CN102808656A - 涡轮机喷嘴斜面的冷却孔 - Google Patents

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Abstract

本发明公开涡轮机喷嘴斜面冷却孔。其涉及一种涡轮机轮叶或叶片段，包括从径向内带径向向外延伸的至少一片翼型。所述径向内带由大体轴向延伸的侧边缘形成。所述压力侧面向所述大体轴向延伸的侧边缘中的一个侧边缘，而且所述前缘紧邻所述一个边缘。多个冷却通道形成于所述径向内带中，与内部腔室流体连通并通过所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个边缘中的多个出口孔离开所述内带。所述多个出口孔限制在沿所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘的区域中，其中沿所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘的静压力PS处于压力范围□PD内，其大体在级入口总压力PT与所述级入口总压力下的大约1.5倍动压力范围PD处的压力之间。

Description

涡轮机喷嘴斜面的冷却孔
技术领域
本发明大体涉及涡轮机，更确切地说，涉及燃气涡轮发动机的高压涡轮部分所使用的轮叶和叶片组件。
背景技术
燃气涡轮发动机最好在高温下进行运行，这样才能最有效地从燃烧气体中生成和提取能量。燃气涡轮发动机的某些部件会直接暴露在燃烧气体的热气流中，所述部件例如是涡轮机定子组件的固定轮叶段，该轮叶段紧密环绕涡轮机转子并限定热燃烧气体流经涡轮机的外边界。该轮叶段通常包含在内带和外带之间或防护罩之间延伸的一片、两片或多片单独的轮叶或翼型。
已经确定的是，由于没有冷却空气吹过两个相邻轮叶段之间的段间间隙，因此，轮叶段侧壁的温度很可能会大幅升高。不但没有冷却空气，热燃烧气体还被迫进入相邻轮叶段之间的间隙中的段间密封件上方的“斜槽(chute)”中。燃烧气体会加热两个面上的轮叶段内(或外)防护罩或带的边缘，即该段的前边缘和相邻的侧边缘。最可能出问题的是距轮叶段翼型中的一片翼型的前缘最近的轮叶段侧边缘(或斜面(slashface))，此处燃烧气体的压力最高。集中的热负载可能会导致氧化、开裂和燃烧，这些现象通常会对喷嘴或轮叶段造成无法修复的损坏。
目前针对此问题的已认可的解决方案是对整体喷嘴隔板增压，以迫使充足的冷却空气进入斜槽区域，从而净化所有驻留的热气。然而，由于此方法转移相对大量的压缩机排气以对喷嘴隔板增压，因此会显著降低涡轮发动机的性能。
因此，仍需要一种解决方案，该方案不仅不会降低涡轮发动机性能，而且比现有的解决方案更加简单且便宜。
发明内容
因此，在第一示例性但非限制性实施例中，提供了一种涡轮机轮叶段，其包括从径向内带径向向外延伸的至少一片翼型，所述径向内带由大体轴向延伸的侧边缘(side edge)形成；所述至少一片翼型由前缘、后缘、压力侧(pressure side)和吸力侧(suction side)形成；所述压力侧面向所述大体轴向延伸的边缘中的一个边缘(edge)，而且所述前缘紧邻所述大体轴向延伸的边缘中的所述一个边缘；以及形成于所述径向内带中的多个冷却通道，其与冷却空气的源流体连通，而且通过所述大体轴向延伸的边缘中的所述一个边缘中的多个出口孔离开所述内带，所述多个出口孔沿所述大体轴向延伸的侧边缘中的一个侧边缘而限制在一个区域中，其中，沿所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘的静压力PS处于压力范围PD内，其大体在级入口总压力PT与在级入口总压力下的大约1.5倍动压力范围PD处的压力之间。所述动压力范围定义为级入口总压力与级入口静压力之间的差，其通过标准等熵动态能头方程(standard isentropic dynamichead equation)定义为级入口马赫(Mach)数的函数。
进一步的，所述多个冷却通道开始于所述前缘并呈扇形分散至所述多个出口孔。
进一步的，所述多个冷却通道的第一和第二边缘冷却通道延伸至所述区域的纵向边界。
进一步的，所述至少一片翼型包括：一对翼型，其包括所述至少一片翼型和紧邻所述大体轴向延伸的边缘中的另一个边缘的相邻第二翼型；压力侧；以及所述第二翼型的前缘，其背向所述大体轴向延伸的侧边缘中的另一个侧边缘。
进一步的，所述内带中没有沿所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述另一侧边缘离开的冷却通道。
进一步的，所述内带中没有沿所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述另一侧边缘离开的冷却通道。
