CN103225517A - 涡轮翼型件及对涡轮翼型件进行薄膜冷却的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涡轮翼型件，该涡轮翼型件包括轮叶和多个膜孔，轮叶具有前缘和后缘以及内部冷却回路，多个膜孔在内部冷却回路与轮叶的外部之间延伸。多个膜孔成形为邻近前缘产生离开膜孔的旋流，由此提高局部对流并且向气路流提供隔离屏障。

Description

涡轮翼型件及对涡轮翼型件进行薄膜冷却的方法

技术领域

本申请总体涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地，涉及用于对燃气涡轮发动机内所使用的翼型件进行薄膜冷却的方法和装置。

背景技术

燃气涡轮发动机典型地包括压缩机、燃烧器、和涡轮。对进入压缩机的空气流进行压缩并且将经过压缩的空气流引导至燃烧器，在燃烧器处，压缩空气流与燃料混合并且点燃，从而产生热燃烧气体，所产生的热燃烧气体用于驱动涡轮。燃气涡轮发动机的涡轮部段中所使用的轮叶和叶片均具有翼型部段，该翼型部段沿径向延伸跨过发动机流路。在发动机操作期间，涡轮机轮叶和叶片暴露于升高的温度，该升高的温度能够导致机械故障和腐蚀。因此，常见的做法是使用耐高温合金来制造轮叶和叶片并且将耐腐蚀和隔热的涂层施布于翼型件以及其它暴露于流路的表面。通过使冷却剂流过翼型件的内部来对翼型件进行冷却也是普遍的做法。

例如，涡轮叶片或转子轮叶典型地包括空心翼型件，该空心翼型件的外侧暴露于热燃烧气体，并且向该空心翼型件的内侧供给冷却流体(典型地为压缩空气)。翼型件包括前缘和后缘、压力侧、以及吸力侧。压力侧和吸力侧在翼型件前缘和后缘处连接，并且沿径向横跨在翼型件根部与翼型件尖端之间。薄膜冷却孔在被限定于翼型件内的内部冷却回路与翼型件的外表面之间延伸。薄膜冷却孔将冷却流体从内部冷却回路引向翼型件的外侧，以用于对翼型件进行薄膜冷却。

冷却孔中的螺旋肋已经用于随着肋的转动而沿相同方向产生纵向旋涡的二次流对。可能期望利用膜孔中该已知的行为来改进薄膜冷却、提高薄膜冷却的覆盖率并且提高冷却效率。

发明内容

在一个示例性实施例中，一种涡轮翼型件包括：轮叶，轮叶具有在沿弦向相对的前缘和后缘处连接在一起的压力侧壁和吸力侧壁；以及至少一个冷却孔，该至少一个冷却孔邻近前缘布置在压力侧壁与吸力侧壁之间。多个弯曲膜孔在该至少一个冷却孔与轮叶的外部之间延伸。

在另一个示例性实施例中，一种涡轮翼型件包括轮叶和多个膜孔，轮叶具有前缘和后缘以及内部冷却回路，多个膜孔在内部冷却回路与轮叶的外部之间延伸。多个膜孔成形为邻近前缘产生离开膜孔的旋流，由此提高局部对流并且向气路流提供隔离屏障。

在又一个示例性实施例中，一种对涡轮翼型件进行薄膜冷却的方法包括以下步骤：将冷却空气输送至内部冷却回路；以及使冷却空气从内部冷却回路流过多个膜孔，多个膜孔在内部冷却回路与轮叶的外部之间延伸。流动步骤包括使冷却空气在膜孔中打旋并且由此向气路流提供隔离屏障。

附图说明

图1是涡轮翼型件的轮叶部分的透视图；

图2示出了螺旋膜孔的示例性布置；以及

图3示出了双螺旋膜孔。

具体实施方式

薄膜冷却孔或膜孔在现代燃气涡轮机中广泛用于对在涡轮机操作期间暴露于热燃烧气体的涡轮翼型件进行冷却。薄膜冷却孔以若干方式提供对翼型件的冷却。首先，其提供对翼型件表面的薄膜冷却。薄膜冷却通过保持受到温度比操作环境低的流体影响的区域上方的薄流体层对主体或表面进行冷却。流体薄膜将薄膜冷却表面与外部操作环境隔离，由此减少从外部操作环境向翼型件中的对流传热。此外，冷却流体薄膜还从翼型件表面除热。其次，随着冷却空气沿孔的长度流过薄膜冷却孔，薄膜冷却还提供从包绕薄膜冷却孔的翼型件侧壁的对流传热并且对包绕薄膜冷却孔的翼型件侧壁进行冷却。第三，薄膜冷却孔通过提供用于冷却空气的排放路径来除热，该冷却空气随着接着对通过经由翼型件冷却回路对翼型件进行冷却而受热。

图1示出了涡轮翼型件的轮叶部段10。该轮叶包括在沿弦向相对的前缘16和后缘18处连接在一起的压力侧壁12和吸力侧壁14。通过布置在压力侧12与吸力侧14之间的多个冷却通路或冷却孔20限定冷却回路。至少一个冷却孔21定位成邻近前缘16。

