CN103133040B - 冷却的涡轮机叶片和用于冷却涡轮机叶片的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冷却的涡轮机叶片和用于冷却涡轮机叶片的方法。一种冷却的涡轮机叶片包括：根部，其用于将叶片固定到转子；翼型，其从根部沿着径向轴线延伸；和尖端护罩，其设置在翼型的径向向外端部上。尖端护罩从翼型沿着周向延伸，并且在其自身内限定中心增压室和外围增压室。翼型限定后部翼型冷却通路，后部翼型冷却通路在邻近翼型的后缘部分处径向延伸穿过翼型。翼型还限定后部冷却入口，以将冷却流体的后部流提供至后部翼型冷却通路。翼型还限定至少一个后部冷却出口，以将冷却流体的后部流从后部翼型冷却通路排出到外周增压室。尖端护罩限定至少一个外围增压室排出口，以将冷却流体的后部流排出。

Description

冷却的涡轮机叶片和用于冷却涡轮机叶片的方法

技术领域

本发明涉及例如在航空发动机、燃气涡轮机发动机、蒸汽机等中的涡轮机的叶片。更具体地，本发明涉及对涡轮机叶片尖端护罩的冷却。

背景技术

燃气涡轮机发动机包括涡轮机部分，其中热压缩气体膨胀以产生旋转轴功率。涡轮机部分常包括多个交替行的固定轮叶(喷嘴)和旋转叶片(斗叶)。每个旋转叶片具有翼型和将旋转叶片连接到转子的根部。

在某些情况下，在每个涡轮机叶片的径向向外端部上包括一体式尖端护罩，以使得一组叶片在组装时产生限制热压缩气体经过叶片的翼型部分的通路的外表面。包含一体式尖端护罩可趋向于增强涡轮机部分从热压缩气体获得功的能力，从而改进涡轮机发动机的性能。遗憾的是，旋转翼型上的一体式尖端护罩由于这些尖端护罩受到机械和气动力、以及高温环境而高度受力。

为改进涡轮机叶片的使用设计寿命，采用冷却方法。通常，通过从压缩机取得一部分压缩工作流体(例如空气)、并将该压缩工作流体直接传送到涡轮机部分而不会使冷却流体暴露于燃烧器部分中增加的热量，从而来实现叶片冷却。该冷却流体提供加压、并相对冷的流体的来源，该流体很容易流过在涡轮机叶片中形成的通路、并提供对涡轮机叶片的冷却。因此，经常提供径向通路，以将冷却流体从叶片的根部径向向外地运送至叶片的尖端，冷却流体在叶片的尖端被排出。

相应地，本领域技术人员寻求对翼型后缘和尖端护罩具有改进冷却的涡轮机叶片。

发明内容

根据本发明的一个方面，冷却的涡轮机叶片包括：根部，其用于将叶片固定到转子；翼型，其从根部沿着径向轴线延伸；和尖端护罩，其设置在翼型的径向向外端部上。尖端护罩从翼型沿着周向延伸，并且在其自身内限定中心增压室和外围增压室。翼型限定后部翼型冷却通路，后部翼型冷却通路在邻近翼型的后缘部分处径向延伸穿过翼型。翼型还限定后部冷却入口，以将冷却流体的后部流(aft stream)提供至后部翼型冷却通路。翼型还限定至少一个后部冷却出口，以将冷却流体的后部流从后部翼型冷却通路排出到外周增压室。尖端护罩限定至少一个外围增压室排出口(peripheral plenum vent)，以将冷却流体的后部流排出。

所述翼型限定一个或多个中心翼型冷却通路，所述一个或多个中心翼型冷却通路径向延伸穿过所述翼型的中心部分，所述翼型限定中心冷却入口以将冷却流体的中心流提供至所述一个或多个中心翼型冷却通路，并且所述翼型限定至少一个中心冷却出口以将所述冷却流体的中心流从所述一个或多个中心翼型冷却通路排出到所述中心增压室。所述尖端护罩限定至少一个中心增压室冲击孔，以形成冲击冷却流体的流、并将所述冲击冷却流体的流从所述中心增压室引导至目标表面。所述后部翼型冷却通路具有圆形的横截面形状；或者，所述后部翼型冷却通路的横截面形状构造成符合所述翼型的所述后缘部分的外形。

