CN104727857A - 用于燃气涡轮发动机的转子叶片和导叶翼型件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于燃气涡轮发动机的转子叶片或导叶翼型件，燃气涡轮发动机具有纵向轴线和冷却流体源，翼型件具有压力壁、吸力壁、前缘、后缘和至少一个冷却流体流道。冷却流体流道与冷却流体源处于流体连通。提供了用于至少将冷却流体引导到后缘的器件，而冷却流体流道包括：多个沿轴向延伸的壁，各个壁在压力壁和吸力壁之间沿侧向延伸。多个壁在冷却流体流道内沿径向间隔开，使得相邻的壁对限定通道，在相邻的壁之间的轴向间隔沿翼型件的径向方向包括销和肋结构，其中销整体地或大致覆盖通道的轴向高度。肋相对于销具有更深的水平，并且肋在各相邻的肋之间建立桥状连接。

Description

用于燃气涡轮发动机的转子叶片和导叶翼型件

技术领域

本发明涉及具有销和肋且具有改进的热传递系数的流道的热传递特性的领域。

一种用于燃气涡轮发动机的转子叶片或导叶翼型件，燃气涡轮发动机具有纵向轴线和冷却流体源，翼型件具有压力壁、吸力壁、前缘、后缘和至少一个冷却流体流道，而冷却流体流道与冷却流体源处于流体连通，并且提供了用于至少将冷却流体引导到后缘的器件，其中，冷却流体流道包括：多个沿轴向延伸的壁，各个壁在压力壁和吸力壁之间沿侧向延伸，其中，多个壁在冷却流体流道内沿径向间隔开，使得相邻的壁对限定通道，其中，在相邻的壁之间的轴向间隔沿翼型件的径向方向包括销和肋结构。

背景技术

燃气涡轮领域一直试图通过将涡轮入口温度提高到超过涡轮翼型件导叶和叶片的熔化温度来提高热效率和功率输出。需要有效的冷却方案来保护燃气涡轮构件，以防失效。可采用许多冷却技术例如膜冷却、销翅片冷却和肋紊流冷却来保护翼型件，防止翼型件失效，同时延长耐用性。

根据EP 1 508 746 A1，热交换壁包括基板、分布在基板的表面上多个第一突起，以及分布在基板表面上的多个第二突起。第二突起的在基板的法向上的高度合乎需要地小于第一突起在法向方向上的高度的1/2。第二突起在法向方向上的高度合乎需要地介于第一突起在法向方向上的高度的1/20和1/4之间。更加合乎需要地，第二突起在法向方向上的高度为第一突起在法向方向上的高度的1/10。

根据文献ASME 2001-GT-0178，销翅片通常用于冷却涡轮的后缘区域，在这里，它们的纵横比(高度H/直径D)特别低。但是，在小涡轮导叶和叶片中，销翅片还可位于翼型件的中间区域中。在这个情况下，纵横比可非常大，通常获得大于4的值。在大气条件下对涡轮导叶和叶片的冷却设计进行的热传递测试可过度估计这样的长销翅片的销翅片流通道的热传递系数。长销翅片的翅片效率在其在大气条件下遇到的低热传递情况下是几乎一致的，但是在高热传递条件下且对于由低传导性材料制成的销翅片可显著更低。

参照ASME GT 2011-46078，销翅片阵列通常为成排的短圆柱形元件，这些元件大体在狭窄通道中布置成交错构造，冷却流体在阵列上经过。这看起来是有效的热传递增强方法，但是伴随着有压力损失。销翅片通常垂直地附连到例如燃气涡轮翼型件的狭窄冷却通道内部的两个端壁上。根据这个文献，图2示意性地显示从通道的顶部和侧部看到的销肋几何结构。各种图显示了安装有销翅片的顶端壁的俯视图。另一个图示出在测试区段中的交错的翅片销构造的侧视图。顶和底端壁是相同的，并且底端壁通过在顶端壁的下游改变节距来布置。