进一步的，所述涡轮机轮叶或叶片段适合与涡轮机转子组件相连。在另一示例性但非限制性方面，提供了一种对环绕转子的定子组件的一对相邻轮叶段的内带之间的间隙进行冷却的方法，其中，各轮叶段包括在径向内带和外带之间延伸的至少一片翼型，至少所述径向内带由大体轴向延伸的侧边缘形成；所述翼型由前缘、后缘、压力侧、吸力侧以及内部冷却腔室形成；所述压力侧面向所述大体轴向延伸的侧边缘中的一个侧边缘，而且所述前缘紧邻所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘；所述方法包括确定所述径向内带或外带的所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘的长度部分，其中，沿所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘的静压力PS处于压力范围PD内，其大体在级入口总压力PT与在所述级入口总压力下的大体约1.5倍动压力范围处的压力之间；以及仅在确定的长度部分的位置处，沿所述大体轴向延伸的侧边缘中的一个侧边缘向所述间隙供应冷却空气。
进一步的，实施(b)的步骤是，从所述翼型内部的腔室供应冷却空气。
进一步的，进一步实施(b)的步骤是，提供多个冷却通道，所述冷却通道与所述腔室连通，且从所述前缘延伸，并呈扇形向外分散至所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘。
进一步的，仅针对所述内带的所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘来实施所述步骤(b)。
进一步的，所述多个冷却通道的前通道和后通道在所述长度部分的前边界和后边界处离开所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘。
进一步的，所述内带或外带中没有沿所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述另一侧边缘离开的冷却通道。
进一步的，所述间隙具有由在一对相邻轮叶段之间延伸的密封件限定的径向深度。
在又一示例性但非限制性方面，提供了一种对转子组件的一对叶片段的内带之间的间隙进行冷却的方法，其中各叶片段包括从径向内带径向向外延伸的一片翼型，所述径向内带由大体轴向延伸的侧边缘形成；所述翼型由前缘、后缘、压力侧和吸力侧形成；所述压力侧面向所述大体轴向延伸的边缘中的一个边缘，而且所述前缘紧邻所述大体轴向延伸的边缘中的所述一个边缘；所述方法包括确定所述径向内带的所述大体轴向延伸的侧边缘中的一个侧边缘的长度部分，其中，沿所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘的静压力PS处于压力范围PD内，其大体在级入口总压力PT与在级入口总压力下的大约1.5倍动压力PD处的压力之间；以及仅在确定的长度部分的位置处，沿所述大体轴向延伸的侧边缘中的一个侧边缘向所述间隙供应冷却空气。
进一步的，实施(b)的步骤是，从所述翼型内部的腔室供应冷却空气。
进一步的，进一步实施(b)的步骤是，提供多个冷却通道，所述冷却通道与所述腔室连通，且从所述前缘延伸，并呈扇形向外分散至所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘。
进一步的，仅针对所述内带的所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘来实施所述步骤(b)。
进一步的，所述多个冷却通道的前通道和后通道在所述长度部分的前边界和后边界处离开所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘。
进一步的，所述间隙具有由在一对相邻叶片段之间延伸的密封件限定的径向深度。
现在将结合以下附图来详细说明本发明。
附图说明
图1为燃气涡轮机喷嘴段的透视图，包括径向内带和外带；
图2为根据示例性但非限制性实施例的、对相邻喷嘴段之间的斜槽区域进行冷却的相邻段的示意图；
图3为沿段的径向内带的最大压力场的相邻喷嘴段的示意性平面图；
图4为用于冷却段的内带斜面的高压区域的、位于相邻轮叶段中的、冷却通道装置的示意性平面图；以及
图5为曲线图，其示出级入口总压力PT以及在级入口总压力与在级入口总压力下的1.5倍动压力值PD处的压力之间的压力范围PD。
元件符号列表：
Figure BSA00000734027700051
具体实施方式
特别参考图1到图4，涡轮机轮叶段10包括径向外带或防护罩12和径向内带或防护罩14。在内带和外带之间是一对翼型16和18(双翼型段有时称为“翼型对(doublet)”)。其他轮叶段可具有一片或两片以上的单独翼型，本发明不限于轮叶段中的任何特定数量的翼型。所述翼型16和18大体相同，除了它们相对于内带和外带的方向以外。因此，特别参考图3，可以看到叶片或翼型16具有前缘20、后缘22、压力侧24和吸力侧26。
正如所属领域所了解的那样，单独的弧形轮叶段10布置在涡轮机转子周围的固定环形阵列中。图2和图3示出一对处于已安装状态的轮叶段10和28，二者之间具有大体轴向延伸的间隙30。段10的大体轴向延伸的侧边缘32和34称为斜面。因此，段10的斜面32和段28的斜面36彼此相对且限定间隙30，本说明书中也称为“斜槽”或“斜槽区域”。
通过翼型16和18相对于内带14的方向应了解，翼型16的前缘20位于距斜面32相对较近的位置。通常，正是沿斜面32并紧邻段上的两片翼型中的一片翼型的前缘的区域会在热燃烧气体从燃烧室流入涡轮机级时受到局部最大静压力。在此情况下，紧邻翼型16的前缘20的斜面32受到最高的燃烧气体压力。