所述后部翼型冷却通路的第一壁与所述翼型的所述后缘部分的压力表面基本平行，所述后部翼型冷却通路的第二壁与所述翼型的所述后缘部分的吸力表面基本平行。所述至少一个中心冷却出口的总横截面积大于所述至少一个中心增压室冲击孔的总横截面积。所述至少一个后部冷却出口的总横截面积大于所述至少一个外围增压室冲击孔的总横截面积。所述目标表面包括位于所述翼型和所述尖端护罩之间的过渡圆角的内壁。所述尖端护罩具有支承表面，以与另一冷却的涡轮机叶片的另一尖端护罩配合。所述至少一个外围增压室排出口设置成与所述支承表面相邻。

根据本发明的另一方面，提供用于冷却涡轮机叶片的方法，涡轮机叶片具有翼型和尖端护罩，尖端护罩从翼型的尖端沿周向延伸。该方法包括在尖端护罩中提供中心增压室和外围增压室，并将冷却流体供应分成中心冷却流和外围冷却流。引导外围冷却流穿过后部翼型冷却通路，后部翼型冷却通路在邻近翼型的后缘部分处径向延伸穿过翼型，以从翼型的后缘部分向外围冷却流传热。引导中心冷却流穿过一个或多个中心翼型冷却通路，中心翼型冷却通路延伸穿过翼型的中心部分，以从中心部分向中心冷却流传热。将外围冷却流从后部翼型冷却通路引导至外围增压室，将中心冷却流从一个或多个中心翼型冷却通路引导至中心增压室。从外围增压室排出外围冷却流，并从中心增压室排出中心冷却流。

该方法还包括将冷却流体的后部流经由后部冷却入口提供至后部翼型冷却通路，并将冷却流体的流从外围增压室经由至少一个外围增压室排出口排出。

所述方法还包括引导所述中心冷却流的至少一部分朝着目标表面穿过至少一个冲击孔。所述方法还包括引导所述外围冷却流的至少一部分朝着目标表面穿过至少一个冲击孔。

根据下列结合附图的详细描述，这些和其他优点和特征将更加显而易见。

附图说明

视为本发明的主题被具体指出并明确地在说明书结尾处的权利要求书中要求保护。从下列结合附图进行的详细描述，本发明的前述和其他特征以及优点将显而易见，其中：

图1是示例性冷却的涡轮机叶片的示图；

图2是示例性冷却的涡轮机叶片的俯视图；

图3是本发明的示例性实施例的横截面图；

图4是本发明的另一示例性实施例的横截面图；

图5是根据本发明如图3所示的结构的第一示例性实施例的平面示意图；和

图6是根据本发明如图3所示的结构的第二示例性实施例的平面示意图。

详细的描述通过参照附图的示例对本发明的实施例以及优点和特征进行解释。

具体实施方式

如图1所示，涡轮机叶片100包括翼型112和根部114。翼型112沿着径向轴线从根部114延伸到叶片尖端130。翼型112具有前缘部分116和后缘部分118，从前缘到后缘的距离限定翼型弦长(airfoilchord length)117。通常凹形的压力表面120和通常凸形的压力表面122在翼型112的相对侧上的前缘和后缘之间延伸。在图示的示例中，叶片100的根部114包括柄部124和燕尾榫126以配合转子上的相应燕尾榫槽，以使得涡轮机叶片100能被固定到转子。

如图1和图2所示，尖端护罩128设置在叶片尖端130上，即定位成与翼型112的径向外端相邻，并且沿着周向(即，沿着与径向轴线基本垂直的方向)从翼型112延伸。尖端护罩128具有径向向内的面对表面和径向向外的面对表面，这两个表面都暴露于流过涡轮机部分的热压缩气体。每个尖端护罩128具有支承面136、138，尖端护罩128在该支承面136、138上接触相邻叶片的相邻尖端护罩的支承面。一个或多个挡板140从尖端护罩128径向向外延伸，以防止热气体在叶片周围泄露。

