CN105164376A - 涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

公开由从涡轮叶片(18)叶顶(16)径向向外延伸的压力侧叶顶壁(12)和吸入侧叶顶壁(14)形成的凹槽状叶顶(10)。压力和吸入侧叶顶壁(12，14)可分别沿涡轮叶片(18)的压力侧壁(20)和吸入侧壁定位。压力侧壁(20)可包括具有膜冷却孔(26)的倒角前缘(46)，膜冷却孔具有定位于其中的排出出口(28)。轴向延伸叶顶壁(30)可由形成凹形轴向延伸叶顶壁(30)在相交部(36)接合到一起的至少两个外线性表面(32，34)形成。轴向延伸叶顶壁(30)可包括形成了形成冷却系统(40)内腔(38)径向外端部的凸形内表面(33)。冷却系统(40)可包括轴向延伸叶顶壁(30)中接近吸入侧壁(22)的一个或多个膜冷却孔(42)，这促进压力和吸入侧壁(20，22)的增加的冷却。

Description

涡轮叶片
关于联邦资助研究或开发的声明
本发明的开发由合同编号为DE-FC26-05NT42644的美国能源部关于先进涡轮机开发计划部分地支持。因此，美国政府可以具有本发明中的某些权利。
技术领域
本发明大体指向于涡轮叶片，并且更特别指向于用于涡轮叶片的翼尖。
背景技术
典型地，燃气涡轮发动机包括用于压缩空气的压气机、用于将压缩空气与燃料混合并将混合物点火的燃烧器和用于产生动力的涡轮叶片组件。燃烧器经常在可超过2,600华氏度的高温下操作。典型的涡轮燃烧器配置使涡轮叶片组件暴露于这些高温中。作为结果，涡轮叶片必须由能够承受这样的高温的材料制成。
典型地，涡轮叶片由在一个端部处的根部分和形成从在涡轮叶片的相反端部处联接至根部的平台向外延伸的叶片的细长部分形成。叶片通常由与根部分相反的叶顶、前缘和后缘组成。涡轮叶片的叶顶常常具有用以减小在涡轮的气体路径中环段与叶片之间的间隙的尺寸的叶顶特征以防止叶顶流量泄漏，其降低了由涡轮叶片产生的扭矩的量。叶顶特征常称作凹槽状叶顶(squealertip)并且往往被包含到叶片的叶顶上以帮助减小涡轮级之间的性能损失。这些特征被设计成使叶顶与环段之间的泄漏最小化。
发明内容
公开了一种由径向延伸的压力侧叶顶壁和从涡轮叶片的由轴向延伸的叶顶壁形成的叶顶径向向外延伸的径向延伸的吸入侧叶顶壁形成的凹槽状叶顶。径向延伸的压力和吸入侧叶顶壁可以被分别沿着涡轮叶片的压力侧壁和吸入侧壁定位。径向延伸的压力侧叶顶壁可以包括具有一个或多个膜冷却孔的倒角前缘，所述膜冷却孔具有被定位在其中的排出出口。轴向延伸的叶顶壁可以由形成了凹形轴向延伸的叶顶壁的在相交部处被接合到一起的至少两个外侧线性表面形成。轴向延伸的叶顶壁可以包括形成了形成冷却系统的内腔的径向外端部的凸形内表面。冷却系统可以包括在轴向延伸的叶顶壁中的接近于吸入侧壁的一个或多个膜冷却孔，这促进了压力和吸入侧壁处的增加的冷却。
涡轮叶片可以由具有前缘、后缘、在第一端部处的尖端和在与第一端部基本相反的端部处被联接至叶片的用于支撑叶片且用于将叶片联接至盘的根部的大体细长的翼型形成。涡轮叶片也可以由从前缘延伸至后缘的压力侧壁和从前缘延伸至后缘并被定位在大体细长的翼型的与压力侧壁相反侧上的吸入侧壁形成。形成内部冷却系统的一个或多个腔可以被包括在涡轮叶片中。
