CN104379873A - 涡轮翼型件装置及相应方法 - Google Patents

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Abstract

涡轮翼型件装置(10，110)，包括：翼型件(18，118)，其包括在前缘(24，124)和后缘(26，126)处联结在一起的凹形压力侧壁(20，120)和凸形吸力侧壁(22，122)；端壁(16，116)，其在翼型件的一个展向端部处从翼型件(18，118)侧向向外突出，该端壁(16，116)具有面向翼型件(18，118)的外表面(42，142)和相对的内表面(40，140)；增压室(44，144)，其被限定在端壁(16，116)内、内表面(40，140)与外表面(42，142)之间，其中增压室(44，144)在平面图中分叉、具有至少两个分支，每一个分支都具有布置于其上游端部处的喉(2，4，102，104)；以及至少一个膜冷却孔(48，148)，其通过外表面(42，142)并且与增压室(44，144)连通。

Description

涡轮翼型件装置及相应方法
背景技术
本发明涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地，涉及用于冷却涡轮翼型件的端壁的方法和装置。
在燃气涡轮发动机中，热气体离开燃烧器并且被涡轮利用以用于转换成机械能。该机械能驱动上游高压压缩机。涡轮包括多行叶片，该多行叶片由涡轮转子承载、与静止喷嘴的行交替。涡轮叶片和喷嘴经受腐蚀性、高温燃烧气体流。这些“热部段”部件典型地由相对低温的冷却剂流来冷却，例如从压缩机提取(放出)的空气。
随着现代燃气涡轮发动机中的涡轮进口温度继续升高，热部段部件的端壁(即涡轮叶片平台以及喷嘴带)变得更加难以通过传统的技术来冷却。此外，例如端壁造型的先进的气动特征在保持可接受的材料温度上施加了额外的压力。
当前的现有技术是穿过端壁钻取膜孔，以由部件下方的冷却空气来进给所述膜孔。因此，孔仅能够设置于能够被完全钻到另一侧或者气体路径压力足够低的某些区域处，这是由于进给这些孔的冷却空气压力大大低于翼型件冷却空气。
一些设计使用将压缩机放出空气进给到膜冷却孔的中空平台，但是这些设计通常不适于基于不同的操作条件来提供不同的冷却孔图案。
因此，需要具有改进的冷却的涡轮翼型件平台。
发明内容
该需要由本发明解决，本发明提供其中铸造有冷却回路的涡轮翼型件。该冷却回路能够包括多种冷却孔的图案。
根据本发明的一个方面，提供一种涡轮翼型件装置，该涡轮翼型件装置包括：翼型件，该翼型件包括在前缘并且在后缘处联结在一起的凹形压力侧壁和凸形吸力侧壁；端壁，该端壁在所述翼型件的一个展向端部处从翼型件侧向向外地突出，该端壁具有面向翼型件的外表面和相对的内表面；增压室，该增压室被限定在端壁内、内表面与外表面之间，其中增压室在平面图(plan view)中分叉、具有至少两个分支，每一个分支都具有布置于其上游端部处的喉；以及至少一个膜冷却孔，该至少一个膜冷却孔通过外表面并且与增压室连通。
根据本发明的另一个方面，提供一种制造涡轮翼型件装置的冷却孔图案的方法，该涡轮翼型件装置包括：翼型件，该翼型件包括在前缘并且在后缘处联结在一起的凹形压力侧壁和凸形吸力侧壁；端壁，该端壁在所述翼型件的一个展向端部处从翼型件侧向向外地突出，该端壁具有面向翼型件的外表面和相对的内表面；以及增压室，该增压室被限定在端壁内、内表面和外表面之间，其中增压室在平面图中分叉、具有至少两个分支，每一个分支都具有布置于其上游端部处的喉；该方法包括机加工穿过外表面，以便限定与增压室连通的至少一个膜冷却孔。
附图说明
本发明可以通过参照下文结合附图的描述得以最佳理解，在附图中：
图1是根据本发明的方面构造的涡轮叶片的示意性透视图；
图2是沿图1的线2-2截取的视图；
图3是图2中所示的涡轮叶片的局部剖视图；
图4是根据本发明的方面构造的涡轮喷嘴的示意性透视图；以及
图5是沿图4的线5-5截取的视图。
具体实施方式
参照附图，其中相同的附图标记在全部多幅附图中表示相同元件，图1示出了示例性的涡轮叶片10。涡轮叶片10包括传统的燕尾榫12，该燕尾榫12可以具有任何合适的形式，包括与位于转子盘(未示出)中的燕尾榫槽的互补柄脚(tang)相接合的柄脚，以用于在操作期间旋转时将叶片10径向地保持于盘。叶片柄14从燕尾榫12径向向上地延伸并且终止于平台16，该平台16从柄14侧向向外地突出并且包绕柄14。平台16可以被认为是一种“端壁”。中空翼型件18从平台16径向向外地延伸并且延伸到热气体流中。翼型件18具有在前缘24和后缘26处联结在一起的凹形压力侧壁20和凸形吸力侧壁22。翼型件18从根部28延伸至尖端30，并且可以呈适于从热气体流提取能量并且使转子盘旋转的任何构造。压力侧壁20和吸力侧壁22径向向外地延伸超过尖端帽32，以限定大体被称为“声响器尖端”(squealer tip)的结构。