在示例性但非限制性实施例中，图3中清晰可见，冷却通道可从轮叶段10的斜面32处和/或相邻轮叶段28的斜面36处至出口处形成，如本说明书进一步描述。在相应段10、28的相对斜面32、36之间的斜槽30清晰可见，且该斜槽30的径向深度由段间密封件38(图2)的位置限定，所述段间密封件位于相应槽40、42中且沿相邻斜面32、36轴向延伸。
正如前述，通过紧邻斜面32的翼型前缘20，沿斜面32的轴向长度的有限部分，斜槽30(见图2和图3)内可能会受到局部高压。根据本发明的示例性但非限制性实施例，向斜槽30供应冷却空气，该冷却空气仅着重或集中于斜面32的高压区域44。在这一点上，需要特别关注图3，其中，高压区域44在前缘20处示意性地示出，且沿翼型16的压力侧24部分延伸，并具有沿斜面32明确限定的高压区。已确定的、可能将对斜面32且因此对整个轮叶段10造成潜在损坏的高压范围在沿如下限定的斜面的某边界内。通过向处于预定高压范围的区域处的斜槽30供应冷却空气，可以大体上抵消对沿斜面32的喷嘴段造成的潜在损坏。
在示例性实施例中，并参考图5中所示的压力曲线，确定沿斜面32的待冷却的高压区域可通过计算以下项来确定：通向涡轮机级的入口处的总压力PT和马赫数M；沿斜面32的静压力PS；以及定义为级入口处的PT-PS的动压力PD，所述动压力可通过作为级入口总压力和级入口马赫数函数的标准等熵动态能头方程计算。如图5所示，沿斜面32的最高压力位于一个区域中，在该区域中，沿所述大体轴向延伸的侧边缘中的一个侧边缘的静压力PS处于压力范围P中，其大体在级入口总压力PT和级入口总压力下的大约1.5倍动压力范围PD处的压力之间。
现在参考图4，多个冷却通道46、48、50、52和54穿过与斜槽间隙相邻的任一翼型的内带14，从翼型16内所设有的内部腔室延伸到斜面32。或者，冷却通道47、49、51和53可以从相邻轮叶段28中的翼型56中的腔室(未图示)延伸到斜槽30。在又一替代布置中，冷却空气可以从两组冷却通道或者从任何其他可用的源供应。
因此，位于多个通道的前端和后端的前冷却通道46和后冷却通道54在高压区域44的大体纵向的(lengthwise)边界处离开斜面32。利用翼型腔室供应的冷却空气，通过混合冷却空气与燃烧气体，以部分阻止斜槽30中的热燃烧气体进入所述斜槽，而且斜面32(尤其是高压区域44)暴露于较冷的空气。此外，流过通道46、48、50、52和54的冷却空气可通过对流冷却来冷却内带14，因此具有进一步有益效果。
应了解，由于不同的涡轮机型号和这些型号中的级会包含不同的轮叶段设计，因此无法以任何普遍的结构的意义来说明高压区域出现的确切位置。尽管如此，对于指定的涡轮机型号/涡轮机级而言，所属领域的一般技术人员可确定高压区域出现的位置，并且不仅能确定最大压力的位置，还能确定可能会造成潜在损坏的压力范围的位置。通过限定如上所述的区域R，可以生成用于其他型号和其他级的压力数据，从而相应地实施冷却方案，以便充分保护距离最大气路(gaspath)压力区域最近的斜面。
还应了解的是，本发明并不限于沿内带的单个边缘而利用，而同样适用于内带和外带中的任一者或两者。此外，本发明不仅适用于固定轮叶段，还适用于位于轮叶级之间的转子叶轮上的旋转叶片。
虽然已结合目前被认为是最具实用性和较佳的实施例说明了本发明，但应了解本发明不限于已公开的实施例，相反，而是旨在涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效配置。

Claims (20)

1.一种涡轮机轮叶或叶片段，其包括从径向内带径向向外延伸的至少一片翼型，所述径向内带由大体轴向延伸的侧边缘形成；
所述至少一片翼型由前缘、后缘、压力侧和吸力侧形成；所述压力侧面向所述大体轴向延伸的侧边缘中的一个侧边缘，而且所述前缘紧邻所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘；在所述径向内带中形成的与冷却空气源流体相通的多个冷却通道，所述多个冷却通道通过所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘中的多个出口孔离开所述内带，所述多个出口孔限制在一个区域中，其中沿所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘的静压力PS处于压力范围PD内，其大体在级入口总压力PT与所述级入口总压力下的大约1.5倍动压力PD处的压力之间。
2.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶或叶片段，其中所述多个冷却通道开始于所述前缘并呈扇形分散至所述多个出口孔。
3.根据权利要求2所述的涡轮机轮叶或叶片段，其中所述多个冷却通道的第一和第二边缘冷却通道延伸至所述区域的纵向边界。
4.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶或叶片段，其中所述至少一片翼型包括：一对翼型，其包括所述至少一片翼型和紧邻所述大体轴向延伸的边缘中的另一个边缘的相邻第二翼型；压力侧；以及所述第二翼型的前缘，其背向所述大体轴向延伸的侧边缘中的另一个侧边缘。