凹槽状叶顶可以被定位在第一端部处。凹槽状叶顶可以由具有与压力侧壁的外表面齐平的外表面的径向延伸的压力侧叶顶壁、具有与吸入侧壁的外表面齐平的外表面的径向延伸的吸入侧叶顶壁和在压力侧叶顶壁与吸入侧叶顶壁之间延伸的轴向延伸的叶顶壁形成。轴向延伸的叶顶壁可以由形成凹形轴向延伸的叶顶壁的在相交部处被接合到一起的两个或多个外侧线性表面形成。形成轴向延伸的叶顶壁的两个外侧线性表面被接合所在的相交部可以被定位成：从径向延伸的压力侧叶顶壁的内表面与轴向延伸的叶顶壁的外侧第一表面的相交部径向向内，并从径向延伸的吸入侧叶顶壁的内表面与轴向延伸的叶顶壁的外侧第二表面的相交部径向向内。
径向延伸的压力侧叶顶壁可以包括相对于大体细长的翼型的形成了压力侧壁的外表面以锐角定位的倒角表面。径向延伸的压力侧叶顶壁的倒角表面可以只针对径向延伸的压力侧叶顶壁的整个长度的一部分延伸。径向延伸的压力侧叶顶壁可以从前缘延伸并终止于后缘。涡轮叶片也可以包括被定位在径向延伸的压力侧叶顶壁中的一个或多个膜冷却孔，膜冷却孔具有在径向延伸的压力侧叶顶壁的外表面中的出口和将膜冷却孔与形成了内部冷却系统的腔联接的入口。膜冷却孔的出口可以被定位在径向延伸的压力侧叶顶壁的倒角表面中。
径向延伸的吸入侧叶顶壁可以从大体细长的翼型的后缘朝向前缘延伸、终止于前缘并且可以被联接至径向延伸的压力侧叶顶壁。一个或多个膜冷却孔可以被定位在轴向延伸的叶顶壁的与径向延伸的吸入侧叶顶壁接触的外侧线性表面中。膜冷却孔可以包括在轴向延伸的叶顶壁中的出口和将膜冷却孔与形成了内部冷却系统的腔联接的入口。轴向延伸的叶顶壁的形成了形成内部冷却系统的腔的径向外边界的内表面可以具有凸形表面，凸形表面具有在与压力和吸入侧壁的相交部处的凸形表面的径向最外侧点。形成了内部冷却系统的腔可以包括将内部冷却系统分成压力和吸入侧的径向延伸的中央区肋。
本发明的优点在于，轴向延伸的叶顶壁的凸形内表面提高了邻接于经受高温的热气体路径的压力和吸入侧壁的叶顶转弯处的冷却。
本发明的另一优点在于，形成凹槽状叶顶的凹形外表面形成了用于静压恢复和叶顶泄漏流量降低操作的深的外部叶顶腔。
在下面更加详细地描述这些及其他实施例。
附图说明
被包含在说明书中并形成其一部分的附图图示出当前公开的发明的实施例并且与描述一起公开了发明的原理。
图1是具有凹槽状叶顶的涡轮叶片的立体图。
图2是凹槽状叶顶的在图1中示出的涡轮叶片的前缘处的局部立体细节图。
图3是图1中示出的凹槽状叶顶的俯视图。
图4是涡轮叶片叶顶的在图1中的截面线4-4处截取的截面图。
图5是图4中图示出的冷却系统的示意图。
图6是凹槽状叶顶的在图4中的截面线6-6处截取的局部截面图。
图7是凹槽状叶顶的另一实施例的在图4中的截面线7-7处截取的局部截面图。
图8是凹槽状叶顶的又一实施例的在图4中的截面线8-8处截取的局部截面图。
图9是凹槽状叶顶的再一实施例的在图4中的截面线9-9处截取的局部截面图。
具体实施方式
如图1至图9所示，公开了一种凹槽状叶顶10，由从涡轮叶片18的由轴向延伸的叶顶壁30形成的叶顶16径向向外延伸的径向延伸的压力侧叶顶壁12和径向延伸的吸入侧叶顶壁14形成。径向延伸的压力和吸入侧叶顶壁12、14可以被分别沿着涡轮叶片18的压力侧壁20和吸入侧壁22定位。径向延伸的压力侧叶顶壁12可以包括具有一个或多个膜冷却孔26的倒角前缘24，膜冷却孔26具有被定位在其中的排出出口28。轴向延伸的叶顶壁30可以由形成了凹形轴向延伸的叶顶壁的在相交部36处被接合到一起的至少两个外侧线性表面32、34形成。轴向延伸的叶顶壁30可以包括形成了形成冷却系统40的内腔38的轴向外端部的凸形内表面33。冷却系统38可以包括在轴向延伸的叶顶壁30中的接近吸入侧壁22的一个或多个膜冷却孔42，这促进了在压力和吸入侧壁20、22处的增加的冷却。
