CN103790641B - 涡轮机叶片尖端罩 - Google Patents

Abstract

一种在涡轮机叶片（10）中使用的尖端罩件（100）。尖端罩件（100）可包括冷侧（60），及定位在冷侧（60）上的许多销（110）。

Description

涡轮机叶片尖端罩

本申请是于2006年6月16日提交的中国专利申请(中国国家申请号为200610092804.4，发明名称为“涡轮机叶片尖端罩”)的分案申请。

技术领域

本发明整体涉及一种涡轮发动机，尤其涉及涡轮机叶片尖端冷却。

背景技术

在燃气涡轮发动机中，空气在压缩机内增压、在燃烧室内与燃料混合并点燃，从而产生热燃烧气体。此气体流过涡轮机级，其从气体中吸取能量，用于为压缩机提供动力并产生有用功。

涡轮机级包括一排涡轮机叶片，其从支撑转子盘向外延伸。每个叶片包括翼片，燃烧气体从该翼片上流过。翼片通常是中空的，并提供有排放自压缩机的空气，在运转期间用作为冷却介质。翼片需要冷却，从而经受燃烧产生的高温。冷却不足可导致翼片上的破坏应力，其长期可能导致或促使疲劳。现有的冷却结构包括空气冷却、开路冷却、闭路冷却以及气膜冷却。

必须冷却暴露在热气流下的叶片的所有区域。由于三维流动转向和伪冲击，根据增强的传热系数，叶片内部尖端转向区域、特别是尖端罩，通常使用自然增大的平滑内表面。气膜冷却和尖端放气孔的使用能够增强这些区域的冷却，但其受限于开路的空气冷却设计。在所有的设计中，内部对流冷却是主要的冷却方法。由于次级流体的径向内流运动，在尖部转向区域转向流动诱导的次级流体可起到减小所提及的自然冷却增大。

另一个冷却方法包括在主相邻壁（在翼片压力和吸力表面的内部）上穿过转向区域来放置湍流器，从而在所有表面上提供热传递增大。这些湍流器并不放置在尖端罩表面的自身上。其他设计在转向路径上使用转向轮叶，以进一步将冷却流指向尖端罩表面，或避免角落处的低速率气流。这些转向轮叶定位于压力和吸力端内表面之间，作为连接元件，同样不是在尖端罩表面上。

因此，对于涡轮机叶片尖端或尖端罩需要改进的冷却。改进可适用于闭路和开路尖端。

发明内容

本申请因而描述了在涡轮机叶片中使用的尖端罩件。尖端罩件可包括冷侧和许多定位在冷侧上的销。

销可由例如基于镍或基于钴的合金的材料构成。销的每一个可以包括底部嵌条（fillet）和伸长的顶部。销可具有大约为2到大约为4的高度与直径的比率。销可具有大约0.02英寸（约0.5毫米）到大约0.10英寸（约2.5毫米）的高度，具有包括嵌条的大约为高度的2倍到大约4倍的底部宽度。

该许多销可以以交错排列来定位。销可以沿对角线彼此相距大约0.1英寸（约2.5毫米）来定位。销可具有大约为4的销间隔与直径的比率。

冷侧可包括没有任何销的外围区域。冷侧可包括定位于其上的肋。

本申请进一步描述了在涡轮机叶片中使用的尖端罩件。尖端罩件可包括冷侧和许多定位在冷侧上的销。每一个销可包括底部嵌条、伸长的顶部以及大约为2到大约为4的高度与直径的比率。

销可具有大约0.02英寸（约0.5毫米）到大约0.10英寸（约2.5毫米）的高度，具有包括嵌条的大约为高度的2倍到大约4倍的底部宽度。

销可以以交错排列来定位。销的每一个可以沿对角线彼此相距大约0.1英寸（大约2.5毫米）来定位。销可具有大约为4的销间隔与直径的比率。

本申请进一步描述了在涡轮机叶片中使用的尖端罩件。尖端罩件可包括许多销和定位于销内的肋。销的每一个可包括底部嵌条和伸长的顶部。销可具有大约为2到大约为4的高度与直径的比率。销可以以交错排列来定位，具有大约为4的销间隔与直径的比率。

一旦连同附图和后附权利要求书一起审阅了以下优选实施例的详述，本发明的这些和其他特性对本领域中的普通技术人员来说将是显然的。

附图说明

图1是在此使用的涡轮机叶片的透视图。

图2是在此使用的涡轮机叶片的侧面剖视图。

图3是图2的涡轮机叶片内的内部通道的侧面剖视图。

图4是具带有尖端罩件的涡轮机叶片的顶部平面图。

图5是在此描述的尖端罩件的顶部平面图。

图6是在此使用的销排列的顶部平面图。

图7是图6的销排列的侧面剖视图。

图8是带有中心肋的销排列的替代实施例。

具体实施方式

现在参考附图，其中同样的数字在几个视图中都代表同样的零件，图1描述了涡轮机叶片10的实例。叶片10优选地作为超合金的单件铸件而形成。涡轮机叶片10包括传统的燕尾榫12。燕尾榫12接附到传统的转子盘（图中未示）上。叶片柄14从燕尾榫12处向上延伸，并且中止于平台16，平台16从叶片柄14处向外突出并且围绕叶片柄14。

