CN104145086A - 涡轮喷嘴插入件 - Google Patents

Abstract

公开了一种燃气涡轮发动机的涡轮喷嘴插入件(7)。该插入件(7)可包括细长的中空主体部分(9)、形成在所述细长的主体部分(9)的第一端处的凸缘部分(11)和形成在所述细长的主体部分(9)的与所述第一端相对的第二端处的接触部分(13)。

Description

涡轮喷嘴插入件

技术领域

本发明总体上涉及燃气涡轮发动机(GTE)的涡轮喷嘴(涡轮导向装置，turbine nozzle)，更具体地涉及一种用于GTE涡轮喷嘴的插入件。

背景技术

GTE通过从燃料在压缩空气流中燃烧产生的热气体流获取能量来产生动力。一般来说，涡轮发动机具有位于上游的空气压缩机，该空气压缩机联接到位于下游的涡轮，在空气压缩机和涡轮之间设有燃烧腔室(“燃烧室”)。当压缩空气和燃料的混合物在燃烧室中燃烧时释放能量。在典型的涡轮发动机中，一个或多个燃料喷射器将液态或气态烃燃料引导到燃烧室中用于燃烧。所产生的热气体被引导经过涡轮的叶片并使涡轮旋转和产生机械动力。

在高性能GTE中，使用压缩空气的一部分来冷却暴露于热气体流的GTE部件，例如涡轮部件。GTE包括用于接收压缩空气的所述部分的冷却通道和冷却流，以提高GTE内的各部件的可靠性和循环寿命。GTE的部件、如固定的涡轮导向叶片(通常被称为涡轮喷嘴)被布置成使得压缩空气的所述部分流过涡轮喷嘴的多个内部冷却通道。

授予Devore等人的美国专利申请公开No.2010/0054915('915专利文献)描述了一种用于燃气涡轮发动机的叶型件的叶型件插入件。根据'915专利文献中所述的设备，该叶型件插入件允许涡轮叶型件的暴露于高温工作流体流的内表面的对流冷却。在'915专利文献中描述的插入件的一个实施例包括形成在插入件壁的外部上的、在叶型件的冷却通道的横截面区域内延伸的间隔片。

发明内容

一方面，本发明公开了一种用于叶型件(叶片，airfoil)的插入件。所述插入件可包括细长的中空主体部分、形成在所述细长的主体部分的第一端处的凸缘部分以及形成在所述细长的主体部分的与所述第一端相对的第二端处的接触部分。

另一方面，本发明公开了一种燃气涡轮发动机的涡轮喷嘴。所述涡轮喷嘴可包括在涡轮喷嘴内形成的多个气流通道和布置在所述多个气流通道中的一个通道内的插入件。该插入件可包括沿着所述多个通道中的一个的长度延伸的细长的中空主体部分、形成在所述细长的主体部分的第一端处并从所述多个通道中的一个延伸出的凸缘部分和形成在所述细长的主体部分的与所述第一端相对的第二端处的接触部分。

又一方面，本发明公开了一种制造或重新制造具有多个内部通道的涡轮喷嘴的方法。该方法可包括提供插入件，所述插入件具有细长的中空主体部分、形成在所述细长的主体部分的第一端处的凸缘部分以及形成在所述细长的主体部分的与所述第一端相对的第二端处的接触部分。该方法还可包括将所述接触部分插入所述多个通道中的一个中，以及将所述凸缘部分固定至所述涡轮喷嘴。