如图1所示，涡轮叶片18可以由具有前缘46和后缘48的大体细长的翼型44形成。大体细长的翼型44可以包括在第一端部50处的叶顶16和在与第一端部50大体相反的第二端部54处被联接至叶片44的用于支撑叶片44且用于将叶片44联接至盘的根部52。内部冷却系统40如图4至图9所示可以由被定位在大体细长的翼型44内的至少一个腔38形成。冷却系统40可以如图5所示地配置或者可以具有任何适当的配置以在工作的燃气涡轮发动机中使用期间冷却涡轮叶片18。涡轮叶片18及上面列出的其有关的部件可以由现有技术中已经知道的或者尚待发现或认定的任何适当的材料形成。
如图1所示，涡轮叶片18也可以包括从前缘46延伸至后缘48的压力侧壁20和从前缘46延伸至后缘48且被定位在大体细长的翼型44的与压力侧壁20的相反侧上的吸入侧壁22以及形成内部冷却系统40的腔38。
凹槽状叶顶10可以被定位在第一端部50处并且可以由具有与压力侧壁20的外表面58齐平的外表面56的径向延伸的压力侧叶顶壁12形成。径向延伸的压力侧叶顶壁12和径向延伸的吸入侧叶顶壁14可以具有任何适当的高度和宽度。在至少一个实施例中，如图6至图9所示，径向延伸的压力侧叶顶壁12或径向延伸的吸入侧叶顶壁14或者两者可以具有在大约2:1与1:2之间的高度宽度比率，并且在至少一个实施例中，可以是大约1:1。凹槽状叶顶10也可以包括具有与吸入侧壁22的外表面62齐平的外表面60的径向延伸的吸入侧叶顶壁14。轴向延伸的叶顶壁30可以在压力侧叶顶壁12与吸入侧叶顶壁14之间延伸。轴向延伸的叶顶壁30可以由形成凹形轴向延伸的叶顶壁30的在相交部36处被接合到一起的至少两个外侧线性表面32、34形成。形成了轴向延伸的叶顶壁30的两个外侧线性表面32、34被接合所在的相交部36可以被定位成从径向延伸的压力侧叶顶壁12的内表面66与轴向延伸的叶顶壁30的外侧第一表面68的相交部64径向向内并且从径向延伸的吸入侧叶顶壁14的内表面72与轴向延伸的叶顶壁30的外侧第二表面74的相交部70径向向内。
如图1至图3、图8和图9所示，径向延伸的压力侧叶顶壁12可以包括相对于大体细长的翼型44的形成了压力侧壁20的外表面58以锐角定位的倒角表面76。径向延伸的压力侧叶顶壁12的倒角表面76可以只针对径向延伸的压力侧叶顶壁12的整个长度的一部分延伸。在另一实施例中，径向延伸的压力侧叶顶壁12的倒角表面76可以针对径向延伸的压力侧叶顶壁12的整个长度延伸。径向延伸的压力侧叶顶壁12可以从前缘46延伸并且可以终止于后缘48。径向延伸的吸入侧端部壁14可以从后缘48朝向大体细长的翼型44的前缘46延伸、终止于前缘46并且可以被联接至径向延伸的压力侧叶顶壁12。
