CN104675445A - 具有近壁微回路边缘冷却的涡轮机叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有近壁微回路边缘冷却的涡轮机叶片。本发明公开了为涡轮机叶片提供薄壁前缘和后缘冷却的微回路冷却通道。叶片包括：限定封闭结构的外壳壁；以及多个肋，其沿叶片长度的至少一部分在封闭结构中延伸，并且限定允许冷却空气流从封闭结构的近端流到远端的迂回流动通道。微回路冷却通道位于翼面的前缘和翼面的后缘处，并且包括横跨微回路冷却通道延伸的多个微型销。

Description

具有近壁微回路边缘冷却的涡轮机叶片

技术领域

本发明总体涉及用于在涡轮机叶片的前缘和后缘中提供冷却的微回路冷却通道，更具体地，涉及包括具有十字销的流动通道并为涡轮机叶片的前缘和后缘提供双壁冷却的微回路冷却通道。

背景技术

世界能源需求持续上升，这需要产生可靠的、可负担的、高效且环保的能量。燃气涡轮机发动机是提供高效能量的一种已知机器，并且通常应用于发电厂的发电机或飞机或船中的发动机。典型的燃气涡轮机发动机包括压缩机部段、燃烧部段和涡轮机部段。压缩机部段向燃烧部段提供压缩空气流，在燃烧部段，空气与燃料（诸如天然气）混合，并且被点火以产生热工作气体。工作气体膨胀通过涡轮机部段并被相关轮叶引导横跨其中的多排叶片。当工作气体穿过涡轮机部段时，其引起叶片旋转，这继而引起轴旋转，由此提供机械功。

严格控制工作气体的温度，从而使其不超过特定涡轮机发动机设计的某个预定温度，因为太高温度可损坏发动机的涡轮机部段中的各个部分和部件。然而，期望使得工作气体的温度尽可能高，因此工作气体的温度越高，气体流动越快，这致使发动机更高效地操作。

在某些燃气发动机涡轮机设计中，压缩空气流的一部分也用于冷却涡轮机部段中的某些部件，通常是轮叶、叶片和环部段。能够为这些部件提供的较大程度的冷却和/或较高效的冷却允许部件保持处于较低的温度，并因此工作气体的温度可以更高。例如，通过降低压缩气体的温度，需要较少的压缩气体来保持所述部分处于期望温度，从而导致较高的工作气体温度和来自发动机的更多能量和效能。此外，通过在涡轮机部段中的一个位置处利用较少的冷却空气，更多的冷却空气可用于涡轮机部段中的另一位置处。在一种已知的涡轮机发动机设计中，80%的压缩空气流与燃料混合以提供工作气体，并且20%的压缩空气流用于冷却涡轮机部段部分。如果由于冷却空气处于更低的温度而使得较少的冷却空气被用于一个特定位置，则更多的冷却空气可用于涡轮机部段中的其他区域处，以用于增加冷却。

本领域已知在涡轮机部段的叶片内提供迂回的冷却空气流动通道，其中，在冷却空气离开叶片之前，空气以来回运动方式向上流到一个通道并向下流动到相邻通道。本领域还已知在涡轮机叶片的前缘处提供“喷淋头”冷却通道，其中，空气流入所述通道并流出成角度的孔口以提供前缘冷却。进一步已知的是在涡轮机叶片的后缘处提供部分薄膜冷却。然而，这些冷却设计的外部传热系数显示叶片翼面的前缘和后缘都具有高热负荷，因此需要进一步的过度冷却。

发明内容

本公开描述了为涡轮机叶片提供薄壁前缘和后缘冷却的微回路冷却通道。叶片包括：限定封闭结构的外壳壁；以及多个肋，其在封闭结构内至少延伸叶片长度的一部分，并且限定允许冷却空气流从封闭结构的近端流到远端的迂回流动通道。微回路冷却通道位于翼面的前缘和翼面的后缘处，并且包括横跨微回路冷却通道延伸的多个微型销。