附图说明

图1是GTE的涡轮喷嘴的等距视图；

图2是包括喷嘴插入件的GTE的涡轮喷嘴的剖视图；

图3是喷嘴插入件的等距视图；

图4是图2的喷嘴插入件沿线4-4截取的放大剖视图；

图5是图2的喷嘴插入件沿线5-5截取的放大剖视图；

图6是图2的喷嘴插入件沿线6-6截取的放大剖视图；

图7是图2的喷嘴插入件沿线7-7截取的放大剖视图；

图8是图1的涡轮喷嘴沿线8-8截取的剖视图；和

图9是示出制造具有插入件的涡轮喷嘴的方法的流程图。

具体实施方式

图1是GTE的涡轮喷嘴1的视图。来自例如轴向GTE的GTE(未示出)的燃烧室部段的气体可流过GTE的涡轮部段的固定结构。所述固定结构可包括多个固定的导向叶片或涡轮喷嘴1，以引导来自GTE的燃烧室部段的空气流。如在下文中更详细地描述的，涡轮喷嘴1可以是具有能够接收和导向或引导例如冷却空气的流体流的内部通道的叶型件。

图2示出了例如涡轮喷嘴1的叶型件的剖视图，其中包括插入件7。涡轮喷嘴1可以是GTE(未示出)的第一级涡轮组件的常规涡轮喷嘴。涡轮喷嘴1是具有前缘3和尾缘5的叶型件，其中前缘3设置于来自GTE(未示出)的燃烧室部段的空气流中，处于尾缘5的上游。涡轮喷嘴1包括多个内部空气流冷却通道，压缩的冷却空气100的一部分可以通过该通道流动。例如，图2的涡轮喷嘴1包括与前缘3相邻的第一通道25、第二通道27、第三通道29和与尾缘5相邻的第四通道31。所述通道可以分别由形成涡轮喷嘴1的多个壁限定，例如，涡轮喷嘴的第一、第二、第三和第四侧壁39、41、43和45以及涡轮喷嘴的上壁47和涡轮喷嘴的下壁49。在一些实例中，涡轮喷嘴1可设置有布置成在任何方向或多个方向上通过涡轮喷嘴1的内部空间的多于或少于四个内部冷却空气流通道。

如图2所示，插入件7包括细长的主体部分9，当插入件7被布置在第一通道25内时，所述主体部分9沿着第一通道25的至少一部分长度延伸。当插入件7被布置在第一通道25内时，在插入件主体部分9与第一和第二侧壁39和41之间可分别存在间隙21。此外，在插入件7的出口17和第一通道25的出口51之间可以存在空间。虽然图2示出了布置在第一通道25内的、与涡轮喷嘴1的前缘3相邻的插入件7，但是插入件7也可以布置在例如第二通道27中或能够接收所述插入件7的任何附加通道中。

当插入件7如图2所示布置在第一通道25内时，插入件7可以在固定位置23处被固定至第一通道25的顶部部分。具体地，插入件7的一个端部可包括入口15和凸缘11以允许插入件7在固定位置23处被固定在第一通道25内。凸缘11可包括比插入件主体9更宽的大致直的部分10，如将在下面更详细地描述的，其中，所述直的部分10大致平行于插入件的主体9延伸。如图2所示，凸缘11还可包括朝向插入件7的主体9以预定角度渐缩的锥形部分12。在一些实施例中，锥形部分12可以以相对于与凸缘11的直的部分10平行的线成10和20度之间的角度渐缩。在其它实施例中，凸缘11可以以小于10度或大于20度的角度渐缩。凸缘11可通过例如激光焊接或钎焊的焊接被分别固定至喷嘴1的一部分，例如分别固定至第一和第二侧壁39和41。如图2所示，凸缘11可以从第一通道25延伸到第一通道25外侧的一个位置。

插入件7的与凸缘11相对的另一端18(在本文中称为“自由端”)可自由地布置在第一通道25内。本文使用的“自由地布置”可指部件或部件的一部分未被固定至另一部件。自由端18包括出口17和接触部分13，将在下文中更详细地描述。接触部分13接触内壁53和55并在第一通道25内支承插入件7(图8)。

