CN103089336A - 构件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及构件及其制造方法，提供了一种用于燃气涡轮发动机(100)的构件。该构件包括冷却孔口(194,196)和插塞(204)，插塞(204)填充冷却孔口的至少一部分以防止空气流通过冷却孔口。插塞构造成在燃气涡轮发动机的操作期间在预定温度下熔融，以允许空气流通过冷却孔口。

Description

构件及其制造方法

技术领域

本公开的领域大体上涉及构件，并且更具体而言，涉及用于燃气涡轮发动机的构件及其制造方法。

背景技术

许多已知的燃气涡轮发动机包括燃烧系统，其用于混合燃料与压缩空气并点燃混合物以产生燃烧气体。燃烧气体被导入涡轮系统中以驱动涡轮旋转，由此驱动风扇、压缩机和/或可旋转地联接到涡轮的发电机。在一些燃气涡轮发动机(例如，飞行器上的推进燃气涡轮发动机)中，燃烧气体从涡轮系统排入环境空气中，由此为飞行器提供推力。在一些其它燃气涡轮发动机(例如，联合循环发电厂中的燃气涡轮发动机)中，燃烧气体从涡轮系统被导入热回收蒸汽发生器中以用于产生蒸汽。

一些已知的燃烧系统包括多个周向间隔开的燃料喷嘴，其排放燃料以在燃烧过程中使用。因为这些燃料喷嘴可以不同速率排放燃料，所以在燃烧系统下游可存在具有较高燃烧气体温度的周边区域(即，热斑)。这可能对遭遇热斑的那些发动机构件产生显著的温度增加。然而，由于热斑的位置可能难以确定并且可能随发动机不同而变化，因而至少一些已知的发动机具有形成于许多下游发动机构件上的冷却孔口，这些构件不会最终位于热斑内，并且因此不会最终经受需要冷却的温度增加。因此，已经知道不位于热斑中的下游发动机构件被过度冷却至低于期望温度的温度，并且因此已经知道大量的不期望的冷却空气被排入燃烧气体流中，这降低了发动机的整体操作效率。因此，将有用的是具有仅当位于热斑内时排放冷却空气的构件，这将便于保持发动机的使用寿命，同时提高发动机的整体操作效率。

发明内容

在一个方面，提供了一种用于燃气涡轮发动机的构件。该构件包括冷却孔口和插塞，该插塞填充冷却孔口的至少一部分以防止空气流通过冷却孔口。插塞构造成在燃气涡轮发动机的操作期间在预定温度下熔融，以允许空气流通过冷却孔口。

在另一方面，提供了一种制造用于燃气涡轮发动机的构件的方法。该方法包括在构件中形成冷却孔口并用防止空气流通过冷却孔口的插塞填充冷却孔口的至少一部分。插塞构造成在燃气涡轮发动机的操作期间在预定温度下熔融，以允许空气流通过冷却孔口。

在另一方面，提供了一种燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机包括燃烧系统和设置在燃烧系统下游的涡轮系统，其中，燃烧系统和涡轮系统中的至少一个包括构件。该构件具有冷却孔口和插塞，该插塞填充冷却孔口的至少一部分以防止空气流通过冷却孔口。插塞构造成在燃气涡轮发动机的操作期间在预定温度下熔融，以允许空气流通过冷却孔口。

附图说明

图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图；

图2是图1所示燃气涡轮发动机的燃烧系统的示意图；

图3是图1所示燃气涡轮发动机的涡轮喷嘴的一部分的示意图；

图4是图3所示涡轮喷嘴的区段的透视图；以及

图5是图4所示涡轮喷嘴区段的示意性剖视图。

附图标记：

100   燃气涡轮发动机

102   风扇系统

104   压缩机系统

106   燃烧系统

108   高压涡轮系统

110   低压涡轮系统

112   第一燃料喷嘴

114   第二燃料喷嘴

116   第三燃料喷嘴

118   第四燃料喷嘴

120   第五燃料喷嘴

122   第六燃料喷嘴

130   涡轮喷嘴

132   涡轮喷嘴区段

134   内带

136   外带

140   第一静叶

142   第二静叶

144   第三静叶

146   第四静叶

148   第五静叶

150   第六静叶

152   第七静叶

154   第八静叶

156   第九静叶

158   第十静叶

160   第十一静叶

162   第一流动路径

164   第二流动路径

166   第三流动路径

168   第四流动路径

170   第五流动路径

172   第六流动路径

174   第七流动路径

176   第八流动路径

178   第九流动路径

180   第十流动路径

182   内带区段

184   外带区段

186   凹形压力侧

188   凸形吸力侧

190   前缘

192   后缘

194   冷却孔口

196   第一冷却孔口

198   入口

200   出口

202   内部冷却流动通道

204   插塞

206   第一热斑区域

208   第二热斑区域

210   第三热斑区域

212   第一较冷区域

214   第二较冷区域。

具体实施方式

以下详细描述以示例的方式而非以限制的方式阐述了构件及其制造方法。该描述应明显地使本领域的普通技术人员能够制造和使用该构件，并且该描述阐述了该构件的若干实施例、改型、变型、备选方案和用途，包括目前认为是其最佳模式的方案。该构件在本文中被描述为应用于优选实施例，即燃气涡轮发动机。然而，可以想到，该构件及其制造方法在广泛的系统和/或各种其它商业、工业和/或消费应用中具有普遍的应用。

