CN105909315A - 涡轮转子叶片 - Google Patents

Abstract

一种涡轮转子叶片包括尖端部分(46)，其具有压力尖端壁(62)和吸力尖端壁(64)、尖端前缘(68)和尖端后缘(70)，其中压力尖端壁和吸力尖端壁限定后缘尖端厚度。还包括的是至少部分地由压力尖端壁和吸力尖端壁限定的声响器腔(80)，声响器腔包括沟槽(84)，其完全地延伸至尖端后缘以形成从尖端后缘向外的开放流路。进一步包括的是从涡轮转子叶片的根部部分(44)延伸至尖端部分的吸力侧壁(50)和压力侧壁(48)，其中吸力侧壁和压力侧壁限定后缘叶片厚度，后缘尖端厚度比后缘叶片厚度更大。

Description

涡轮转子叶片

技术领域

本文中所公开的主题涉及涡轮系统，并且更具体地涉及带有冷却增强和尖端泄漏损失降低的涡轮转子叶片。

背景技术

在燃气涡轮发动机中，在压缩机中加压的空气用于使燃烧器中的燃料燃烧，以生成热燃气流，于是，这样的气体向下游穿过一个或更多个涡轮，使得能够从这样的气体提取能量。按照这样的涡轮，通常，多排周向隔开的涡轮转子叶片从支撑转子盘径向地向外延伸。各叶片典型地包括：燕尾榫，其许可将叶片装配和拆卸于转子盘中的对应的燕尾榫狭槽中；以及翼型件，其从燕尾榫径向地向外延伸，并且与穿过发动机的工作流体流相互作用。

翼型件具有大体上凹状的压力侧和大体上凸状的吸力侧，压力侧和吸力侧在对应的前缘与后缘之间轴向地延伸，并且在根部与尖端之间径向地延伸。将理解到，叶片尖端与径向地位于外部的涡轮护罩紧密地隔开，以用于使在涡轮叶片之间向下游流动的燃气在叶片尖端与涡轮护罩之间的泄漏极小化。通过使尖端空隙或间隙极小化使得防止泄漏而获得发动机的改进的效率，但该策略在某种程度上受到转子叶片与涡轮护罩之间的不同的热膨胀及收缩速率与机械膨胀及收缩速率以及避免在运行的期间具有尖端摩擦护罩的不期望的场景的动机限制。

另外，由于涡轮叶片浸于热燃气中，因而要求有效冷却，以用于确保有用的零件寿命。典型地，叶片翼型件是空心的，并且安置成与压缩机流体连通，使得接收从压缩机流出的加压后的空气的一部分而用于使翼型件冷却。翼型件冷却相当复杂，并且可以使用各种形式的内部冷却通道和特征以及用于排放冷却空气的穿过翼型件的外壁的冷却孔来采用翼型件冷却。不过，翼型件尖端特别地难以冷却，因为翼型件尖端定位成与涡轮护罩紧邻，并且，被流过尖端间隙的热燃气加热。因此，在叶片的翼型件内侧被引导的空气的一部分典型地穿过尖端而排放，以用于使尖端冷却。

叶片的尖端部分往往包括袋(pocket)，冷却空气排放至该袋，但冷却空气典型地被迫越过袋壁的顶部而径向地向外排出，由此不利用高压冷却流来促成产生功/转矩。

发明内容

根据本发明的一个方面，涡轮转子叶片包括尖端部分，尖端部分具有压力尖端壁和吸力尖端壁、尖端前缘和尖端后缘，其中压力尖端壁和吸力尖端壁限定后缘尖端厚度。还包括声响器腔，声响器腔至少部分地由压力尖端壁和吸力尖端壁限定，声响器腔包括沟槽，沟槽完全地延伸至尖端后缘以形成从尖端后缘向外的开放流路。进一步包括吸力侧壁和压力侧壁，吸力侧壁和压力侧壁从涡轮转子叶片的根部部分延伸至尖端部分，其中吸力侧壁和压力侧壁限定后缘叶片厚度，后缘叶片厚度比后缘尖端厚度更小。