中空翼片18从平台16向外延伸。翼片18在与平台16的接合处具有根部20，而在其外端处具有尖端22。翼片18具有在前缘28和后缘30处连接在一起的凹入压力侧壁24和凸出吸力侧壁26。然而，翼片18可以采取任何适合于从热气流吸取能量并导致转子盘旋转的结构。翼片18可包括许多后缘冷却孔32和许多前缘冷却孔33。尖端罩34可以封闭翼片18的尖端22。尖端罩34可以与翼片18成一整体，或单独形成并接附到翼片18上。声响器（squealer）尖端36可以从尖端罩34处向外延伸。

图2显示了与本发明一起使用的翼片18的侧面剖视图。然而，在此可以使用许多翼片设计。如所示，翼片18具有许多内部冷却路径40。翼片18可以空气冷却、蒸气冷却、开路或闭路。如在图3中所示，冷却路径40可包括位于尖端罩34附近的内部尖端转向区域42。内部路径40可以是或可以不是管状的。在开路、空气冷却的设计中，气膜冷却和尖端流体孔可定位于内部尖端转向区域42附近。

图4-5显示了在此所描述的尖端罩件100的使用。尖端罩件100可以定位于尖端罩34附近的内部尖端转向区域42中的一个内。如所示，尖端罩件100可以包括暴露在热气中的热端50及冷侧60。虽然可以使用任何理想的尺寸或形状，但典型的尖端罩件100的大小可以为大约1.2英寸（大约3厘米）乘1.4英寸（大约3.5厘米），并且具有大约0.1英寸（大约2.5厘米）的厚度。（这些尺寸适用于大功率涡轮机叶片。较小的尺寸适用于较小的涡轮机）。尖端罩件100装配在尖端罩34内，并且可通过焊接、钎焊或其他类型的传统方法来接附。

如图6-7中所示，尖端罩件100可包括许多定位于冷侧60上的尖端罩销110。销110优选地由例如基于镍或基于钴的高温、高强度合金材料制成。每个销110可包括底部嵌条120和顶部130。顶部130可以是成圆角的。销110可具有不同的截面形状，虽然圆形和长圆形是优选的。销110优选地具有大约为2到大约为4的高度与直径的比率。例如，销110在顶部130处可具有大约为0.035英寸（约0.9毫米）的截面直径，并具有大约为0.070英寸（约1.75毫米）的高度。销高度可以在大约0.02英寸（约0.5毫米）到大约0.10英寸（约2.5毫米）或更大的范围内变动，包括嵌条120的相应的底部宽度具有大约为高度的2倍到大约4倍之间的尺寸，或者说大约0.040至大约0.08英寸（约1.016至约2.032毫米）。

销110可以通过以下方式制造：（1）单独形成包含增大表面的尖端罩件100，随后焊接、钎焊或连接，使得尖端罩件100的冷侧60和尖端罩34排列成一个件，或（2）整体铸造叶片铸件内的增大表面。对于单独部件以及铸件尖端的敞口部分，表面可以铸造，通过例如EDM（放电加工）的方法来加工，或通过CNC进行传统研磨。在此可使用其他制造方法。

销110可以如所示的以交错排列或以任何理想结构来定位。例如，销110的顶部130可以沿对角线彼此间隔大约0.10英寸（约2.5毫米）。有效销间隔与直径的比率可以是大约4。销110的尺寸和定位可以变化。通过加入更多销110来减少销110之间的间隔，实际上减小了总的热流量增加。销110更窄的间隔可减少单个尾流区域的形成和强度，以及伴随的对于热传递的好处。

如在图6中所示，销110可定位于尖端罩件100的中心（或带有适当位置的尖端罩100的完整的尖端转向区域42的中心）附近，从而留下外围区域140。虽然销放置的总区域减小了，热流量增加在具有销的区域中和附近大约保持相同。可以使用没有销110的外围区域140（其为铸件的部分），使得尖端罩件100可以焊接或钎焊到尖端罩34内。

图8显示了尖端罩件100的替代实施例。在此实施例中，肋150可定位于销110内。肋150用来给尖端罩件100提供额外的机械强度。肋150可以采取任何理想形状。可以使用多于一个的肋150。肋150可在叶片弦方向延伸。肋150可以整体形成于尖端罩件100的冷侧60中。