如图1至图3、图8和图9所示，一个或多个膜冷却孔26可以被定位在径向延伸的压力侧叶顶壁12中，其具有在径向延伸的压力侧叶顶壁12中的外表面56中的出口28和将膜冷却孔26与形成内部冷却系统40的腔38联接的入口82。膜冷却孔26的出口28可以被定位在径向延伸的压力侧叶顶壁12的倒角表面76中。被定位在径向延伸的压力侧叶顶壁12中的膜冷却孔26可以相对于径向延伸的压力侧叶顶壁12的外表面56以锐角延伸。另外，膜冷却孔26可以相对于径向延伸的压力侧叶顶壁12的倒角表面76以锐角延伸到径向延伸的压力侧叶顶壁12内。在另一实施例中，膜冷却孔26可以大体正交于径向延伸的压力侧叶顶壁12的倒角表面76地延伸到径向延伸的压力侧叶顶壁12内。
凹槽状叶顶10也可以包括被定位在轴向延伸的叶顶壁30的与径向延伸的吸入侧端部壁14接触的外侧线性表面34中的一个或多个膜冷却孔42。膜冷却孔42可以包括在轴向延伸的叶顶壁30中的出口86和将膜冷却孔42与形成内部冷却系统40的腔38联接的入口88。
轴向延伸的叶顶壁30的形成了形成内部冷却系统40的腔38的径向外边界的内表面33具有凸形表面，该凸形表面具有在与压力和吸入侧壁20、22相交部94、96处的凸形表面33的径向最外侧点90、92。形成内部冷却系统40的腔38可以包括如图6、图7和图9所示将内部冷却系统40分成压力和吸入侧100、102的径向延伸的中央区肋98。
使用期间，冷却流体被传到内部冷却系统40内。冷却流体可以流过冷却系统40并且随着冷却流体使形成涡轮叶片18的材料的温度降低而在温度上增加。冷却流体可以流到在与压力和吸入侧壁20、22的相交部94、96处的凸形表面33的径向最外侧点90、92内，其中流体的至少一部分可以通过涡轮叶片18的叶顶16中的膜冷却孔26和42被从冷却系统40中排出。冷却流体可以通过对流而冷却叶顶16并且可以通过经由膜冷却孔26和42排出而冷却凹槽状叶顶10的多个方面。流过径向延伸的压力侧叶顶壁12的热气体进入外侧叶顶腔104内，该腔提供了静压恢复和叶顶泄漏流量降低。
前述内容被提供用于图示、解释和描述本发明的实施例的目的。对这些实施例做出变型和修改对本领域技术人员而言是显而易见的并且可以在不脱离本发明的范围或精神的情况下进行。

Claims (12)

1.一种涡轮叶片(18)，包括：
大体细长的翼型(44)，具有前缘(46)、后缘(48)、在第一端部(50)处的叶顶(16)和在与所述第一端部(50)大体相反的端部(54)处被联接至所述翼型(44)的用于支撑所述翼型(44)并用于将所述翼型(44)联接至盘的根部(52)；从所述前缘(46)延伸至所述后缘(48)的压力侧壁(20)；和从所述前缘(46)延伸至所述后缘(48)并被定位在所述大体细长的翼型(44)的与所述压力侧(20)的相反侧上的吸入侧壁(22)；以及形成内部冷却系统(40)的至少一个腔；
在所述第一端部(50)处的凹槽状叶顶(10)，其中所述凹槽状叶顶(10)由具有与所述压力侧壁(20)的外表面(58)齐平的外表面(56)的径向延伸的压力侧叶顶壁(12)、具有与所述吸入侧壁(22)的外表面(62)齐平的外表面(60)的径向延伸的吸入侧叶顶壁(14)和在所述压力侧叶顶壁(12)与所述吸入侧叶顶壁(14)之间延伸的轴向延伸的叶顶壁(30)形成；和
其中所述轴向延伸的叶顶壁(30)由形成凹形轴向延伸的叶顶壁(30)的在相交部(36)处被接合到一起的至少两个外侧线性表面(32，34)形成。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶片(18)，其中形成了所述轴向延伸的叶顶壁(30)的所述两个外侧线性表面(32，34)被接合所在的所述相交部(36)被定位成：从所述径向延伸的压力侧叶顶壁(12)的内表面(66)与所述轴向延伸的叶顶壁(30)的外侧第一表面(68)的相交部(64)径向向内，并从所述径向延伸的吸入侧叶顶壁(14)的内表面(72)与所述轴向延伸的叶顶壁(30)的外侧第二表面(74)的相交部(70)径向向内。