叶片10可以形成为合适的高温合金的一件式铸件，该高温合金例如为镍基高温合金，其在燃气涡轮发动机中的升高的操作温度下具有可接受的强度。翼型件18的至少一部分可以涂覆已知类型的保护性涂层，例如抵抗环境的涂层、热障涂层、或者二者。
翼型件12的内部是中空的并且可以包括多种已知的冷却构造中的任一种，例如包括其中形成有例如扰流器的多种结构以用于改进冷却空气效率的平行径向或蛇形流动通道。所消耗的来自翼型件内部的冷却空气可以通过膜冷却孔34和后缘排放孔36排出。冷却空气通过一个或多个进给通道38被进给到翼型件18，该一个或多个进给通道通过燕尾榫12和柄14延伸到翼型件18中。
平台16包括内表面40和外表面42。增压室44(见图2和3)在平台16内整体形成。增压室44的外周由内表面40和外表面42、并且通过跨越内壁40与外壁42之间的间隙的内部壁限定和划定边界。增压室44使用已知的铸造工艺形成为叶片10的部件。
增压室44包括(沿从前到后的大体轴向方向)第一区域1、第二区域2、和第三区域3。增压室44的横截面积从前向后大体增大。第四区域4被布置成与第一区域1流连通。第五区域5被布置成与第四区域4流连通并且被布置成相对于第三区域3轴向向前。增压室的总体形状可以被描述成在平面图中“分叉”或“分支”，其中第二区域2和第三区域3限定一个分支并且第四区域4和第五区域5限定第二分支。如下文将更详细地解释的，增压室44的每一个分支都包括位于其上游端部处的喉型和喷嘴型结构。
在发动机操作期间，冷却空气通过进给通道38进入燕尾榫12。增压室44的第一区域1由进给通道38进给冷却空气。冷却空气随后从第一区域1流入已连接的第二区域2中。第二区域2是平台16的对流冷却发生的主要区域。第二区域2具有相对受限的流动区域，被视作图2和图3中减小的宽度或侧向尺寸。这起到喉或喷嘴的作用，以提高流速并且由此增强向平台16的外部表面传热。第二区域2的位置(即其沿轴向和切向方向的位置)可以被选择成与平台16上被期望在发动机操作期间经历最高温度的位置相对应。这可以通过分析或者通过测试来确定。在第二区域2中用于对流冷却之后，冷却空气流向第三区域3。第三区域3可以设置有内部传热增强特征，例如肋、散热片、销等。在图示的例子中，包括多个间隔开的湍流促进器或“扰流器46”。冷却空气通过多个膜冷却孔48(最佳见于图2中)离开第三区域3。膜冷却孔48的数量、尺寸、和位置被选择成在平台16的一部分上方排放保护性的冷却空气膜。如本文中所使用的，术语“膜冷却孔”指的是其尺寸能够在表面上方排放冷却空气膜以便保护该表面不受高温流动路径气体的影响的孔。尽管精确的尺寸将随着具体设计而发生变化，但是本领域技术人员将认识到，“膜冷却孔”与其它类型的孔(例如“冲击冷却孔”和“吹扫孔”)之间的区别。
膜冷却孔48可以通过已知的方法形成，例如传统的钻孔、激光钻孔、或者放电加工(ECM)。这些方法在本文中被大体称为“机加工”。
用于冷却空气从第一区域1到达第三区域3的流动路径沿与前缘24和后缘26之间的线大体平行的方向延伸。
第一区域1还与第四区域4连通。像第二区域2一样，第四区域4具有相对受限的流动区域，被示为图2和图3中减小的宽度或侧向尺寸。这起到喉或喷嘴的作用，以增大流速并且由此增强向平台16的外部表面的传热。在用于第四区域4中的对流冷却之后，冷却空气流向第五区域5。第五区域5在平面图中成大体矩形并且定位成相对于第三区域3轴向向前。在操作中，来自第一区域1的一些冷却空气进入第五区域5。一个或多个吹扫孔50可以设置于第五区域5中，排出到平台16内侧(inboard)的次级流动路径中(通过内表面40)。吹扫孔50允许小量的流离开第五区域5，由此防止第五区域5中的滞流和碎屑积聚。第四区域4的出现减小叶片10的重量。此外，第四区域4提供了能够在不改变基本铸件的情况下来修改和/或升级叶片10的冷却构造的方法。例如，能够通过堵塞吹扫孔50来将其消除(例如，使用钎焊或焊接技术)，并且一个或多个膜冷却孔52(见图2)可以被钻取穿过连接至第四区域4的平台16的表面。