图1是示例性燃气涡轮发动机100的示意图，其包括风扇系统102、压缩机系统104、燃烧系统106、高压涡轮系统108和低压涡轮系统110。图2是燃烧系统106的示意图。在示例性实施例中，燃烧系统106包括多个间隔开的周向布置的燃料喷嘴以用于在燃烧过程期间排放燃料，即，燃烧系统106包括第一燃料喷嘴112、第二燃料喷嘴114、第三燃料喷嘴116、第四燃料喷嘴118、第五燃料喷嘴120和第六燃料喷嘴122。在其它实施例中，燃气涡轮发动机100可具有以任何合适方式布置的任何合适数量的燃料喷嘴。备选地，燃气涡轮发动机100可包括以任何合适方式构造的任何合适数量的风扇系统、压缩机系统、燃烧系统和/或涡轮系统。

图3是高压涡轮系统108的环形涡轮喷嘴130的一部分的示意图。在示例性实施例中，涡轮喷嘴130为高压涡轮系统108的第一级喷嘴。在其它实施例中，涡轮喷嘴130可以在高压涡轮系统108或低压涡轮系统110的任何合适的级中。

在示例性实施例中，涡轮喷嘴130具有多个涡轮喷嘴区段132，其周向布置而形成内带134和外带136，一行间隔开的定子静叶从内带134延伸至外带136，即，第一静叶140、第二静叶142、第三静叶144、第四静叶146、第五静叶148、第六静叶150、第七静叶152、第八静叶154、第九静叶156、第十静叶158和第十一静叶160。这样，第一流动路径162限定在第一静叶140和第二静叶142之间；第二流动路径164限定在第二静叶142和第三静叶144之间；第三流动路径166限定在第三静叶144和第四静叶146之间；第四流动路径168限定在第四静叶146和第五静叶148之间；第五流动路径170限定在第五静叶148和第六静叶150之间；第六流动路径172限定在第六静叶150和第七静叶152之间；第七流动路径174限定在第七静叶152和第八静叶154之间；第八流动路径176限定在第八静叶154和第九静叶156之间；第九流动路径178限定在第九静叶156和第十静叶158之间；并且第十流动路径180限定在第十静叶158和第十一静叶160之间。在其它实施例中，涡轮喷嘴130可具有限定了任何合适数量的流动路径的任何合适数量的静叶。

图4是涡轮喷嘴130的一个涡轮喷嘴区段132的透视图。虽然下文更详细地描述了一个示例性涡轮喷嘴区段132的构型，但可以以相同方式构造涡轮系统108、110的任何合适数量的涡轮喷嘴区段132。在示例性实施例中，涡轮喷嘴区段132包括内带区段182、外带区段184和从内带区段182延伸到外带区段184的一对静叶(例如，第一静叶140和第二静叶142)。在其它实施例中，涡轮喷嘴区段132可具有从内带区段182延伸到外带区段184的任何合适数量的静叶(例如，涡轮喷嘴区段132可具有单个静叶，而不是一对静叶)。在示例性实施例中，每个静叶140、142具有翼型形状，其具有在前缘190和后缘192处接合到一起的凹形压力侧186和凸形吸力侧188。每个静叶140、142还包括多个冷却孔口194，其靠近前缘190、后缘192设置在压力侧186和吸力侧188上以及它们之间的区域。备选地，静叶140、142可具有任何合适的翼型形状，并且涡轮喷嘴区段132可具有任何合适布置的冷却孔口194(例如，内带区段182和/或外带区段184可具有冷却孔口194)。

图5是通过冷却孔口194的第一冷却孔口196的第二静叶142的剖视图。虽然下文更详细地描述了第二静叶142的第一冷却孔口196的构型，但燃气涡轮发动机100的任何合适的构件(例如，燃烧系统106和/或涡轮系统108、110的任何合适的构件，如涡轮系统108、110的任何合适的涡轮喷嘴构件、涡轮护罩构件和/或涡轮叶片构件)可具有以与第一冷却孔口196相同的方式构造的任何合适数量的冷却孔口194。同样，冷却孔口194、196可以是任何合适的类型，例如，薄膜冷却孔口、后缘冷却孔口、翼型件顶端冷却孔口或平台边缘冷却孔口。