根据结合附图进行的以下描述和所附权利要求，本发明的其他特征将变得显而易见。

附图说明

图1是燃气涡轮机发动机的剖切立体图；

图2是与燃气涡轮机发动机分离的已知涡轮机叶片的剖视图；

图3是沿图2所示的叶片的线3-3截取的剖视图；

图4是在竖直轴上示出传热系数（HTC）并且在水平轴上示出叶片翼面的压力侧（PS）和吸力侧（SS）的距离的曲线图；

图5是在叶片的前缘和后缘中都包括微回路冷却通道的涡轮机叶片的剖视图；

图6是沿图5所示的叶片的线6-6截取的剖视图；

图7是图5所示的前缘微回路冷却通道的剖视图；

图8是图6所示的翼面的后缘的剖切端视图；以及

图9是冷却回路，示出了图5和6所示的叶片中的冷却流体流路。

具体实施方式

涉及用于燃气涡轮机发动机的叶片的前缘和后缘的微回路冷却通道的本发明的实施例的以下论述本质上仅是示例性的，并且决非意在限制本发明或其应用或用途。

图1的燃气涡轮机发动机10的剖切立体图，燃气涡轮机发动机包括压缩机部段12、燃烧部段14和涡轮机部段16，它们全部被包封在外壳30内，其中，发动机10的操作致使中心轴或转子18旋转，由此产生机械功。通过非限定性例子示出和描述发动机10，以给出下述本发明的背景。本领域技术人员应该明白，其他燃气涡轮机发动机设计也将受益于本发明。转子18的旋转将空气抽吸到压缩机部段12中，在该处，空气被轮叶22引导并被旋转叶片20压缩，以被传送到燃烧部段14，在该处，压缩空气与诸如天然气的燃料混合，并且燃料/空气混合物在该处被点火以产生热工作气体。更具体地，燃烧部段14包括许多周向放置的燃烧器26，每个燃烧器接收通过喷射器（未示出）喷入燃烧器26中并与压缩空气混合以被点火器24点火以产生工作气体的燃料，该工作气体通过过渡结构28被引导到发动机部段16中。通过涡轮机部段16中周向放置的静止轮叶（未示出）来引导工作气体，使其流过周向放置的可旋转涡轮机叶片34，这致使涡轮机叶片34旋转，由此旋转转子18。一旦工作气体穿过涡轮机部段16，它就作为废气通过出口喷嘴36从发动机10输出。

每组周向放置的静止轮叶限定一排轮叶，并且每组周向放置的叶片34限定一排38叶片34。在本非限定性实施例中，涡轮机部段16包括处于交替顺序的四排38旋转叶片34和四排静止的轮叶。在其他燃气涡轮机发动机设计中，涡轮机部段16可包括更多或更少排的涡轮机叶片34。可以注意到，最前排涡轮机叶片34（被称作第一排叶片）和轮叶（被称作第一排轮叶）接收最高温度的工作气体，其中，工作气体的温度随着其流过涡轮机部段16而降低。

图2是已知的翼面或叶片40的剖视图，翼面或叶片40意在代表第一排叶片，但可以总体代表燃气涡轮机发动机10中的多排叶片中的任何叶片24，其中，叶片40包括下面详细论述的冷却空气流动通道。图3是沿图2的线3-3截取的叶片40的剖视图。叶片40包括被构造为允许叶片40以本领域技术人员周知的方式被牢固地安装到转子18上的附接部分42。叶片平台44被设置在附接部分42的远端处并且限定叶片40的锥形翼面部分46的开始部分。翼面部分46包括压力侧（P/S）86和吸力侧（S/S）84，它们由翼面部分46在其旋转时其上存在的压力限定。此外，翼面部分46还包括前缘80和后缘82。