3.根据权利要求1所述的涡轮叶片(18)，其中所述径向延伸的压力侧叶顶壁(12)包括相对于所述大体细长的翼型(44)的形成了所述压力侧壁(20)的所述外表面(58)以锐角定位的倒角表面(76)。
4.根据权利要求3所述的涡轮叶片(18)，其中所述径向延伸的压力侧叶顶壁(12)的所述倒角表面(76)只针对所述径向延伸的压力侧叶顶壁(12)的整个长度的一部分延伸。
5.根据权利要求3所述的涡轮叶片(18)，其中所述径向延伸的压力侧叶顶壁(12)从所述前缘(46)延伸并终止于所述后缘(48)。
6.根据权利要求3所述的涡轮叶片(18)，进一步包括被定位在所述径向延伸的压力侧叶顶壁(12)中的至少一个膜冷却孔(26)，所述至少一个膜冷却孔(26)具有在所述径向延伸的压力侧叶顶壁(12)中的所述外表面(56)中的出口(28)和将所述至少一个膜冷却孔(26)与形成了所述内部冷却系统(40)的所述至少一个腔(38)联接的入口(82)。
7.根据权利要求6所述的涡轮叶片(18)，其中所述至少一个膜冷却孔(26)的所述出口(28)被定位在所述径向延伸的压力侧叶顶壁(12)的所述倒角表面(76)中。
8.根据权利要求1所述的涡轮叶片(18)，进一步包括被定位在所述径向延伸的压力侧叶顶壁(12)中的至少一个膜冷却孔(26)，所述至少一个膜冷却孔(26)具有在所述径向延伸的压力侧叶顶壁(12)中的所述外表面(56)中的出口(28)和将所述至少一个膜冷却孔(26)与形成了所述内部冷却系统(40)的所述至少一个腔(38)联接的入口(82)。
9.根据权利要求1所述的涡轮叶片(18)，其中所述径向延伸的吸入侧叶顶壁(14)从所述大体细长的翼型(44)的所述后缘(48)朝向所述前缘(46)延伸、终止于所述前缘(46)并且被联接至所述径向延伸的压力侧叶顶壁(12)。
10.根据权利要求1所述的涡轮叶片(18)，进一步包括被定位在所述轴向延伸的叶顶壁(30)的与所述径向延伸的吸入侧叶顶壁(14)接触的外侧线性表面(34)中的至少一个膜冷却孔(42)，其中所述至少一个膜冷却孔(42)包括在所述轴向延伸的叶顶壁(30)中的出口(86)和将所述至少一个膜冷却孔(42)与形成了所述内部冷却系统(40)的所述至少一个腔(38)联接的入口(88)。
11.根据权利要求1所述的涡轮叶片(18)，其中所述轴向延伸的叶顶壁(30)的形成了形成所述内部冷却系统(40)的所述至少一个腔(38)的径向外边界的内表面(33)具有凸形表面，所述凸形表面具有在与所述压力侧壁和吸入侧壁(20，22)的相交部(94，96)处的所述凸形表面(33)的径向最外侧点(90，92)。
12.根据权利要求1所述的涡轮叶片(18)，其中形成了所述内部冷却系统(40)的所述至少一个腔(38)包括将所述内部冷却系统(40)分成压力侧和吸入侧(100，104)的径向延伸的中央区肋(98)。
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