如图1所示，一个或多个中心翼型冷却通路160延伸穿过翼型112的中心部分(即，在距离翼型的中心小于翼型弦长度(airfoil chordlength)的约25％的距离内)，后部翼型冷却通路162延伸穿过翼型112的后缘部分。一个或多个中心翼型冷却通路160和后部翼型冷却通路162从根部114沿径向延伸到叶片尖端130，这些通路各自在根部114处接收加压冷却流体的流(加压冷却流体可以包括从安装有涡轮机叶片的发动机的压缩机部分收集的压缩气体或另外的流体)，在叶片尖端130处冷却流体的流可以被引导至待冷却的位置、或者可以另外地被排出或排放。例如，如图3和图4所示，在尖端护罩128中局部的定向冲击冷却被用于降低尖端护罩的高受力区域中的材料(例如金属或陶瓷)温度。更具体地，尖端护罩128包括内部中心冷却室142，该冷却室142将冷却流体提供至期望区域，并能实现对尖端护罩128的冲击冷却。后部翼型冷却通路162的横截面形状可以构造成符合翼型112的后缘部分的外形。

本说明书描述的径向冷却通路、腔室、增压室和冷却通路可以使用很多处理/制程(例如电化学钻孔)来形成。电化学钻孔的一种形式称为型管电解加工(STEM)，并且例如对于涡轮机叶片径向冷却通路的情况，实现使形成的通路的深径比(depth to diameter ratio)相对较大的加工。STEM钻孔通过使用具有绝缘外部涂层的管状阴极进行阳极溶解来制造通路。STEM制程/方法制造出的通路的直径可以沿着通路的长度变化。

除了沿着通路的长度变化，STEM钻孔还可以制造出横截面不是圆形的通路。例如，可以在制造出具有围绕电极均匀分布的间隙的圆形通路的条件下通过使电极径向移动到涡轮机叶片中而钻出冷却通路的初始部分。随后，电极可以沿着与电极的纵轴横切的方向(adirection transverse to the longitudinal axis)移动(即，朝向通路的壁的一侧)。然后将从通路的壁的该侧去除额外的材料，因此制造出具有偏心的横截面的通路。可以在不同的方向上重复该过程，以制造出具有期望横截面的通路。

如图5所示，内部中心冷却室142包括由尖端护罩128限定的中心增压室144和外围增压室146。中心翼型冷却通路160径向延伸穿过翼型112进入到尖端护罩128中，并与中心增压室144相交。后部翼型冷却通路162定位成接近叶片的后缘，该后部冷却通路162与外围增压室146而不是中心增压室144相交。根据本示例性实施例，穿过后部翼型冷却通路162的冷却流体使外围增压室146而不是(asapposed to)中心增压室144增压。在图示的实施例中，已经对外围增压室146进行增压的冷却空气可以经由一个或多个外围增压室排气口156排出。但是，应注意，可替换的实施例提供中心增压室和外围增压室之间的流体连通。根据这种替换实施例，从中心增压室144排气到主气体流中可以减小或消除从外围增压室146(例如经由外围增压室排气口156)排气到主气体流中的需求。

如图5所示，后部翼型冷却通路162具有圆形的横截面形状。但是，应当理解，后部翼型冷却通路还可以具有更紧密地符合翼型的外形的横截面形状，从而实现最小壁厚度的需求，同时还定位成相对更接近翼型的后缘，并提供期望的横截面积以容纳所期望的冷却流体的流的量和/或速度。例如，如图6所示，后部翼型冷却通路162的示例性的横截面形状包括基本与翼型的一个外表面平行的第一壁，和基本与翼型的另一不同外表面平行的第二壁。相应地，后部翼型冷却通路162构造成满足最小壁厚度的需求，同时提供对翼型的后缘的改进冷却。

结果，根据本实施例，后部翼型冷却通路162能够定位成邻近翼型的后缘(例如，在距翼型后缘小于翼型弦长度的约25％的距离内)，从而降低材料操作温度、并改进蠕变性能。通过对外围增压室146而不是中心增压室144增压，后部翼型冷却通路162的布置可有效地将外围增压室146内的后部翼型冷却通路162的更热流体隔离，使之远离中心增压室144，以使得更热的流体之后能够被迫进入尖端护罩的需要较少冷却、和/或具有较高承载能力的区域，并使得中心增压室144内的冷却流体能够更冷、并被应用于尖端护罩的需要较多冷却和/或具有较低承载能力的区域。产生的尖端护罩操作温度的降低可提供部件使用寿命的增加，和/或使得相同的部件能在更热的环境下操作而不损害使用寿命。