5.根据权利要求4所述的涡轮机轮叶或叶片段，其中所述内带中没有沿所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述另一侧边缘离开的冷却通道。
6.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶或叶片段，其中所述内带中没有沿所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述另一侧边缘离开的冷却通道。
7.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶段，其中所述涡轮机轮叶或叶片段适合与涡轮机转子组件相连。
8.一种对环绕转子的定子组件的一对轮叶段的内带或外带之间的间隙进行冷却的方法，其中各轮叶段包括在径向内带和外带之间延伸的至少一片翼型，所述径向内带和外带由大体轴向延伸的侧边缘形成；所述翼型由前缘、后缘、压力侧和吸力侧形成；所述压力侧面向所述大体轴向延伸的边缘中的一个边缘，而且所述前缘紧邻所述大体轴向延伸的边缘中的所述一个边缘；所述方法包括：
(a)确定所述径向内带或外带的所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘的长度部分，在此区域中，其中沿所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘的静压力PS处于压力范围PD内，其大体在级入口总压力PT与所述级入口总压力下的大约1.5倍动压力
PD处的压力之间。
(b)仅在所确定的长度部分中的位置上，沿所述大体轴向延伸的侧边缘中的一个侧边缘向所述间隙供应冷却空气。
9.根据权利要求8所述的方法，其中实施(b)的步骤是，从所述翼型内部的腔室供应冷却空气。
10.根据权利要求9所述的方法，其中进一步实施(b)的步骤是，提供多个冷却通道，所述冷却通道与所述腔室连通，且从所述前缘延伸，并呈扇形向外分散至所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘。
11.根据权利要求8所述的方法，其中仅针对所述内带的所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘来实施所述步骤(b)。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述多个冷却通道的前通道和后通道在所述长度部分的前边界和后边界处离开所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述内带或外带中没有沿所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述另一侧边缘离开的冷却通道。
14.根据权利要求8所述的方法，其中所述间隙具有由在一对相邻轮叶段之间延伸的密封件限定的径向深度。
15.一种对转子组件的一对叶片段的内带之间的间隙进行冷却的方法，其中各叶片段包括从所述内带径向向外延伸的一片翼型，所述径向内带由大体轴向延伸的侧边缘形成；所述翼型由前缘、后缘、压力侧和吸力侧形成；所述压力侧面向所述大体轴向延伸的边缘中的一个边缘，而且所述前缘紧邻所述大体轴向延伸的边缘中的所述一个边缘；所述方法包括：
(a)确定所述径向内带的所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘的长度部分，其中沿所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘的静压力PS处于压力范围PD内，其大体在级入口总压力PT与所述级入口总压力下的大约1.5倍动压力PD处的压力之间；以及
(b)仅在所确定的长度部分中的位置上，沿所述大体轴向延伸的侧边缘中的一个侧边缘向所述间隙供应冷却空气。
16.根据权利要求15所述的方法，其中实施(b)的步骤是，从所述翼型内部的腔室供应冷却空气。
17.根据权利要求16所述的方法，其中进一步实施(b)的步骤是，提供多个冷却通道，所述冷却通道与所述腔室连通，且从所述前缘延伸，并呈扇形向外分散至所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘。
18.根据权利要求15所述的方法，其中仅针对所述内带的所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘来实施所述步骤(b)。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述多个冷却通道的前通道和后通道在所述长度部分的前边界和后边界处离开所述大体轴向延伸的侧边缘中的所述一个侧边缘。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述间隙具有由在一对相邻叶片段之间延伸的密封件限定的径向深度。
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