翼面部分46包括外壳48和许多内部肋50、52、54、56、58、60和62，内部肋通常被构造为单片式插入件并且由陶瓷制成，其限定一系列流动通道。流动通道包括在外壳48和肋50之间的喷淋头流动通道64、在肋50和肋52之间的流动通道66、在肋52和肋54之间的流动通道68、在肋54和肋56之间的流动通道70、在肋56和肋58之间的流动通道72、在肋58和肋60之间的冲击流动通道74、在肋60和肋62之间的冲击流动通道76以及在肋62和外壳48之间的冲击流动通道78。流动通道68、70和72结合地形成迂回的流动通道。空气通过附接部分42中的输入开口90流入叶片40中，进入通道66并流向外壳48的端部92，其中空气流的一部分通过孔口94离开通道66。该空气流的一部分流过肋50中的孔口96进入喷淋头通道64并通过向上朝向端部92成角度的一系列孔口100离开翼面部分46。空气流还通过附接部分42中的开口102进入叶片40并流到通道68中，在该处空气流的一部分流出孔口104。空气流的大部分流入通道70以沿翼面46流回并进入附接部分42中的具有被盖板108覆盖的开口的室106。然后，空气通过通道72并通过外壳48中的孔口110沿叶片40流回。

肋58包括允许空气流入肋58和60之间的通道60的一系列孔口120，肋60包括允许空气流入肋60和62之间的通道62的一系列孔口122，并且肋62包括允许空气流入肋58和外壳48之间的通道94的一系列孔口124。外壳48中的一系列孔口130允许空气流出叶片40。显然，肋58、60和62中的孔口120、122和124彼此交错，从而使得空气不会从一个通道横跨下一通道直接流到随后的通道中。这致使流过一个孔口的空气撞击下一通道中肋的一个部段，这还产生增加冷却效果的紊流。具体地，此空气流作用在通道74、76和78内产生涡旋，所述涡旋也提供紊流以便有效地冷却。

本领域已知提供被安装到流动通道部分66、68、70和72的内壁上的紊流器或挡条构造，其大体由图2中的附图标记132表示。为此用途的挡条通常是沿与冷却空气流垂直的方向形成到叶片40的外壳48的内表面上的金属条。在本设计中，挡条132被示出为倾斜的挡条，因为它们相对于冷却空气流的方向稍微成角度。在替代性实施例中，挡条132可垂直于空气的流动方向。有时采用倾斜的挡条而不是垂直的挡条，从而使得挡条较长，这提供更加紊流的空气流。

图4是示出竖直轴上为传热系数（HTC）以及水平轴上为翼面46的压力侧48和吸力侧62上沿翼面46的距离的曲线图。曲线140示出了在后缘82和前缘80处，翼面具有相比翼面46的中间弦区域需要额外冷却的高HTC。

如上所述，在翼面46的前缘和后缘处通常需要过度冷却。通过喷淋头通道64和冲击通道74、76和78在翼面46中提供这种过度冷却。此设计仍在这些区域提供高传热系数，如图4所示，尤其考虑到现代燃气涡轮机发动机设计的增加的涡轮机温度。因此期望提高那些传热系数。本发明提出通过使用薄壁微回路冷却提供改进的过度冷却，如下所述。

图5是剖视图，图6是沿包括（例如燃气涡轮机发动机10的）涡轮机部段16的翼面152的叶片150的线6-6截取的剖视图，叶片150具有与叶片40相同的形状，其中，与叶片40相似的元件由相同的附图标记表示。显然，在叶片150中，已经去除了喷淋头通道64以及冲击通道74、76和78。叶片150包括限定一系列流动通道的内部肋154、156、158、160和162。流动通道包括在肋154和肋156之间的流动通道166、在肋156和肋158之间的流动通道168、在肋158和肋160之间的流动通道170、在肋160和肋162之间的流动通道172以及分别在翼面150的压力侧86和吸力侧84处的在肋162和外壳48之间的微回路冷却流动通道174和176。流动通道166、168、170和172结合地形成迂回的流动通道。空气通过附接部分42中的多个开口180流入叶片150中，进入通道166以流向端部92，沿通道168流回，通过通道170沿翼面152流回，通过通道172沿翼面46流回并进入微回路通道174和176。流过微回路通道174和176的空气通过端部92中的一系列孔口178离开翼面152。通过通道174和176的空气流还分别通过孔口182和184从后缘82流出。额外地，通过通道180进入附接部分42的空气在翼面46的前缘80处流入微回路冷却通道186，并通过端部92中的一系列孔口188离开微回路冷却流动通道186。