图3示出了与涡轮喷嘴1分开的喷嘴插入件7的视图。在一些实施例中，插入件7由金属、例如金属板制成。如图3所示，插入件7具有中空的内部和总长度200。该长度200可小于插入件7如图2所示被布置于其中的涡轮喷嘴的内部流动通道的长度。然而，在其它实施例中，插入件7的长度200可以基本上等于或大于插入件7设置于其中的涡轮喷嘴的内部流动通道、例如第一通道25的长度。虽然插入件7的总长度200可以根据涡轮喷嘴1的尺寸为任何长度，但在一个示例性实施例中，总长度200在大约10.541和10.643cm(4.150和4.190英寸)之间。此外，凸缘11的直的部分10具有在与总长度200相同的方向沿插入件7的长度延伸的凸缘长度300。虽然凸缘长度300可以根据插入件7的尺寸为任意长度，但在一个示例性实施例中，凸缘长度300在大约0.406和0.508cm(0.160和0.200英寸)之间。

如图3所示，以及下面更详细地描述的，接触部分13(也可以称为“肋”、“凸耳”或“支架”)可以在插入件7的相对的两侧上包括两个突出部。接触部分13可以是可变形的，并且可以具有圆形形状，例如，如图3所示，接触部分13可包括可变形的柱形形状的部分。此外，在替代实施例中，可提供多个接触部分13。

现在将描述图4-7，其示出了图3所示的插入件7的各个剖视图。在沿图3的线4-4截取的图4中，示出了插入件7的具有接触部分13的自由端18。如图4(以及图5和6)所示，插入件7具有可称为“弯曲”或“弓形”的剖面形状。弯曲或弓形形状的插入件7可以关于经过接触部分13的中点的线对称。图4的剖视图还示出了插入件7的主体部分9的宽度400(即插入件7的第一宽度)。在一些实施例中，宽度400可以是大约1.156cm(0.455英寸)。图4(以及图5-7)还示出了插入件7的厚度700，其可以是对于整个插入件7都均匀的厚度700。在一个实施例中，厚度700可以是大约0.381±0.051mm(0.015±0.002英寸)。

图4还示出了接触部分13的圆形形状，其可以布置在插入件7的主体部分9的宽度400的中央。在一些实施例中，接触部分13可以具有预定的宽度600，其小于主体部分9的宽度400的约三分之一。因此，对于大约1.156cm(0.455英寸)的宽度400，宽度600可以是大约0.386cm(0.152英寸)。当接触部分13设置成圆形形状时，例如柱面形状时，接触部分13可以具有预定的直径900(图4和7)。在一个实施例中，直径900可以是大约0.274cm(0.108英寸)。柱面形状的周长在图4中以虚线示出。

沿图3的线5-5截取的图5示出了插入件7的主体部分的剖视图。图5示出了插入件的不存在接触部分13的部分。沿图3的线6-6截取的图6示出了插入件7的凸缘11的在入口15处的端部的剖视图。图6所示的剖面与图5所示的剖面相似；然而，插入件7在凸缘11的端部处的宽度大于在该插入件7的主体部分9处的宽度。插入件在入口15处的凸缘11的宽度(即插入件7的第二宽度)500可以是大约1.232cm(0.485英寸)。

沿图3的线7-7截取的图7示出了图3的沿着线7-7的剖视图。如图7所示，接触部分13具有长度800。在一些实施例中，接触部分的长度800可小于插入件7的总长度200的大约十分之一。因此，对于在大约10.541和10.643cm(4.150和4.190英寸)之间的插入件总长度200，接触部分的长度800可以在大约1.054和1.064cm(0.415和0.419英寸)之间。在一个示例性实施例中，接触部分的长度800可以是大约0.635±0.5cm(0.250±0.2英寸)。

图8示出了图2的涡轮喷嘴沿线8-8截取的剖视图。涡轮喷嘴1包括压力侧35和与压力侧35相对的吸力侧37。压力侧35和吸力侧37两者都布置在前缘3和尾缘5之间。在图8中，插入件7的具有接触部分13的部分示出为处于涡轮喷嘴1的第一通道25内。如以上所提到的，接触部分13与第一通道25的内壁53和55相接触，例如直接接触。本文使用的“直接接触”是指在接触部分13与内壁53和55之间没有空间或额外的部件。如图8所示，插入件7和涡轮喷嘴1的形成第一通道25的壁之间有空间。该空间包括如上所述的图2所示的间隙21。

