°的角度与所述平台部分(16)的所述外表面相交。
5.根据权利要求4所述的涡轮机轮叶，其特征在于，所述至少一个薄膜冷却孔(30)以相对于所述空腔的内表面(32)大于大约30°的角度与所述内部空腔(18)相交。
6.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶，其特征在于，在所述平台(16)处的所述至少一个薄膜冷却孔(20)以比所述冷却孔(20)进入所述内部空腔(18)所处的角度更浅的角度离开。
7.根据权利要求1所述的涡轮机构件，其特征在于，所述至少一个薄膜冷却孔(20)具有大约0.03″的直径。
8.一种在涡轮机轮叶平台(16)中形成薄膜冷却孔(30)的方法，所述薄膜冷却孔(30)连接所述平台(16)的外表面与在所述平台内或所述平台的径向向内的内部空腔(18)，所述方法包括：
a.定位在所述平台(16)的外表面上的薄膜冷却孔(30)出口点以及向所述内部空腔(18)中开口的薄膜冷却孔入口点；以及
b.沿所述薄膜冷却孔出口点和所述薄膜冷却孔入口点之间的弯曲路径钻出所述薄膜冷却孔(30)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述弧形路径基于一致的曲率半径。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述弧形路径基于不一致的曲率半径。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(b)通过电火花加工执行。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(b)通过电解加工执行。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述薄膜冷却孔(30)具有大约0.03″的直径。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述薄膜冷却孔(30)以相对于所述外表面小于大约30°的角度在所述出口点处与所述平台部分(16)的所述外表面相交。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述薄膜冷却孔(30)以相对于所述内表面大于大约30°的角度在所述入口点处与所述内部空腔(18)的内表面(32)相交。
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