图7是沿图6的线7-7截取的剖切剖视图。微回路冷却通道186包括布置为交错阵列的一系列十字销190，如图所示，从而使得一排中的十字销190位于相邻排中的十字销190之间。当空气流过通道186时，空气遭遇十字销190以产生紊流空气流，从而提供较高效的冷却。微回路冷却流动通道186非常靠近翼面152的前缘的外表面定位，以形成薄壁194，其中，在一个实施例中，薄壁194具有0.005-0.008英寸的尺寸。通道186的尺寸、通道186围绕翼面152的前缘80延伸的长度、十字销162的构造和数量等都被设计为专用于特定涡轮机叶片和特定的冷却程度。

微回路冷却通道174邻近后缘82的压力侧86放置并且微回路冷却通道176邻近后缘82的吸力侧84放置。与微回路冷却通道186相同，通道174和176延伸达翼面152的长度。微回路冷却通道174和176分别包括圆柱形十字销198和200，它们横跨通道174和176延伸以提供增加的冷却。此外，如上所述，微回路冷却通道174和176非常靠近翼面152的外缘定位，与所述外缘在0.005-0.008英寸的范围内。

图8是示出翼面152的后缘82的一部分并示出压力侧壁和吸力侧壁的视图。孔口182和184被示出延伸通过后缘82，其中，孔口182与微回路冷却通道174流体连通，并且孔口184与微回路冷却通道176流体连通。显然，孔口182和184被交错布置为使得每隔一个孔口与通道174或通道176连通。热屏障涂层196可设置在翼面152的外表面上，以进一步增加期望的冷却。微回路冷却通道186、174和176提供薄壁冷却并且可通过本领域技术人员周知的打印部件制造工艺来形成。

图9是冷却流回路200的图解，示出了通过叶片150的翼面部分152的空气流。具体地，虚线202代表通过微回路冷却通道186的空气流，线204代表通过通道166的空气流，线206代表通过通道168的空气流，线208代表通过通道170的空气流，并且线210代表通过通道172的空气流。线212代表通过微回路冷却通道174的空气流，并且线214代表通过微回路冷却通道176的空气流。线216代表通过后缘82中的开口182的空气流，并且线218代表通过后缘82中的开口184的空气流。

以上论述仅公开和描述了本发明的示例性实施例。通过这种论述以及附图和权利要求，本领域技术人员将容易地明白，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下可对本发明进行各种改变、修改和变更。

Claims (20)

1. 一种用于燃气涡轮机发动机的叶片，所述叶片包括：

翼面，其包括限定封闭结构的外壳壁、前缘和后缘；

多个肋，其在所述封闭结构内至少延伸所述翼面长度的一部分，并且限定允许冷却空气流从所述翼面的近端流到远端的迂回流动通道；以及

前缘微回路冷却通道，其位于所述翼面的前缘处并且包括横跨所述微回路冷却通道延伸的多个微型销。

2. 根据权利要求1所述的叶片，其中，所述多个微型销被构造为阵列，使得阵列的一排中的微型销相对于所述阵列的相邻排中的微型销交错。

3. 根据权利要求1所述的叶片，其中，所述前缘微回路冷却通道位于封闭结构的壁内，距离所述翼面的外表面在0.005-0.008英寸内。

4. 根据权利要求1所述的叶片，进一步包括压力侧后缘微回路冷却通道，其位于翼面的压力侧和后缘处并且至少延伸翼面长度的一部分，所述压力侧后缘微回路冷却通道包括横跨该通道延伸的多个微型销。

5. 根据权利要求4所述的叶片，其中，所述压力侧后缘微回路冷却通道中的多个微型销被构造为阵列，使得阵列的一排中的微型销相对于所述阵列的相邻排中的微型销交错。

6. 根据权利要求4所述的叶片，其中，所述压力侧后缘微回路冷却通道位于封闭结构的壁内，距离所述翼面的外表面在0.005-0.008英寸内。

7. 根据权利要求4所述的叶片，其中，所述压力侧后缘微回路冷却通道与翼面的后缘中的一系列孔口流体连通。

8. 根据权利要求1所述的叶片，进一步包括吸力侧后缘微回路冷却通道，其位于翼面的吸力侧和后缘处并且至少延伸翼面长度的一部分，所述吸力侧后缘微回路冷却通道包括横跨该通道延伸的多个微型销。