大体上，参照压力损失系数，要注意，热传递增强通常伴随着额外的压力损失的惩罚。从端壁突起的任何元件，即销翅片和肋，将阻碍流，从而在系统中产生曳力损失和压头损失。

发明内容

因此，权利要求中限定的本发明的目标在于，结合在通道中实现销与肋以冷却涡轮导叶和叶片后部部件来对现有技术提供改进。

有利的实施例提供在涡轮导叶或转子叶片的后部部件中需要的会聚通道。此外，依赖于运行用途，冷却通道的分段式本体可沿着通道成形有沿流向持续增加或减小的锥角。可设想到，形成流通道的结构的本体各自具有圆柱形初始部件。

销与肋连接，以便有更好的可铸造性，并且销直径适于通道高度。肋增强了在需要区域中的热传递系数，在那里中，销高度较大且冷却剂速率较小。

在通道高度和销直径变得更小处，销的翼展方向的节距被减小，获得需要的热传递系数，但是保持了交错的布置。为了保持规则的型式，较大的销的翼展方向的节距应当与下游的较小的销的节距相等或为其倍数。

肋高度(h)适于销高度，其中肋高度(h)适于销高度的某个百分比。底部处的肋宽度(w)适于铸造性要求，其中宽度应当大于高度的60%。

当肋的高度低时，肋的顶部分产生的紊流到达基板表面，以促进热交换。这个实施例在销具有低的热传导性的情况下是有效的。这个结果的原因是因为通道的基板可通过直接冷却基板的表面而非冷却低热传导性的销的侧面而更高效地冷却。当圆形销的直径小时，在冷却空气流的方向上的凸出区域减小，使得可减小压力损失。

肋的高度相对于销的高度受到限制，其中销延伸在通道的整个开口上。顶和底部端壁单独地包括肋结构，以及各个相邻销。

肋具有正方形或三角形或梯形横截面，其适于铸造性要求；此外，沿着在两个相邻销之间的肋的整个长度对前部面提供在冷却介质的流向上倾斜或渐缩的表面。因此，在这个情况下，倾斜或渐缩表面的流对应于一侧对齐的旋流发生器。

另外，肋在流向上的被流过的表面对应于旋流发生器，其包括沿着在两个相邻销之间的肋的整个长度的渐缩表面。

此外，肋在流向上的被流过的表面对应于旋流发生器，其基本上包括三个三角形表面，围绕三角形表面出现流。因此，肋在两个相邻肋之间的长度可由多个这样的发生器形成。这些是顶表面和两个侧表面。在它们纵向范围上，这些表面在流向上以某个角度延伸。旋流发生器的侧壁优选由直角三角形构成，利用它们的纵向侧优选气密性地固定到上面已经论述的通道壁上。它们定向成使得它们在它们的狭窄侧处形成面，同时包围锐角或箭头角度。面实现成尖锐的连接边缘，并且其垂直于每个通道壁，侧表面与通道壁齐平。包围箭头角度的两个侧表面在形式、大小和定向上是对称的，并且它们布置在对称轴线的两侧，对称轴线与导管轴线相同方向。

旋流发生器的运行模式如下：当围绕边缘出现流时，主要流转换成一对相反地定向的旋流。旋流轴线位于主要流的轴线中。漩涡数和旋流破碎(如果其是所意图的话)的位置通过对应地选择设定角度和箭头角度确定。旋流强度和漩涡数随着角度增大而增大，并且漩涡破碎的位置向上游移位到旋流发生器本身的区域中。取决于使用，这些所述两个角度通过设计条件和过程本身来预先确定。这些旋流发生器仅仅需要在长度和高度方面进行调节。

沿着肋的牙槽结构在冷却介质的流向上产生的旋流对于选择经调节的肋的数量和布置是最终决定性的，经调节的肋具有旋流发生器的形式。

在冷却通道足够狭窄的情况下，不再需要肋。较高的流速提供足够热传递系数。

销相对于冷却流体的流向沿径向间隔开，并且在被流过的壁之间沿侧向延伸。各个销在下游设置成与翼型件的一个通道沿径向对齐。照这样，各个销在离开各个子通道的流中提供阻碍。各个销在横截面上是圆形的，并且在径向尺寸方面相等。应当显而易见的是，可使用各种形状和大小的销的混合。