上文所描述的原理也可以应用于其它类型的翼型件结构。例如，图4和图5示出了示例性的涡轮喷嘴110。涡轮喷嘴110包括在弓状内部带116与弓状外部带117之间沿径向方向延伸的一对中空翼型件118。像上文所描述的平台16一样，内部带116和外部带117均可以被认为是一种“端壁”。每一个翼型件118都具有在前缘124和在后缘126联结在一起的凹形压力侧壁120和相对的凸形吸力侧壁122。翼型件118可以呈适于将热气体流引导至一行旋转的涡轮叶片(未示出)下游的任何构造。涡轮喷嘴110可以形成为在燃气涡轮发动机中的升高的操作温度下具有可接受的强度的合适的高温合金(例如镍基高温合金)的一件式铸件。涡轮喷嘴110的至少一部分可以涂覆已知类型的保护性涂层，例如抵抗环境的涂层、或热障涂层、或者二者。
翼型件118的内部是中空的并且可以包括多种已知的冷却构造中的任何一种，例如包括其中形成有例如扰流器的多种结构以用于改进冷却空气效率的平行径向或蛇形流动通道。所消耗的来自翼型件内部的冷却空气可以通过膜冷却孔134和后缘排放开口136被排出。冷却空气通过一个或多个进给通道38被进给到翼型件118，该一个或多个进给通道38通过内部带116延伸到翼型件118中。
内部带116包括内表面140和外表面142。增压室144(见图2和图3)在内部带116内整体形成(可选地，外部带117能够包括增压室)。增压室144的外周由内表面140和外表面142、并且通过跨越内表面140和外表面142之间的间隙的内部壁限定和划定边界。增压室144使用已知的铸造工艺形成为涡轮喷嘴110的部件。
增压室144的构造类似于上文所描述的增压室44。增压室144包括第一区域101、第二区域102、第三区域103、第四区域104、和第五区域105。增压室144的总体形状可以被描述成在平面图中“分叉”或“分支”，其中第二区域102和第三区域103限定一个分支并且第四区域104和第五区域105限定第二分支。增压室144的每一个分支都包括位于其上游端处的喉型或喷嘴型结构。更具体地，第二区域102和第四区域104均具有相对受限的流动区域，被示为减小的宽度或侧向尺寸。这起到喉或喷嘴的作用，以增大流速并且由此增强向内部带116的外表面142的传热。
冷却空气通过多个膜冷却孔148离开第三区域103。膜冷却孔148的数量、尺寸和位置被选择成在内部带116的一部分的上方排放保护性的冷却空气膜。一个或多个吹扫孔150可以设置于第五区域105中，排出到内部带116内侧的次级流动路径中。吹扫孔150允许少量的流离开第五区域105，由此防止第五区域105中的滞流和碎屑的积聚。
此外，第五区域105提供了能够在不改变基本铸件的情况下修改和/或更新喷嘴110的冷却构造的装置。例如，能够通过堵塞(例如使用钎焊或焊接技术)吹扫孔150来将其消除，并且一个或多个膜冷却孔152可以被钻取穿过内部带116的表面，连接至第五区域105。
上文所描述的冷却构造消除了现有技术的热部段气体部件中的冷却限制，即膜冷却孔的位置、取向、以及数量。随着去除这些限制，孔能够定位在端壁上的任何位置处，原因是该端壁现在是中空的并且含有较高的冷却剂压力以保证正冷却流。该设计提供温度较低的空气以及冷却设计中更大的灵活性。
该设计还提供在不必改变铸件的情况下改变部件的冷却设计的可能性。例如，根据具体最终用途、设计意图、以及在设计和制造叶片时可获得的分析技术，用于制造上文所描述的涡轮叶片10的相同的基本铸件能够被机加工成具有与增压室44连通的不同的膜冷却孔的图案。
上文已描述了用于燃气涡轮发动机的涡轮翼型件。尽管已描述了本发明的具体实施例，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，能够在不偏离本发明的精神和范围的情况下对其进行多种改型。因此，提供以上对本发明的优选实施例以及用于实施本发明的最佳模式的描述仅仅是为了说明的目的并且不是限制的目的。

Claims (14)

1.一种涡轮翼型件装置(10，110)，包括：
翼型件(18，118)，所述翼型件(18，118)包括在前缘(24，124)并且在后缘(26，126)处联结在一起的凹形压力侧壁(20，120)和凸形吸力侧壁(22，122)；
端壁(16，116)，所述端壁(16，116)在所述翼型件的一个展向端部处从所述翼型件(18，118)侧向向外地突出，所述端壁(16，116)具有面向所述翼型件(18，118)的外表面(42，142)和相对的内表面(40，140)；
增压室(44，144)，所述增压室(44，144)被限定在所述端壁(16，116)内、所述内表面(40，140)与所述外表面(42，142)之间，其中所述增压室(44，144)在平面图中分叉、具有至少两个分支，每一个分支都具有布置于其上游端部处的喉(2，4，102，104)；以及