根据本发明，通过引导冷却流体从后部翼型冷却通路、或从一个或多个中心翼型冷却通路经过一个或多个冲击孔而形成朝着目标表面的冲击冷却流体的一个或多个流，可以在尖端护罩中产生冲击冷却。所述一个或多个冲击孔可以形成为叶片的一体部件，并且可以铸造在该部件内，或者可以通过在形成铸件之后进行加工而制成。图3和图4中示出以一体式冲击桥形件中的翼型-至-护罩的过渡圆角(fillet)为目标的冲击冷却的示例。图3示出引导至基本打开的冷却室142中的冲击冷却。图4示出进入具有窄通道形状的冷却室142中的冲击冷却。图4的更窄通道提供增加的冷却流体速度，并因此改进冲击区域下游的热传递。但是，应当理解，还可以提供其他冲击/流动构造。

参照图3的示意性横截面图，在示例性实施例中，中心增压室144包括被容纳在尖端护罩128内部、并由尖端护罩128限定的密封或基本密封的腔室。中心增压室144从翼型112内的一个或多个中心翼型冷却通路160接收加压冷却流体，以提供加压冲击冷却流体的流。在示例性实施例中，中心增压室144被充分密封(即，充分限制排气)，以使得中心增压室144可以由一个或多个中心翼型冷却通路160增压。因此，以常规方式，流体被接纳到叶片中(例如在燕尾榫或柄部区域附近)，流过柄部、并进入翼型112、且沿着翼型112朝向尖端护罩128流。

在图3图示的示例中，流体从翼型流动到尖端护罩128内部的加压的中心增压室144中。然后流体从加压的腔室被驱动经过至少一个冲击孔150，并且被引导至尖端护罩128内部的期望位置(即，冲击区域152，例如尖端护罩的后部目标表面或壁)。图3表示尖端护罩冲击冷却的实施例，其中翼型至护罩的过渡圆角是目标冲击区域。但是，冲击孔可以在其他尖端护罩位置被导向冲击区域。将理解，与在通道中流动的更一般的流相比，冲击冷却为局部区域提供热传递的形式。图3的实施例还在冷却室142内(例如在过渡圆角区域)提供扰流子(turbulators)，以进一步增强对冷却流体的热传递。在示例性实施例中，冲击孔的总横截面积小于一个或多个中心翼型冷却通路160的横截面积。结果，中心增压室144被增压。尽管这提供优越的冲击热传递，但是非必须的。冲击孔的总面积可以大于一个或多个中心翼型冷却通路的面积，并且仍然具有冲击功能，虽然性能降低。

后冲击流体(post-impingement fluid)从冲击区域152流过冷却室148到达一个或多个外围增压室排气口156、158，并进入到主气体流中。冷却流体还可以在外围增压室排气口156处直接从冷却室(peripheral plenum vent)142离开。尽管图3的实施例中示出至少一个冷却室142，但是应当理解可以使翼型冷却剂通路作为该增压室。然后冲击孔将始于翼型冷却剂通路，并将冷却剂引导至涡轮机叶片的外部腔室。

现在参照图4的示意性横截面图，在另一示例性实施例中，中心增压室144被密封或基本密封、并且容纳在尖端护罩128内部，利用该中心增压室144以使得经过冲击孔150的冲击冷却被引导至冲击区域152上，该冲击区域152可以大于图3的实施例中的冲击区域。此外，后冲击冷却流体被输送通过冷却室142，冷却室142提供在冲击区域152下游的通道流动热传递。排出的冷却流体然后流动到一个或多个外围增压室排气口156，并进入到主气体流中。冷却流体还可以在外围增压室排气口156处直接从冷却室142离开。此外，在上述任意实施例中，后冲击冷却流体还可以经由膜孔穿过该冷却流体冲击的表面而离开。因此，所述流体在冲击之后不是必须流过冷却室。