离开通道的冷却流体冲击在沿着被冷却通道设置的一个销上。冷却过程在一方面导致热在销和冷却流体之间传递，并且还导致旋流在流过销的流中产生。产生的旋流导致额外的热从通道表面传递到冷却流体。围绕销流动的冷却流体然后在流向上冲击在肋的被流过的表面上。另一方面，这个冲击再次产生热传递且导致相对于肋的牙槽结构之间的通道表面产生流旋流。

肋的牙槽结构之间的间隔限定各个被冷却通道中的障碍。障碍容许在通道之间有横向流。横向流确保在第一多个被冷却通道中的一个被阻塞的情况下，冷却流体将继续分布在通道空间的相邻范围上。通过障碍得到的横向流提供一种手段来回填在翼型件的被阻塞的第一子通道的下游的各个第二多个子通道。另外，各个销在通道内提供阻碍，这促进通道之间的横向流，并且促进冷却流分配到通道的整个延伸上。

通过结合后缘的通道散布冷却流体，离开的冷却流体的速度被降低，以降低冷却流体从后缘上分离的可能性。

本发明的主要优点在于，冷却结构基本改进了热传递，并且持续地减少了冷却空气消耗，这导致发动机有更好的性能。

附图说明

后面将基于示例性实施例，结合附图来更详细地阐述本发明。在附图中：

图1呈现了横截面，其显示具有本发明的热交换壁的燃气涡轮的众所周知的转子叶片；

图2显示包括销和肋的冷却通道的横截面；

图3显示沿着冷却通道的销和肋结构的平面图；

图4显示梯形肋的截面；

图5显示具有倾斜表面的肋的截面；

图6显示作为旋流发生器的另一个肋的三维图。

部件列表：

100流冷却路径，通道

100a转子叶片或导叶内的用于冷却流体的通道

101a转子叶片或导叶内的用于冷却流体的通道

102a转子叶片或导叶内的用于冷却流体的通道

110压力侧的被流过的表面

111吸力侧的被流过的表面

120涡轮工作气体

130冷却介质或流体

131冷却流体的排出口

200销

300肋

300a具有梯形形式的肋

300b具有倾斜表面的肋

300c具有旋流发生器功能的肋

310顶表面

311侧表面

312沿纵向定向的边缘

313侧表面

314沿纵向定向的边缘

315沿横向定向的边缘

316连接边缘

317对称轴线

318会聚点

α箭头角度

γ设定角度

w肋的宽度

h肋的高度。

具体实施方式

参照图1，冷却通道100a设置在燃气涡轮的转子叶片或导叶(在下面，为了简化，由转子叶片表示)中，以将冷却介质130发送到其中。流冷却路径100的内壁被热交换壁110a和111a覆盖，其中，销(参见图2)设置在冷却通道100a的内侧附近。热交换壁110a和111a的结构可与任何其它冷却路径101a、102a的结构相同。

当运行燃气涡轮时，高温气体120被吹向转子叶片，并且转子叶片围绕旋转轴(未显示)旋转。冷却介质130从转子叶片的基部部分供应到冷却通道100a中。冷却介质130从转子叶片带走热，并且排出到路径131，高温气体120流过路径131。热交换壁110a、111a设置在冷却通道100a的内壁上，以高效地将转子叶片的热传递到冷却介质130。

因为转子叶片高效地被沿着通道100a、101a、102a的热交换冷却，所以其优选地在使用了较高温度的气体120的燃气涡轮中使用。或者，冷却介质130的流率与燃气涡轮相比很小，燃烧气体120的温度与之相等。

图2显示在转子导叶或导叶的后缘的区域中的冷却通道100的横截面，其包括销200和肋300。肋高度h适于销高度，其中肋高度适于销高度的某个百分比。在底部201(参见图4)处的肋宽度w适于可铸造性要求，其中宽度应当大于高度的60%。