在使用中，大约2至4的短高度与直径的比率，使销110和底部嵌条120的表面区域的大部分为有效的热传递润湿区域，大约90%至大约70%。销110在内部尖端转向区域42上的放置，允许冲击和横向流对流相结合。该结合在局部水平上产生流动混合和湍流，并作为排列相互作用。流动表面的相互作用起到干扰次级流体的作用，否则次级流体将减少热传递。此外，销110的顶部130提供了有效的剪切流体和湍流，其能够进一步影响尖端罩34的冷侧60上的热传递。结果显示：相对于同样转向几何形状中的平滑表面的热流量，能够得到为2.25的冷却热流量增大。和非增大表面相比，可以实现大于70%的相邻焊接区域的传热系数的增加。通常没有与这些增大相关的压力损失代价。

通常，和平滑表面结果相比，增大表面系数为大约2倍或更高。如图6所示，即使有限放置销110，仍然达到大约为2的热传递增大。

这应当是显然的：前述只涉及本发明的优选实施例，在不偏离由后附的权利要求书和其等效物所限定的本发明的总的精神实质和范围的情况下，在此可以进行很多改变和改动。

零件表

10　涡轮机叶片

12　燕尾榫

14　叶片柄

16　平台

18　翼片

20　根部

22　尖端

24　凹入压力侧壁

26　凸出吸力侧壁

28　前缘

30　后缘

32　后缘冷却孔

33　前缘冷却孔

34　尖端罩

36　声响器尖端

40　内部冷却路径

42　内部尖端转向区域

100　尖端罩件

110　尖端罩销

120　底部嵌条

130　顶部

140　外围区域

150　肋

Claims (16)

1.一种在涡轮机叶片中使用的系统，所述涡轮机叶片具有冷却路径，所述系统包括：

尖端罩，用于封闭所述涡轮机叶片的尖端；

至少部分地封闭所述冷却路径的尖端罩件，所述尖端罩件包括定位成邻近所述冷却路径的冷侧，其中所述尖端罩件装配并接附在所述尖端罩内；以及

作为排列定位在至少所述冷侧的中央部分上的多个自由销，每个销直接地接附至所述冷侧的表面并且延伸到所述冷却路径中，每个销完全地由邻近所述冷侧的空气间隙所围绕；

其中，每个销具有底部嵌条、顶部、和2至4的高度与直径的比率，以使得每个销和底部嵌条的表面区域的大部分为有效的热传递润湿区域。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个销包括基于镍或基于钴的合金。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个销中的每一个均包括0.02英寸(约0.5毫米)到0.10英寸(约2.5毫米)的高度，并且底部宽度为高度的2倍到4倍。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个销包括交错的排列。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个销中的每一个均包括沿对角线彼此相距0.1英寸(约2.5毫米)的位置。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个销包括为4的销间隔与直径的比率。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述冷侧包括没有所述多个销的外围区域。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括定位于所述排列内的肋，所述肋直接地接附至所述冷侧的表面。

9.一种在涡轮机叶片中使用的系统，所述涡轮机叶片具有冷却路径，所述系统包括：

尖端罩，用于封闭所述涡轮机叶片的尖端；

至少部分地封闭所述冷却路径的尖端罩件，所述尖端罩件包括定位成邻近所述冷却路径的冷侧，其中所述尖端罩件装配并接附在所述尖端罩内；以及

作为排列定位在至少所述冷侧的中央部分上的多个自由销，每个销直接地接附至所述冷侧的表面并且延伸到所述冷却路径中，每个销完全地由邻近所述冷侧的空气间隙所围绕；

其中，所述多个销中的每一个均包括底部嵌条、伸长的顶部，以及为2到为4的高度与直径的比率，以使得每个销和底部嵌条的表面区域的大部分为有效的热传递润湿区域。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述多个销中的每一个均包括0.02英寸(约0.5毫米)到0.10英寸(约2.5毫米)的高度，并且底部宽度为高度的2倍到4倍。

11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述多个销包括交错的排列。

12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述多个销中的每一个均包括沿对角线彼此相距0.1英寸(约2.5毫米)的位置。

13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述多个销包括大约为4的销间隔与直径的比率。

14.一种在涡轮机叶片中使用的系统，所述涡轮机叶片具有冷却路径，所述系统包括：

尖端罩，用于封闭所述涡轮机叶片的尖端；

至少部分地封闭所述冷却路径的尖端罩件，所述尖端罩件包括定位成邻近所述冷却路径的冷侧，其中所述尖端罩件装配并接附在所述尖端罩内；以及

作为排列定位在至少所述冷侧的中央部分上的多个自由销，每个销直接地接附至所述冷侧的表面并且延伸到所述冷却路径中，每个销由邻近所述冷侧的空气间隙所围绕；以及

定位于所述排列内并且直接地接附至所述冷侧的表面的肋；

其中，每个销具有底部嵌条、顶部、和2至4的高度与直径的比率，以使得每个销和底部嵌条的表面区域的大部分为有效的热传递润湿区域。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述多个销包括交错的排列。

16.根据权利要求14所述的系统，其中，所述多个销包括为4的销间隔与直径的比率。