CN104520538B - 涡轮叶片 - Google Patents

Abstract

一种涡轮叶片包括外表面，以及包绕外表面的至少一部分的边沿。边沿中的沟槽围绕外表面的至少一部分延伸。

Description

涡轮叶片

技术领域

本发明大体上涉及涡轮叶片及用于冷却涡轮叶片的方法。

背景技术

涡轮广泛用于工业和商业操作中。用于生成电能的典型的商业蒸汽或燃气涡轮包括静止和旋转翼型件或叶片的交错级。例如，静止导叶可附接于静止构件，如，包绕涡轮的外壳，并且旋转叶片可附接于定位成沿涡轮的轴向中心线的转子。压缩的工作流体如但不限于蒸汽、燃烧气体或空气流过涡轮，并且静止导叶加速和引导压缩的工作流体到旋转叶片的随后的级上，以将运动给予旋转叶片，因此使转子转动并且执行功。

围绕或绕过涡轮叶片泄漏的压缩的工作流体降低了涡轮的效率。为了减少绕过旋转叶片的压缩的工作流体的量，外壳可包括静止的护罩节段，其包绕旋转叶片的各级，并且各个旋转叶片可包括在外径向末端处的末端盖，其减小了护罩节段与旋转叶片之间的空隙。尽管有效地减小或防止围绕旋转叶片的泄漏，但护罩节段与末端盖之间的相互作用可导致升高的局部温度，其可降低低循环疲劳极限，并且/或者导致末端盖处的增大的蠕变。结果，冷却介质可供应成在流过冷却通路之前在各个旋转叶片内流动，以在旋转叶片的末端盖上面提供膜冷却。

在特定的设计中，各个末端盖可包括外表面，其至少部分地由边沿包绕。边沿和外表面可至少部分地限定在边沿、外表面与包绕的护罩节段之间的末端腔，其也称为声响末端腔。以该方式，冷却介质可供应至末端腔来在于边沿上面流动并且流出末端腔之前从末端盖除去热。然而，在旋转叶片的吸入侧上面流动的冷却介质可破坏在旋转叶片上面的压缩工作流体的流动，并且/或者降低旋转叶片的操作效率。结果，改进的涡轮叶片和用于冷却涡轮叶片的方法将为有用的。

发明内容

本发明的方面和优点在以下描述中在下文阐明，或者可从描述清楚，或者可通过实施本发明学习。

本发明的一个实施例为一种涡轮叶片，其包括外表面，以及包绕外表面的至少一部分的边沿。边沿中的沟槽围绕外表面的至少一部分延伸。

本发明的另一个实施例为一种包括外表面的涡轮叶片。压力侧壁沿外表面的第一部分从前缘延伸至后缘。与压力侧壁相对的吸入侧壁沿外表面的第二部分从前缘延伸至后缘。压力侧壁或吸入侧壁中的至少一个中的凹槽围绕外表面的至少一部分延伸。

本发明还可包括一种包括外表面的涡轮叶片。第一壁包绕外表面的至少一部分。第二壁包绕第一壁的至少一部分，以限定第一壁与第二壁之间的沟槽，并且沟槽围绕外表面的至少一部分延伸。

本领域技术人员将在审阅说明书时更好认识到此类实施例及其它实施例的特征和方面。

附图说明

包括对本领域技术人员而言的本发明的最佳模式的本发明的完整且开放的公开在包括参照附图的说明书的其余部分中更具体地阐明，在该附图中：

图1为在本发明的范围内的示例性涡轮级的透视图；

图2为根据本发明的一个实施例的图1中所示的涡轮叶片的俯视平面图；

图3为根据本发明的一个实施例的图1中所示的涡轮叶片的俯视透视图；

图4为根据本发明的一个实施例的图1中所示的涡轮叶片的径向截面视图；以及

图5为根据本发明的备选实施例的图1中所示的涡轮叶片的径向截面视图。

具体实施方式

现在将进行对本发明的实施例的详细参照，其一个或更多个实例在附图中示出。详细描述使用数字和字母符号来表示附图中的特征。附图和描述中相似或类似的符号用于表示本发明的相似或类似的部分。如本文使用的，用语"第一"、"第二"和"第三"可以可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，并且不旨在表示独立构件的位置或重要性。此外，用语"上游"和"下游"是指流体通道中的构件的相对位置。例如，如果流体从构件A流至构件B，则构件A在构件B的上游。相反，如果构件B从构件A接收流体流，则构件B在构件A的下游。

各个实例经由阐释本发明来提供，而不限制本发明。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，在本发明中可进行改型和变化，而不脱离其范围或精神。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可在另一个实施例上使用来产生又一个实施例。因此，意图是本发明覆盖归入所附权利要求及其等同方案的范围内的此类改型和变化。