工业实用性

所描述的系统可以适用于GTE的涡轮喷嘴。此外，虽然该系统已关于第一级涡轮组件中的涡轮喷嘴进行描述，但该系统也可以应用到GTE的涡轮部段的任何级中的任何涡轮喷嘴。该构造可以是GTE的涡轮部段中的可采用冷却的其余涡轮级的典型构造。此外，尽管上面提到的插入件已经关于涡轮喷嘴进行描述，但该插入件可适于与在GTE的涡轮部段中的任何级中的任何叶型件、例如涡轮叶片适配。此外，该插入件系统可以施用于任何其他喷嘴或隔离管的应用以用于隔离在喷嘴或管内流动的冷却空气。此外，所描述的冷却系统可以施用于各种工业，例如，涡轮制造、热交换、能量或航空航天。

下面的操作将针对GTE的涡轮喷嘴；然而，通过其它叶型件或管状设备的空气流可以是类似的。

图9示出了制造或重新制造具有插入件的涡轮喷嘴的方法。在步骤150中，提供具有接触部分的涡轮喷嘴插入件。该插入件可以由例如金属管的管部段形成，其厚度等于所需的插入件7的厚度。为了形成插入件7，可以形成至少一个模具以允许一次压成插入件7的适当形状。在一些实施例中，可以采用多个模具以在多个步骤中形成插入件7。用于形成插入件7的至少一个模具被定制，因此插入件7能够被压制成具有适当的尺寸，例如凸缘长度以及接触部分的宽度、长度和直径。该插入件可以由具有大约0.813cm(0.320英寸)的初始外径的一定长度的管状件压制成和形成。在一个实施例中，厚度等于所述插入件7的厚度的Inconel^TM600无缝管可被压制以形成插入件7。

为了组装所形成的插入件与涡轮喷嘴1，在步骤250中，可以将插入件7插入涡轮喷嘴1的通道、例如第一通道25中。插入件7的具有接触部分13的自由端18被首先插入第一通道25，并且插入件7被压入第一通道25，直到凸缘11、特别是凸缘11的锥形部分12阻止进一步插入。一旦插入件7如图2所示被完全插入第一通道25，则在步骤350中，例如通过诸如如上所述的激光焊接或钎焊的焊接将凸缘11固定至喷嘴，但也可采用替代的固定技术。

参见图2的涡轮喷嘴1，当在GTE中投入运行时，在第一流中，冷却空气100流入插入件7的入口15并通过流经插入件7的中空内部而流过第一通道25。第一流中的冷却空气100随后从插入件7的出口17流出，通过第一通道25的任何剩余长度，并从第一通道25的出口51流出。冷却空气100通过第一通道25中的插入件7的流动冷却了至少与前缘3相邻的一部分涡轮喷嘴1。在可以与第一流同时发生的第二流中，冷却空气100通过入口28流入第二通道27。第二流中的冷却空气100然后以蜿蜒的方式经第三通道29和第四通道31朝着涡轮叶片1的尾缘5流动，并通过经布置于邻近尾缘5的孔19流出第四通道31而从涡轮喷嘴1的内部流出。通过涡轮喷嘴1的内部通道的冷却空气100的第二流也有利于涡轮喷嘴1的冷却。

插入件7有助于防止GTE部件由于高温而受到侵蚀。涡轮喷嘴1的形成第一通道25的壁与插入件7之间的空间(包括间隙21)是停滞的，即，没有空气通过该空间流动。如上所述的，冷却空气100流过插入件7的内部。因此，涡轮喷嘴1的形成第一通道25的壁与插入件7之间的空间(包括间隙21)提供了喷嘴壁与流经插入件的冷却空气100之间的隔离层，其有助于使冷却空气100维持在较低温度。因此，上述插入件可以帮助防止GTE部件由于高温而损耗。