当肋的高度低时，肋的顶部分所产生的紊流到达基部壁110和底部壁111板表面，以促进热交换。壁110和111对应于转子叶片或导叶的压力侧和吸力侧。这个实施例在销具有低导热性的情况下是有效的。这个结果的原因是因为通道的基板可通过直接冷却基板的表面而非冷却较低导热性的销的侧面来更高效地冷却。当圆形肋的直径较小时，在冷却空气流的方向上的凸出区域减小，使得可减少压力损失。

相对于冷却介质130的流向，销200沿径向或沿准径向沿着通道100间隔开，并且在被流过的表面110、111之间沿侧向延伸。各个销200设置成横向于沿着转子或导叶的后缘的冷却流体的流向。照这样，各个销200在离开被流过的通道100的流中提供阻碍。各个销200的横截面为圆形且径向尺寸相等。应当显而易见的是，可使用各种形状和尺寸的销的混合。

图3显示沿着冷却通道100，相应地100a(见图1)的销200和肋300结构的平面图。肋300沿着冷却通道100设置在销构造之间，从而形成牙槽或准牙槽结构。肋的这个结构限定各个受冷却通道100中的障碍。障碍容许在冷却通道100内有横向流。横向流确保在被冷却通道的第一部分中的一个被堵塞的情况下，冷却流体将继续分布在通道空间的相邻范围上。通过障碍得到的横向流提供一种手段来回填在翼型件的被堵塞的第一子通道的下游的各个第二多个子通道(参见图1)。另外，各个销200在通道内提供阻碍，这促进通道之间的横向流，并且促进冷却流分布在通道的整个延伸上。在冷却通道100足够狭窄的情况下，不再需要肋300。较高的流速提供了足够的热传递系数。

图4显示包围宽度w和高度h构造的梯形肋300a的截面。

图5显示在两个销之间的具有倾斜表面300b的肋的截面。

根据图6，热气体130的流由箭头显示(参见图3)，其中流向也预先确定。根据图6，旋流发生器300c基本上包括三个三角形表面，围绕三角形表面出现流。这些是顶表面310和两个侧表面311和313。在它们的纵向范围上，这些表面在流向上以某个角度延伸。旋流发生器300c的侧壁优选由直角三角形构成，利用它们的纵向侧优选气密性地固定到通道或导管壁110上。它们定向成使得它们在它们的狭窄侧处形成面，同时包围锐角或箭头角度α。面实现成尖锐的连接边缘316，并且垂直于每个导管壁110，侧表面与导管壁齐平。包围箭头角度α的两个侧表面311、313在形式、大小和定向上是对称的，并且它们布置在对称轴线317的两侧，对称轴线与导管轴线同方向。

在每个狭窄边缘315横向于其中有流的导管而延伸的情况下，顶表面310与侧表面311、313承靠在相同的导管壁110上。其沿纵向定向的边缘312、314与凸出到流导管中的侧表面311、313的沿纵向定向的边缘齐平。顶表面310以设定角度γ延伸到导管壁110，其纵向边缘312、314与连接边缘316形成点318。旋流发生器300c当然还可设置有基部表面，利用该基部表面，其以适当的方式紧固到导管壁110上。但是，这种基部表面不再与元件的运行模式相关。

旋流发生器300c的运行模式如下：当流出现在边缘312和314周围时，主要流转换成一对相反地定向的旋流，如图中示意性地显示的那样。旋流轴线位于主要流的轴线中。漩涡数和旋流破碎(如果其是所意图的话)的位置通过对应地选择设定角度γ和箭头角度α所确定。旋流强度和漩涡数随着角度的增大而增加，并且漩涡破碎的位置向上游移位到旋流发生器300c本身的区域中。取决于运行用途，这两个角度α和γ由设计条件和过程本身所预先确定。这个旋流发生器仅需要在长度、宽度和高度方面进行调节。

在图6中，两个侧表面311、313的连接边缘316形成旋流发生器300c的下游边缘。顶表面310的边缘315横向于流通过其中的导管而延伸，边缘315因此是首先被导管流作用的边缘。