图3所示的结构的两个可能的俯视图在图5和图6中示意性示出。在图5中，冲击孔150进入连接的冷却室142中。图6示出第二个可能的实施例，其中相邻的冷却室142未连接。将理解，可以利用任意数量的腔室142和冲击孔150，腔室可以根据视为必要或期望的情况而被隔离或连接，以例如提供冲击区域下游的通道流动。

尽管仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当很容易理解本发明不限于这些公开的实施例。相反，本发明可以被修改成并入目前没有描述但是符合本发明的精神和范围的任意数量的改变、替换、替代或等效布置。此外，尽管描述了本发明的各种实施例，但是应当理解本发明的各个方面可以仅包括某些描述的实施例。相应地，本发明不应视为受到前文描述的限制，而是仅有所附权利要求书的范围限制。

Claims (16)

1.一种冷却的涡轮机叶片，其包括：

根部，所述根部用于将所述冷却的涡轮机叶片固定到涡轮机转子；

翼型，所述翼型从所述根部沿着径向轴线延伸，所述翼型限定单个后部翼型冷却通路，所述单个后部翼型冷却通路在邻近所述翼型的后缘部分处径向延伸穿过所述翼型，其中所述单个后部翼型冷却通路设置于距所述翼型的后缘小于翼型弦长度的25％的距离内；

尖端护罩，所述尖端护罩设置在所述翼型的径向向外端部上，从所述翼型沿着周向延伸，并且在所述尖端护罩内限定中心增压室和外围增压室；

所述翼型限定后部冷却入口以将冷却流体的单个后部流提供至所述单个后部翼型冷却通路，并且所述翼型限定单个后部冷却出口以将所述冷却流体的所述单个后部流从所述单个后部翼型冷却通路排出到所述外围增压室，其中所述单个后部流的全部量通过所述单个后部翼型冷却通路直接引导到所述外围增压室；

所述尖端护罩限定至少一个外围增压室排出口，以将所述冷却流体的所述单个后部流从所述外围增压室排出；并且

界定于所述翼型中的一个或多个中心翼型冷却通路，所述一个或多个中心翼型冷却通路中的每一个径向延伸通过所述翼型的中心部分，所述翼型设有中心冷却入口以将冷却流体的中心流提供到所述一个或多个中心翼型冷却通路，并设有至少一个中心冷却出口以将所述冷却流体的所述中心流从所述一个或多个中心翼型冷却通路排放到所述中心增压室，其中，所述单个后部翼型冷却通路和所述一个或多个中心翼型冷却通路被定位于将所述冷却流体的所述单个后部流和所述冷却流体的所述中心流引导到不同的腔，其中所述一个或多个中心翼型冷却通路设置于距离所述翼型的中心小于所述翼型弦长度的25％的距离内。

2.根据权利要求1所述的冷却的涡轮机叶片，其特征在于，所述尖端护罩限定至少一个中心增压室冲击孔，以形成冲击冷却流体的流、并将所述冲击冷却流体的流从所述中心增压室引导至目标表面。

3.根据权利要求1所述的冷却的涡轮机叶片，其特征在于，所述尖端护罩限定至少一个外围增压室冲击孔，以形成冲击冷却流体的流、并将所述冲击冷却流体的流从所述外围增压室引导至目标表面。

4.根据权利要求1所述的冷却的涡轮机叶片，其特征在于，所述后部翼型冷却通路具有圆形的横截面形状。

5.根据权利要求1所述的冷却的涡轮机叶片，其特征在于，所述后部翼型冷却通路的横截面形状构造成符合所述翼型的所述后缘部分的外形。

6.根据权利要求5所述的冷却的涡轮机叶片，其特征在于，所述后部翼型冷却通路的第一壁与所述翼型的所述后缘部分的压力表面基本平行，所述后部翼型冷却通路的第二壁与所述翼型的所述后缘部分的吸力表面基本平行。