此外，由于有冷空气流经的插入件7与暴露于来自GTE(未示出)的燃烧室的热气流的涡轮喷嘴1之间存在热力差(也称为热失配)，因此允许插入件7的自由端18热膨胀。由于插入件7的自由端18未被固定在涡轮喷嘴1的第一通道25内，因此，当插入件7被布置在第一通道25内时，允许在沿着插入件7的长度方向上发生一些移动，从而防止喷嘴-插入件组件由于热膨胀而损坏。虽然自由端18未被固定在第一通道25内，但接触部分13限制了插入件7在垂直于插入件7的长度的方向上的运动。因此，接触部分13防止插入件7在第一通道25内的振动，即悬臂振动。

此外，提供接触部分13减小了插入件7的自由端18与涡轮喷嘴1的内部空气流通道的内壁接触的表面积。这种接触表面积的减小使得插入件7容易组装在涡轮喷嘴1内，即，插件7易于插入涡轮喷嘴1内。此外，可变形的接触部分13可允许插入件7与涡轮喷嘴1的通道的内壁之间的过渡配合，例如过盈配合或滑动配合，从而使涡轮喷嘴1的通道可容纳插入件7。如上所述的接触部分的预定直径可能是重要的，以便提供插入件7在涡轮喷嘴1的通道内的适当装配。此外，上述喷嘴插入件7可以设置成一个尺寸适合所有部件，从而与例如GTE中任何级的任何涡轮喷嘴适配。

虽然接触部分13已被描述为具有柱面形状、例如弯曲的肋，但该接触部分13并不限定于这样的形状。例如，在一些情况下，接触部分13可具有球面形状，例如球面的突出部。然而，在可能不方便制造以形成球面形状的接触部分13的情况下，也可以形成柱面形状的接触部分13。

对本领域技术人员来说将显而易见的是，可以对所公开的涡轮冷却系统进行各种修改和变型。通过考虑所公开的系统和方法的说明书和实践，其他实施例对本领域技术人员来说将显而易见。本发明的说明书和实施例应当认为仅是示例性的，本发明的实际范围由以下权利要求及其等同方案给出。

Claims (10)

1.一种用于叶型件的插入件(7)，包括：

细长的中空主体部分(9)；

形成在所述细长的主体部分的第一端处的凸缘部分(11)；和

形成在所述细长的主体部分的与所述第一端相对的第二端处的接触部分(13)。

2.根据权利要求1所述的插入件，其中，所述主体部分的所述第一端和所述第二端是开放的，并且所述插入件构造成允许空气流在所述第一端和所述第二端之间流经所述插入件。

3.根据权利要求1所述的插入件，其中，所述接触部分包括多个圆形的突出部，第一突出部形成在所述插入件的第一侧上，第二突出部形成在所述插入件的与所述第一侧相对的第二侧上。

4.根据权利要求1所述的插入件，其中，所述接触元件的宽度(600)小于所述主体部分的宽度(400)的三分之一。

5.根据权利要求1所述的插入件，其中，所述接触部分形成在所述主体部分的宽度的中间。

6.根据权利要求1所述的插入件，其中，所述接触部分沿所述主体部分朝向所述第一端延伸。

7.根据权利要求7所述的插入件，其中，所述接触部分的长度(800)小于所述插入件的总长度(200)的十分之一。

8.一种制造或重新制造具有多个内部通道(25，27，29，31)的涡轮喷嘴(1)的方法，所述方法包括：

提供插入件，该插入件包括：

细长的中空主体部分；

形成在所述细长的主体部分的第一端处的凸缘部分；和

形成在所述细长的主体部分的与所述第一端相对的第二端处的接触部分；

将所述接触部分插入所述多个通道中的一个中；和

将所述凸缘部分固定至所述涡轮喷嘴。

9.根据权利要求17所述的方法，其中，所述接触部分被插入所述多个通道中的所述一个中，直到所述凸缘部分接触所述涡轮喷嘴的外部部分。

10.根据权利要求17所述的方法，其中，通过利用至少一个模具压制一管件以形成插入件来提供所述插入件。