虽然结合当前所认为的最实际和优选的实施例来描述本发明，但是要理解，本发明不限于公开的实施例，而是相反，其意图覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置，所述范围应当与最宽的解释相一致，以便包含在法律所允许的所有这样的修改和等效结构。此外，应当理解，虽然在上面的描述中使用的词语优选的、优选地、优选或有利地表示所描述的特征可为较合乎需要的，但是其可不是必要的，并且缺乏其的任何实施例可设想为在本发明的范围内，该范围由所附权利要求限定。在阅读权利要求时，意图的是，当使用诸如"一个"、"一种"、"至少一个"和"至少一部分"的词语时，不意图将权利要求仅一个项目，除非在权利要求中特别有相反的陈述。另外，当使用语言"至少一部分"和/或"一部分"时，该项目可包括整个项目的一部分和/或整个项目，除非特别有相反的陈述。

Claims (11)

1.一种用于燃气涡轮发动机的转子叶片或导叶翼型件，所述燃气涡轮发动机具有纵向轴线和冷却流体源，所述翼型件具有压力壁、吸力壁、前缘、后缘和至少一个冷却流体流道，其中所述冷却流体流道与所述冷却流体源处于流体连通，并且提供了用于至少将冷却流体引导到所述后缘的器件，其中所述冷却流体流道包括：一个或多个沿轴向延伸的壁，所述壁中的各个在所述压力壁和吸力壁(110，111)之间沿侧向延伸，一个或多个壁在所述冷却流体流径内间隔开，使得相邻的壁对在所述压力壁和吸力壁之间限定通道，相邻壁之间的间隔沿所述冷却流体的流向包括规则或不规则设置的销(200)和肋(300)的结构，其中所述销整体地或大致覆盖所述流体流道的轴向高度，所述肋相对于主动连接的销具有更深的水平，并且所述肋在各相邻销之间建立桥状连接。

2.根据权利要求1所述的转子叶片或导叶，其特征在于，相对于所述燃气涡轮的纵向轴线，在相邻的壁对之间的至少一个冷却流道在所述转子叶片或导叶内沿径向或沿准径向间隔开，其中所述冷却流道沿所述冷却流体的流向包括规则或不规则设置的销和肋的结构，所述销整体地或大致覆盖所述冷却流道的宽度，所述肋相对于主动连接的销具有更深的水平，并且所述肋在各相邻销之间建立桥状连接。

3.根据权利要求1或2所述的转子叶片或导叶翼型件，其特征在于，所述肋在各两个相邻销之间建立桥状连接。

4.根据权利要求1或2所述的转子叶片或导叶翼型件，其特征在于，各相邻肋之间的与肋相关的桥状连接沿所述冷却流体的流向沿着所述通道的长度的至少一个部分延伸。

5.根据权利要求4所述的转子叶片或导叶翼型件，其特征在于，各相邻肋之间的与肋相关的桥状连接沿所述冷却流体的流向仅沿着所述通道的长度的第一流应用部分延伸。

6.根据权利要求1或2所述的转子叶片或导叶翼型件，其特征在于，所述肋具有正方形或三角形或梯形横截面。

7.根据权利要求6所述的转子叶片或导叶翼型件，其特征在于，所述肋的相对于所述冷却流体的流向的前部面包括倾斜或渐缩表面。

8.根据权利要求1或2所述的转子叶片或导叶翼型件，其特征在于，所述梯形横截面具有顶宽度(w)，其大于高度(h)的60%。

9.根据权利要求1或2所述的转子叶片或导叶翼型件，其特征在于，各两个相邻销之间的肋由具有三个三角形表面的至少一个旋流发生器构成。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的转子叶片或导叶翼型件，其特征在于，在所述通道的高度和所述销的横截面变小处，所述销的翼展方向的节距减小。

11.根据权利要求1至10中的任一项所述的转子叶片或导叶翼型件，其特征在于，具有较大的横截面的销的翼展方向的节距等于或对应于具有较小横截面的定位在下游的销的翼展方向的节距的倍数。