在示例性实施例中，第一冷却孔口196延伸通过第二静叶142的凹形压力侧186，使得第一冷却孔口196具有入口198和出口200。入口198与第二静叶142的内部冷却流动通道202流动连通，并且出口200与涡轮喷嘴130的第一流动路径162流动连通。插塞204设置在第一冷却孔口196内以防止空气流通过第一冷却孔口196。在示例性实施例中，插塞204位于出口200处。在其它实施例中，插塞204可具有沿第一冷却孔口196的任何合适位置。在示例性实施例中，插塞204由具有预定熔融温度的硬化材料(例如，铜合金、纯金属元素等)形成。在其它实施例中，插塞204可由任何合适的材料形成，该材料具有便于使插塞204能够如本文所述起作用的预定熔融温度。

在燃气涡轮发动机100的操作期间，通过风扇系统102的空气流被供应至压缩机系统104，并且压缩空气从压缩机系统104输送到燃烧系统106。压缩空气与来自燃料喷嘴112、114、116、118、120、122的燃料混合，并且燃烧气体从燃烧系统106流入高压涡轮系统108的涡轮喷嘴130中。

在示例性实施例中，因为燃料喷嘴112、114、116、118、120、122周向间隔开并且可以以不同速率排放燃料，所以在进入涡轮喷嘴130的环形燃烧气体流中可存在较热的区域(“热斑”)，并且燃烧气体的这些热斑将可能与燃料喷嘴112、114、116、118、120、122周向对齐。更具体而言，如图3所示，第一流动路径162和第二流动路径164与第一燃料喷嘴112周向对齐，并且因此能接纳燃烧气体的第一热斑，由此形成涡轮喷嘴130的第一热斑区域206。第五流动路径170和第六流动路径172与第二燃料喷嘴114周向对齐，并且因此能接纳燃烧气体的第二热斑，由此形成涡轮喷嘴130的第二热斑区域208。第九流动路径178和第十流动路径180与第三燃料喷嘴116周向对齐，并且因此能接纳燃烧气体的第三热斑，由此形成涡轮喷嘴130的第三热斑区域210。另一方面，第三流动路径166和第四流动路径168周向定位在涡轮喷嘴130的第一热斑区域206和第二热斑区域208之间，并且因此可能形成涡轮喷嘴130的第一较冷区域212，并且第七流动路径174和第八流动路径176周向定位在涡轮喷嘴130的第二热斑区域208和第三热斑区域210之间，并且因此可能形成涡轮喷嘴130的第二较冷区域214。这样，第二静叶142可以完全在第一热斑区域206内；第四静叶146可能完全在第一较冷区域212内；第六静叶150可以完全在第二热斑区域208内；第八静叶154可能完全在第二较冷区域214内；并且第十静叶158可以完全在第三热斑区域210内。

在示例性实施例中，插塞204的组成被选择成使得插塞204的预定熔融温度低于涡轮喷嘴130的可能的热斑区域206、208、210的预期温度，使得第二静叶142、第六静叶150和第十静叶158的插塞204构造成：在燃气涡轮发动机100的操作期间，如果区域206、208、210中的任一个最终为热斑区域(即，如果静叶142、150、158中的任一个最终达到预定熔融温度)，则插塞204熔融，由此使得静叶142、150、158能够由通过其出口200排放的冷却空气冷却。然而，如果静叶142、150、158中的任一个最终不在热斑区域206、208、210内(即，如果静叶142、150、158中的任一个最终未达到预定熔融温度)，那么相关联的插塞204将保持足够硬，以防止冷却空气流通过其出口200。这样，冷却空气仅从那些达到需要冷却的温度的静叶排放。在示例性实施例中，涡轮喷嘴130的所有插塞由相同材料制成(即，每个静叶140、142、144、146、148、150、152、154、156、158、160具有带有相同预定熔融温度的插塞204)。在其它实施例中，涡轮喷嘴130可具有由具有不同预定熔融温度的材料制成的插塞204。

应当指出，假设每个发动机的每个燃料喷嘴可具有不同的燃料排放速率，则热斑区域的位置可随发动机不同而变化。在一个示例中，第一发动机和第二发动机可具有第一级喷嘴的不同定位的热斑区域。因此，第一发动机的第一级喷嘴的插塞可以熔融，而在第二发动机的第一级喷嘴中具有相同周向位置的插塞可以不熔融。考虑到这种位置上的变化，以上所述构件和方法使得所有第一级喷嘴冷却孔口能够用插塞填充，该插塞具有低于热斑区域的预计温度的预定熔融温度。这样，没有希望热斑的位置在每个发动机内的负担，冷却空气可以仅从最终经受需要冷却的温度的那些发动机构件排放，同时冷却空气不从不需要冷却的那些发动机构件排放。