已知膜孔或薄膜冷却孔从冷却孔20中的一个或多个冷却孔20延伸至轮叶的外部。薄膜冷却孔典型地成直线并且将冷却空气从冷却孔20引导至轮叶外部。通过继续参照图1并且参照图2，根据优选实施例的翼型件包括多个弯曲膜孔22，多个弯曲膜孔22在冷却孔21与轮叶10的外部之间延伸。即，冷却孔21与轮叶10的外部之间的通路包括弯曲凹槽或扭曲凹槽等，使得流过膜孔22和离开膜孔22的空气转向。用于膜孔的示例性形状可以为螺旋形，但是可以构想出其它的形状，并且本发明并不一定意味着限于附图中所示的布置。通过螺旋形或者其它的弯曲或扭曲形状的膜孔22，出自孔的薄膜流不再具有直接路径，而是以涡流模式离开，从而通过孔使得局部对流提高，并且向气路流提供隔离屏障。

优选地，螺旋膜孔22同时沿顺时针方向和逆时针方向定向。因此，多个螺旋膜孔22中相邻的螺旋膜孔可以沿相反方向定向。这种结构的结果是，离开流以相反的漩涡打旋，进一步提高该设计的有利效果。如图2中所示，在示例性实施例中，螺旋膜孔22中的第一组24可以沿一个方向定向，而第二组26沿相反方向定向。如图所示，第一组24和第二组26可以沿轮叶10的长度交替。在图2中所示的实施例中，第一组24和第二组26中的每一组都包括三个螺旋膜孔22。

在又一个示例性结构中，通过参照图3，螺旋膜孔中的至少一个螺旋膜孔可以包括双螺旋膜孔220。即，膜孔220可以包括两个(或更多个)交错的螺旋凹槽或通路，冷却空气通过所述交错的螺旋凹槽或通路。

具有螺旋膜孔的冷却回路用于改进薄膜冷却、提高薄膜冷却的覆盖率并且总体提高冷却效率。旋流使孔内的局部对流提高并且还向气路流提供隔离屏障。

尽管已经结合当前被认为是最可实践并且优选的实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不限于所公开的实施例，而是相反，期望覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种改型和等同布置。

Claims (18)

1.一种涡轮翼型件，所述涡轮翼型件包括：

轮叶，所述轮叶包括在沿弦向相对的前缘和后缘处连接在一起的压力侧壁和吸力侧壁；

至少一个冷却孔，所述至少一个冷却孔邻近所述前缘布置在所述压力侧壁与所述吸力侧壁之间；以及

多个弯曲膜孔，所述多个弯曲膜孔在所述至少一个冷却孔与所述轮叶的外部之间延伸。

2.根据权利要求1所述的涡轮翼型件，其中所述弯曲膜孔成螺旋形形成螺旋膜孔。

3.根据权利要求2所述的涡轮翼型件，其中所述多个螺旋膜孔沿顺时针方向和逆时针方向定向。

4.根据权利要求2所述的涡轮翼型件，其中所述多个螺旋膜孔中相邻的螺旋膜孔沿相反方向定向。

5.根据权利要求2所述的涡轮翼型件，其中所述螺旋膜孔的第一组沿一个方向定向，且所述螺旋膜孔的第二组沿相反方向定向。

6.根据权利要求5所述的涡轮翼型件，其中所述第一组和所述第二组沿所述轮叶的长度交替。

7.根据权利要求5所述的涡轮翼型件，其中所述第一组和所述第二组中的每一组都包括三个螺旋膜孔。

8.根据权利要求2所述的涡轮翼型件，其中所述多个螺旋膜孔中的至少一个螺旋膜孔包括双螺旋膜孔。

9.一种涡轮翼型件，所述涡轮翼型件包括：

轮叶，所述轮叶具有前缘和后缘，并且包括内部冷却回路；以及

多个膜孔，所述多个膜孔在所述内部冷却回路与所述轮叶的外部之间延伸，所述多个膜孔成形为邻近所述前缘产生离开所述膜孔的旋流，由此提高局部对流并且向气路流提供隔离屏障。

10.根据权利要求9所述的涡轮翼型件，其中所述多个膜孔是螺旋膜孔。

11.根据权利要求10所述的涡轮翼型件，其中所述螺旋膜孔沿顺时针方向和逆时针方向定向。

12.根据权利要求10所述的涡轮翼型件，其中所述螺旋膜孔中相邻的螺旋膜孔沿相反方向定向。

13.根据权利要求10所述的涡轮翼型件，其中所述螺旋膜孔的第一组沿一个方向定向，且所述螺旋膜孔的第二组沿相反方向定向。

14.根据权利要求13所述的涡轮翼型件，其中所述第一组和所述第二组沿所述轮叶的长度交替。

15.根据权利要求13所述的涡轮翼型件，其中所述第一组和所述第二组中的每一组都包括三个螺旋膜孔。

16.根据权利要求9所述的涡轮翼型件，其中所述螺旋膜孔中的至少一个螺旋膜孔包括双螺旋膜孔。

17.一种对涡轮翼型件进行薄膜冷却的方法，所述涡轮翼型件包括轮叶，所述轮叶具有前缘和后缘并且具有内部冷却回路，所述方法包括：

将冷却空气输送至所述内部冷却回路；以及

使冷却空气从所述内部冷却回路流过多个膜孔，所述多个膜孔在所述内部冷却回路与所述轮叶的外部之间延伸，所述流动步骤包括使冷却空气在所述膜孔中打旋并且由此向气路流提供隔离屏障。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述多个膜孔包括螺旋膜孔，并且其中所述流动步骤通过使冷却空气从所述内部冷却回路流过所述螺旋膜孔实现。

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