本发明的各种实施例包括涡轮叶片及用于冷却涡轮叶片的方法。涡轮叶片大体上包括末端盖，其具有由边沿至少部分地包绕的声响末端或腔。边沿中的凹槽或沟槽沿边沿的至少一部分延伸。在特定实施例中，边沿可包括外壁和内壁，它们限定凹槽或沟槽，并且外壁可高于内壁。在其它特定实施例中，内壁可包括提供从凹槽或沟槽到腔的流体连通的一个或更多个切口。在又一个实施例中，凹槽或沟槽可包括钻入沟槽中的一个或更多个冷却通路或孔，以提供从内腔穿过末端盖的流体连通，以将膜冷却供应至凹槽或沟槽。尽管将大体上在并入到燃气涡轮中的涡轮叶片的背景下描述本发明的示例性实施例，但本领域技术人员将容易从本文中的教导认识到本发明的实施例不限于燃气涡轮，除非在权利要求中明确叙述。

现在参照附图，其中同样的标记表示所有图中的相同元件，图1提供了本发明的范围内的示例性涡轮级的透视图。如所示，涡轮级大体上包括从转子轮12沿径向延伸的多个涡轮叶片10。各个涡轮叶片10可连接于具有燕尾形根部16的平台14。燕尾形根部16可沿轴向滑入转子轮12中的互补的燕尾槽18中，以将平台14和涡轮叶片10沿径向保持就位。环形护罩20或多个护罩节段可沿周向包绕涡轮叶片10，以使转子轮12和环形护罩20至少部分地限定热气体路径22，燃烧气体或另一种压缩的工作流体24可流过热气体路径22。

各个涡轮叶片10大体上具有翼型形状，其具有前缘30和在前缘30下游的后缘32。凹入表面或压力侧壁34在涡轮叶片10的一侧上在前缘30与后缘32之间延伸，并且凸出表面或吸入侧壁36在涡轮叶片10的另一侧上在前缘30与后缘32之间延伸。压力侧壁34和吸入侧壁36大体上在热气体路径22中沿径向从平台14延伸至环形护罩20，以形成涡轮叶片10的翼型形状。

图2提供了俯视平面图，图3提供了俯视透视图，并且图4提供了根据本发明的一个实施例的图1中所示的涡轮叶片10的径向截面视图。如图2-4中所示，各个涡轮叶片10包括邻近环形护罩20的外表面40。压力侧壁34和吸入侧壁36可沿径向延伸超过外表面40来形成边沿42，其包绕外表面40的至少一部分。以该方式，边沿42和外表面40至少部分地限定环形护罩20附近的涡轮叶片10的径向外部中的腔，也称为声响腔。

穿过外表面40的一个或更多个冷却孔口(未示出)可将冷却介质从涡轮叶片10内的腔输送至声响末端腔。冷却介质可从外表面40除去热，同时还将外表面40与包绕的工作流体流24的极端温度部分地隔离。以该方式，涡轮叶片10的末端可在操作期间保持在可接受的温度处。如本领域技术人员将认识到的，涡轮叶片10的末端为难以冷却的区域，并且因此大体上需要穿过声响末端腔的高水平的冷却介质流。具体而言，涡轮叶片10的后缘32难以在常规系统中冷却，因为大部分冷却介质在到达涡轮叶片10的后缘32之前在吸入侧壁36上面扫过。在吸入侧壁36上面流动的冷却介质对涡轮发动机的空气动力效率有消极作用，并且最小化该流动路径，因此改进了发动机性能。

如图2-4中最清楚地示出的，边沿42可包括围绕外表面40的至少一部分延伸的凹槽或沟槽44。例如，边沿42可包括包绕外表面40的至少一部分的内壁46，以及包绕内壁46的至少一部分的外壁48，以限定内壁46与外壁48之间的凹槽或沟槽44。凹槽或沟槽44的截面轮廓、深度和宽度可根据特定应用和涡轮叶片10上的位置来变化。例如，凹槽或沟槽44可具有带从前缘30逐渐减小至后缘32的深度和宽度的弓形、正方形、三角形或其它截面轮廓。在特定实施例中，例如，凹槽或沟槽44的深度可在声响末端腔的深度的大约10%到75%之间。然而，本领域技术人员将容易从本文中的教导认识到，本发明不限于凹槽或沟槽44的任何特定截面、深度或宽度，除非在权利要求中明确叙述。

在特定实施例中，如图2-4中所示，凹槽或沟槽44可在边沿42中围绕整个外表面40连续地延伸。作为备选或此外，凹槽或沟槽44可包括多个冷却通路50，其提供流体连通来用于冷却介质从涡轮叶片10内的一个或更多个腔52流入凹槽或沟槽44中。如图3中最清楚地示出的，涡轮叶片10内的腔52可具有任何构造，例如，包括具有用于提高冷却介质效力的其中各种湍流器的蛇线形流动通道。此外，冷却通路50可朝涡轮叶片10的后缘32成角，以加强沟槽44中的冷却介质流和热除去。以该方式，冷却介质可从腔52流过冷却通路50，并且流入凹槽或沟槽44中以除去热和/或保护边沿42的表面免受与热气体路径22中的工作流体24相关联的过高温度。