至少一个膜冷却孔(48，148)，所述至少一个膜冷却孔(48，148)通过所述外表面(42，142)并且与所述增压室(44，144)连通。
2.根据权利要求1所述的装置(10，110)，其特征在于，所述增压室(44，144)包括沿大体轴向方向延伸的第一分支(2，3，102，103)，以及相对于所述第一分支(2，3，102，103)轴向向前地布置的第二分支(4，5，104，105)。
3.根据权利要求2所述的装置(10，110)，其特征在于，多个膜冷却孔(48，148)布置于所述第一分支(2，3，102，103)中。
4.根据权利要求2所述的装置(10，110)，其特征在于，多个膜冷却孔(52，152)布置于所述第二分支(4，5，104，105)中。
5.根据权利要求3所述的装置(10，110)，其特征在于，吹扫孔(50，150)通过所述内表面(40，140)并且与所述增压室(44，144)的第二分支(4，5，104，105)连通。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述翼型件(18，118)是涡轮叶片(10)的部件，所述涡轮叶片(10)包括翼型件(18)、从所述翼型件(18)径向向内地延伸的柄(14)、和从所述柄(14)径向向内地延伸并且被构造成与位于转子盘中的燕尾槽相接合的燕尾榫(12)；并且
所述端壁是从所述柄(14)侧向向外地突出并且包绕所述柄(14)的平台(16)。
7.根据权利要求6所述的装置(10)，其特征在于，进给通道(38)延伸穿过所述燕尾榫(12)和所述柄(14)并且与所述增压室(44)连通。
8.根据权利要求6所述的装置(10)，其特征在于，所述压力侧壁(20)和所述吸力侧壁(22)径向向外地延伸超过尖端帽以限定声响器尖端的结构。
9.一种制造涡轮翼型件装置(10，110)的冷却孔图案的方法，所述涡轮翼型件装置(10，110)包括：
翼型件(18，118)，所述翼型件(18，118)包括在前缘(24，124)并且在后缘(26，126)处联结在一起的凹形压力侧壁(20，120)和凸形吸力侧壁(22，122)；
端壁(16，116)，所述端壁(16，116)在所述翼型件的一个展向端部处从所述翼型件(18，118)侧向向外地突出，所述端壁(16，116)具有面向所述翼型件(18，118)的外表面(42，142)和相对的内表面(40，140)；以及
增压室(44，144)，所述增压室(44，144)被限定在所述端壁(16，116)内、所述内表面(40，140)和所述外表面(42，142)之间，其中所述增压室(44，144)在平面图中分叉、具有至少两个分支，每一个分支都具有布置于其上游端部处的喉(2，4，102，104)；
所述方法包括机加工穿过所述外表面(42，142)，以便限定与所述增压室(44，144)连通的至少一个膜冷却孔(48，148)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：
所述翼型件是涡轮叶片(1)的部件，所述涡轮叶片(1)包括所述翼型件(18)、从所述翼型件(18)径向向内地延伸的柄(14)、以及从所述柄(14)径向向内地延伸并且被构造成与位于转子盘中的燕尾槽相接合的燕尾榫(12)；并且
所述端壁是从所述柄(14)侧向向外地突出并且包绕所述柄(14)的平台(16)。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述增压室包括沿大体轴向方向延伸的第一分支(2，3，102，103)、以及相对于所述第一分支(2，3，102，103)轴向向前布置的第二分支(4，5，104，105)。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括机加工穿过所述外表面(42，142)，以便限定与所述第一分支(2，3，102，103)连通的多个膜冷却孔(48，148)。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括机加工穿过所述外表面(42，142)，以便限定与所述第二分支(4)连通的多个膜冷却孔(52，152)。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，吹扫孔(50，150)通过所述内表面(40，140)并且与所述增压室(44，144)的第二分支(4，5，104，105)连通，所述方法还包括堵塞所述吹扫孔(50，150)。
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