同样，热斑区域的预计温度可以随发动机不同而变化，并且可以甚至在单个发动机内变化。考虑到这种温度上的变化，插塞的组成可从具有不同预定熔融温度以适合发动机的预计操作温度的多种不同插塞组成中选择(例如，插塞的组成可以选自具有第一预定熔融温度的第一组成、具有高于第一预定熔融温度的第二预定熔融温度的第二组成以及具有高于第一预定熔融温度和第二预定熔融温度的第三预定熔融温度的第三组成)。这样，不同发动机中的构件可配有不同的插塞组成(例如，第一发动机的第一级喷嘴的第一定子静叶可具有不同于第二发动机的第一级喷嘴的第一定子静叶的插塞组成)。类似地，在相同发动机中不同位置处的冷却孔口可配有不同插塞组成(例如，第一发动机的第一级喷嘴中的第一定子静叶的冷却孔口可具有不同于第一发动机的第一级喷嘴中的第二定子静叶的冷却孔口的插塞组成，使得第一定子静叶和第二定子静叶在不同的操作温度下经受冷却)。另外，在相同发动机构件上不同位置处的冷却孔口可配有不同插塞组成(例如，第一定子静叶上的多个第一冷却孔口可具有第一插塞组成，而相同的第一定子静叶上的多个第二冷却孔口可具有第二插塞组成，使得第一冷却孔口在第一预定温度下打开，并且第二冷却孔口在第二预定温度下打开，由此提供第一定子静叶的逐步冷却)。

本文所述的方法和系统便于向燃气涡轮发动机提供用于冷却发动机构件的冷却孔口。本文所述的方法和系统还便于将燃气涡轮发动机的冷却孔口构造成使得冷却空气仅提供给那些需要冷却的发动机构件。本文所述的方法和系统还便于通过用插塞填充冷却孔口而应对热斑的位置和温度上的变化，该插塞构造成仅当达到预定温度阈值时熔融，由此防止燃气涡轮发动机的较冷区域被过度地且不期望地冷却。本文所述的方法和系统因此便于通过冷却需要冷却的构件而保持发动机的使用寿命，同时通过防止由于冷却不需要冷却的发动机构件而导致的冷却空气的过度排放来提高发动机的整体操作效率。

以上详细描述了构件及其制造方法的示例性实施例。系统和方法不限于本文所述的具体实施例，而是，系统的构件和方法可以独立地且与本文所述其它构件分开地使用。例如，本文所述的方法和系统可具有其它工业和/或消费应用并且不限于仅用本文所述燃气涡轮发动机来实践。而是，本发明可结合许多其它工业来实现和使用。

虽然已经根据各种特定实施例描述了本发明，但本领域技术人员将会认识到，在权利要求的精神和范围内可对本发明进行修改。

Claims (10)

1. 一种用于燃气涡轮发动机(100)的构件，所述构件包括：

冷却孔口(194, 196)；以及

插塞(204)，其填充所述冷却孔口的至少一部分以防止空气流通过所述冷却孔口，其中，所述插塞构造成在所述燃气涡轮发动机的操作期间在预定温度下熔融以允许空气流通过所述冷却孔口。

2. 根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述构件为涡轮喷嘴构件、涡轮护罩构件和涡轮叶片构件之一。

3. 根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述冷却孔口(194, 196)为薄膜冷却孔口、后缘冷却孔口、翼型件顶端冷却孔口和平台边缘冷却孔口之一。

4. 根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述冷却孔口(194, 196)包括入口(198)和出口(200)，所述插塞(204)设置在所述出口处。

5. 根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述插塞(204)由硬化金属材料形成。

6. 根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述插塞(204)由硬化铜合金材料形成。

7. 一种燃气涡轮发动机(100)，包括：

燃烧系统(106)；以及

涡轮系统(108, 110)，其设置在所述燃烧系统的下游，其中，所述燃烧系统和所述涡轮系统中的至少一个包括具有冷却孔口(194, 196)和插塞(204)的构件，所述插塞(204)填充所述冷却孔口的至少一部分以防止空气流通过所述冷却孔口，其中，所述插塞构造成在所述燃气涡轮发动机的操作期间在预定温度下熔融以允许空气流通过所述冷却孔口。

8. 根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机(100)，其特征在于，所述构件为包括凸形吸力侧(188)、凹形压力侧(186)和内部冷却流动通道(202)的定子静叶(140, 142, 144, 146, 148, 150, 152, 154, 156, 158, 160)，所述冷却孔口(194, 196)延伸通过所述凸形吸力侧和所述凹形压力侧之一，使得所述冷却孔口与所述冷却流动通道流动连通。

9. 根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机(100)，其特征在于，所述冷却孔口(194, 196)包括入口(198)和出口(200)，所述插塞(204)设置在所述出口处。

10. 根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机(100)，其特征在于，所述插塞(204)由硬化铜合金材料形成。

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