在图2-4中所示的特定实施例中，沟槽44的内壁46可包括一个或更多个切口54，其提供了从凹槽或沟槽44到声响末端腔中的外表面40之间的流体连通。该附加的流动路径可增大供应至声响末端腔中的外表面40的冷却介质的量，同时还减少了在边沿42的外壁48上面泄漏的冷却介质的量。作为备选或此外，如图5中示出的特定实施例中所示，边沿42的外壁48可略高于内壁46，以类似地加强进入声响末端腔中的冷却介质流，同时还减少了在边沿42的外壁48上面泄漏的冷却介质的量。

本领域技术人员将容易从本文中的教导认识到，关于图1-5所示和所述的涡轮叶片10还可提供用于冷却涡轮叶片10的一种或更多种方法。例如，该方法可包括使冷却介质从涡轮叶片10内的腔52流过冷却通路50，并且流入凹槽或沟槽44中。在特定实施例中，该方法还可包括使冷却介质围绕外表面40的整个圆周流过边沿42中的凹槽或沟槽44。在其它特定实施例中，该方法可包括使冷却介质流过凹槽或沟槽44的内壁46中的切口54，并且/或者在内壁46上面流动并且横跨外表面40。

预期的是，图1-5中所示和所述的各种实施例将加强对边沿42的冷却，同时还减少了在边沿42上面流动并且流入热气体路径22中的冷却介质的量。结果，本文所述的实施例将降低尤其是外径向部分周围的涡轮叶片10的温度，从而改进这些构件的低循环疲劳极限，并且减少由于过高温度而产生的局部蠕变。

该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种涡轮叶片，包括：

a.外表面；

b.包绕所述外表面的至少一部分的边沿，所述边沿由外壁和内壁限定；以及

c.在所述外壁和所述内壁之间限定在所述边沿中的沟槽，其中所述沟槽围绕所述外表面的至少一部分延伸，所述内壁包括提供从所述沟槽到所述外表面的流体连通的一个或更多个切口。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述沟槽在所述边沿中围绕整个所述外表面连续地延伸。

3.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述外壁高于所述内壁。

4.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述涡轮叶片还包括提供从所述涡轮叶片内的流体连通的所述沟槽中的多个冷却通路。

5.根据权利要求4所述的涡轮叶片，其特征在于，所述沟槽中的所述多个冷却通路朝所述涡轮叶片的后缘成角。

6.一种涡轮叶片，包括：

a.外表面；

b.沿所述外表面的第一部分从前缘延伸至后缘的压力侧壁，所述压力侧壁包括外壁和内壁；

c.与所述压力侧壁相对的吸入侧壁，其中所述吸入侧壁沿所述外表面的第二部分从所述前缘延伸至所述后缘，所述吸入侧壁包括外壁和内壁；以及

d.所述压力侧壁或所述吸入侧壁中的至少一个中的凹槽，其中所述压力侧壁中的凹槽限定在所述压力侧壁的外壁与内壁之间，所述吸入侧壁中的凹槽限定在所述吸入侧壁的外壁与内壁之间，其中所述凹槽围绕所述外表面的至少一部分延伸；

其中，所述压力侧壁或所述吸入侧壁至少一个的内壁包括提供从所述凹槽到所述外表面的流体连通的一个或更多个切口。

7.根据权利要求6所述的涡轮叶片，其特征在于，所述凹槽在所述压力侧壁和所述吸入侧壁中围绕整个所述外表面连续地延伸。

8.根据权利要求6所述的涡轮叶片，其特征在于，所述压力侧壁的外壁高于所述压力侧壁的内壁。

9.根据权利要求6所述的涡轮叶片，其特征在于，所述涡轮叶片还包括提供从所述涡轮叶片内的流体连通的所述凹槽中的多个冷却通路。

10.根据权利要求9所述的涡轮叶片，其特征在于，所述凹槽中的所述多个冷却通路朝所述涡轮叶片的后缘成角。

11.一种涡轮叶片，包括：

a.外表面；

b.包绕所述外表面的至少一部分的第一壁；以及

c.包绕所述第一壁的至少一部分以限定所述第一壁与第二壁之间的沟槽的第二壁，其中所述沟槽围绕所述外表面的至少一部分延伸；

其中，所述第一壁包括提供从所述沟槽到所述外表面的流体连通的一个或更多个切口。

12.根据权利要求11所述的涡轮叶片，其特征在于，所述沟槽围绕整个所述外表面连续地延伸。

13.根据权利要求11所述的涡轮叶片，其特征在于，所述第一壁短于所述第二壁。

14.根据权利要求11所述的涡轮叶片，其特征在于，所述涡轮叶片还包括提供从所述涡轮叶片内的流体连通的所述沟槽中的多个冷却通路。

15.根据权利要求14所述的涡轮叶片，其特征在于，所述沟槽中的所述多个冷却通路朝所述涡轮叶片的后缘成角。