9. 根据权利要求8所述的叶片，其中，所述吸力侧后缘微回路冷却通道中的多个微型销被构造为阵列，使得所述阵列的一排中的微型销相对于所述阵列的相邻排中的微型销交错。

10. 根据权利要求8所述的叶片，其中，所述吸力侧后缘微回路冷却通道位于封闭结构的壁内，距离所述翼面的外表面在0.005-0.008英寸内。

11. 根据权利要求8所述的叶片，其中，所述吸力侧后缘微回路冷却通道与翼面的后缘中的一系列孔口流体连通。

12. 根据权利要求1所述的叶片，进一步包括被设置在封闭结构的外壁上的热屏障。

13. 根据权利要求1所述的叶片，其中，所述叶片用于燃气涡轮机发动机的第一排级。

14. 根据权利要求1所述的叶片，其中，所述前缘微回路冷却通道通过打印部件制造工艺形成。

15. 一种用于燃气涡轮机发动机的叶片，所述叶片包括：

翼面，其包括限定封闭结构的外壳壁、前缘和后缘；

多个肋，其在所述封闭结构内至少延伸所述翼面长度的一部分，并且限定允许冷却空气流从翼面的近端流到远端的迂回流动通道；

前缘微回路冷却通道，其位于翼面的前缘处并且包括横跨微回路冷却通道延伸的多个微型销，其中，迂回流动通道的前侧边和前缘微回路冷却通道为翼面提供前缘冷却；

压力侧后缘微回路冷却通道，其位于翼面的压力侧和后缘处并且至少延伸翼面长度的一部分，所述压力侧后缘微回路冷却通道包括横跨该通道延伸的多个微型销；以及

吸力侧后缘微回路冷却通道，其位于翼面的吸力侧和后缘处并且至少延伸翼面长度的一部分，所述吸力侧后缘微回路冷却通道包括横跨该通道延伸的多个微型销，其中，迂回流动通道的后侧边分成压力侧后缘微回路通道和吸力侧后缘微回路通道。

16. 根据权利要求15所述的叶片，其中，所述前缘微回路通道、压力侧后缘微回路冷却通道和吸力侧后缘微回路通道都位于封闭结构的壁内，距离所述翼面的外表面在0.005-0.008英寸内。

17. 根据权利要求15所述的叶片，其中，所述前缘微回路通道、压力侧后缘微回路冷却通道和吸力侧后缘微回路通道中的多个微型销被构造为阵列，使得阵列的一排中的微型销相对于阵列的相邻排中的微型销交错。

18. 根据权利要求15所述的叶片，其中，所述压力侧后缘微回路冷却通道和吸力侧后缘微回路冷却通道与翼面的后缘中的交错布置的一系列孔口流体连通。

19. 一种燃气涡轮机发动机，包括：

外壳；

能够操作以产生压缩空气流的压缩机部段；

与压缩机部段流体连通并接收压缩空气流的燃烧部分的燃烧部段，所述燃烧部段将压缩空气流的燃烧部分与燃料混合并燃烧混合物以产生热工作气体；以及

与燃烧部段流体连通的涡轮机部段，所述涡轮机部段接收热工作气体，所述涡轮机部段包括多排轮叶和多排叶片，其中，叶片中的至少一些包括：限定封闭结构外壳壁；多个肋，其在封闭结构内至少延伸叶片长度的一部分，并且限定允许冷却空气流从封闭结构的近端流到远端的至少一个流动通道；前缘微回路冷却通道，其位于翼面的前缘处并且包括横跨前缘微回路冷却通道延伸的多个微型销；以及后缘微回路冷却通道，其位于翼面的后缘处并且包括横跨后缘微回路冷却通道延伸的多个微型销。

20. 根据权利要求18所述的燃气涡轮机发动机，其中，所述前缘微回路通道和后缘微回路冷却通道位于封闭结构的壁内，距离所述翼面的外表面在0.005-0.008英寸内。