7.根据权利要求2所述的冷却的涡轮机叶片，其特征在于，所述至少一个中心冷却出口的总横截面积大于所述至少一个中心增压室冲击孔的总横截面积。

8.根据权利要求3所述的冷却的涡轮机叶片，其特征在于，所述单个后部冷却出口的总横截面积大于所述至少一个外围增压室冲击孔的总横截面积。

9.根据权利要求2所述的冷却的涡轮机叶片，其特征在于，所述目标表面包括位于所述翼型和所述尖端护罩之间的过渡圆角的内壁。

10.根据权利要求3所述的冷却的涡轮机叶片，其特征在于，所述目标表面包括位于所述翼型和所述尖端护罩之间的过渡圆角的内壁。

11.根据权利要求1所述的冷却的涡轮机叶片，其特征在于，所述尖端护罩具有支承表面，以与另一冷却的涡轮机叶片的另一尖端护罩配合。

12.根据权利要求11所述的冷却的涡轮机叶片，其特征在于，所述至少一个外围增压室排出口设置成与所述支承表面相邻。

13.一种用于冷却涡轮机叶片的方法，所述涡轮机叶片具有翼型和尖端护罩，所述尖端护罩从所述翼型的尖端沿周向延伸，所述方法包括：

a)在所述尖端护罩中提供中心增压室和外围增压室；

b)将冷却流体供应分成中心冷却流和单个外围冷却流；

c)引导所述单个外围冷却流穿过单个后部翼型冷却通路，所述单个后部翼型冷却通路在邻近所述翼型的后缘部分处径向延伸穿过所述翼型，以从所述翼型的所述后缘部分向所述单个外围冷却流传热，其中所述单个后部翼型冷却通路设置于距所述翼型的后缘小于翼型弦长度的25％的距离内；

d)引导所述中心冷却流穿过一个或多个中心翼型冷却通路，所述一个或多个中心翼型冷却通路延伸穿过所述翼型的中心部分，以从所述中心部分向所述中心冷却流传热，其中所述一个或多个中心翼型冷却通路定位于距离所述翼型的中心小于所述翼型弦长度的25％的距离内；

e)将所述单个外围冷却流从所述单个后部翼型冷却通路引导至所述外围增压室；

f)将所述中心冷却流从所述一个或多个中心翼型冷却通路引导至所述中心增压室；

g)通过所述单个外围冷却流对所述外围增压室进行加压，以将所述单个外围冷却流与所述中心增压室隔离开来；

h)从所述外围增压室排出所述外围冷却流；和

i)从所述中心增压室排出所述中心冷却流。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括引导所述中心冷却流的至少一部分朝着目标表面穿过至少一个冲击孔。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括引导所述单个外围冷却流的至少一部分朝着目标表面穿过至少一个冲击孔。

16.一种冷却的涡轮机叶片，其包括：

根部，所述根部用于将所述冷却的涡轮机叶片固定到涡轮机转子；

翼型，所述翼型从所述根部沿着径向轴线延伸，所述翼型限定单个后部翼型冷却通路，所述单个后部翼型冷却通路在邻近所述翼型的后缘部分处径向延伸穿过所述翼型，其中所述单个后部翼型冷却通路设置于距所述翼型的后缘小于翼型弦长度的25％的距离内；和

尖端护罩，所述尖端护罩设置在所述翼型的径向向外端部上，从所述翼型沿着周向延伸，并且在所述尖端护罩内限定中心增压室和外围增压室；

所述翼型限定单个后部冷却入口以将冷却流体的单个后部流提供至所述单个后部翼型冷却通路，并且所述翼型限定单个后部冷却出口以将所述冷却流体的所述单个后部流从所述单个后部翼型冷却通路排出到所述外围增压室，其中所述单个后部流的全部量通过所述单个后部翼型冷却通路直接引导到所述外围增压室；

所述中心增压室与所述外围增压室流体连通；以及

界定于所述翼型中的一个或多个中心翼型冷却通路，所述一个或多个中心翼型冷却通路中的每一个径向延伸通过所述翼型的中心部分，所述翼型设有中心冷却入口以将冷却流体的中心流提供到所述一个或多个中心翼型冷却通路，并设有至少一个中心冷却出口以将所述冷却流体的所述中心流从所述一个或多个中心翼型冷却通路排放到所述中心增压室，其中，所述单个后部翼型冷却通路和所述一个或多个中心翼型冷却通路被定位于将所述冷却流体的所述单个后部流和所述冷却流体的所述中心流引导到不同的腔，其中所述一个或多个中心翼型冷却通路设置于距离所述翼型的中心小于所述翼型弦长度的25％的距离内。