根据本发明的另一方面，涡轮系统的涡轮区段包括形成多个涡轮级的多个涡轮转子叶片，其中多个涡轮转子叶片中的每一个包括前缘、后缘、吸力侧壁和压力侧壁，其中吸力侧壁和压力侧壁限定后缘叶片厚度。还包括多个涡轮转子叶片中的至少一个的尖端部分，该尖端部分具有压力尖端壁和吸力尖端壁、尖端前缘和尖端后缘，其中最接近尖端后缘的压力尖端壁和吸力尖端壁限定后缘叶片厚度，后缘尖端厚度比后缘叶片厚度更大。

根据本发明的又一方面，燃气涡轮发动机包括压缩机区段、燃烧区段以及涡轮区段。涡轮区段包括形成多个涡轮级的多个涡轮转子叶片，其中多个涡轮转子叶片中的每一个包括前缘和后缘、吸力侧壁和压力侧壁，其中吸力侧壁和压力侧壁限定后缘叶片厚度。涡轮区段还包括多个涡轮转子叶片中的至少一个的尖端部分，该尖端部分具有压力尖端壁和吸力尖端壁、尖端前缘和尖端后缘，其中最接近尖端后缘的压力尖端壁和吸力尖端壁限定后缘尖端厚度，后缘尖端厚度比后缘叶片厚度更大。

结合附图，根据下文的描述，这些及其他优点和特征将更显而易见。

附图说明

在说明书完结处的权利要求中具体地指出和明确地主张了被视为本发明的主题。从结合附图的下文的详细描述中，本发明的前述的和其他特征以及优点是显而易见的，在附图中：

图1是燃气涡轮发动机的示意图示；

图2是燃气涡轮发动机的涡轮转子叶片的透视图；

图3是涡轮转子叶片的后缘的透视图；

图4是涡轮转子叶片的后缘的截面图；以及

图5是图示本发明的另一方面的涡轮转子叶片的后缘的透视图。

详细的描述参考附图通过示例解释本发明的实施例，连同优点和特征。

零件列表

10 燃气涡轮发动机

12 压缩机区段

14 燃烧器组件

18 燃烧器室

24 涡轮

40 涡轮转子叶片

42 主体部分

44 根部部分

46 尖端部分

48 压力侧壁

50 吸力侧壁

52 前缘

54 后缘

56 出口孔

60 尖端叶片

62 压力尖端壁

64 吸力尖端壁

68 尖端前缘

70 尖端后缘

80 声响器腔

82 至少一个小翼

84 沟槽。

具体实施方式

参考图1，示意地图示按照本发明的示范性的实施例而构建的涡轮系统，诸如燃气涡轮发动机10。燃气涡轮发动机10包括压缩机区段12和布置成环筒形阵列的多个燃烧器组件，以14指示多个燃烧器组件中的一个。燃烧器组件配置成从燃料源(未图示)接收燃料，并且从压缩机区段12接收压缩空气。将燃料和压缩空气传递至燃烧器室18中并点火以形成用于驱动涡轮24的高温高压燃烧产物或空气流。涡轮24包括多个级26-28，多个级26-28通过压缩机/涡轮轴30(也被称为转子)而在运行上连接至压缩机12。

在运行中，空气流入压缩机12中，并且被压缩成高压气体。将高压气体供给至燃烧器组件14，并且在燃烧器室18中，使高压气体与燃料(例如天然气、燃料油、过程气体和/或合成气体(合成气))混合。使燃料/空气或可燃的混合物点火以形成高压高温燃气流，高压高温燃气流被引导至涡轮24，并且，从热能转化成机械旋转能。

现在，参考图2、图3和图5，继续参考图1，图示涡轮转子叶片40也被称为“涡轮轮叶”、“涡轮叶片翼型件”等) 的一部分的透视图。要意识到，涡轮转子叶片40可以定位于涡轮24的任何级中。在一个实施例中，涡轮转子叶片40定位在涡轮24的所图示的第一级(即，级26)内。虽然仅图示三个级，但要意识到，可能存在更多个或更少个级。总之，涡轮转子叶片40包括从根部部分44延伸至尖端部分46的主体部分42。涡轮转子叶片40的主体部分42包括压力侧壁48和吸力侧壁50，其中，涡轮转子叶片40的几何结构配置成当流体流过涡轮转子叶片40时，为涡轮24提供旋转力。如所描绘的，吸力侧壁50为凸状，并且，压力侧壁48为凹状。主体部分42进一步包括前缘52和后缘54。虽然下文的讨论主要地集中于燃气涡轮，但所讨论的概念不限于燃气涡轮发动机，并且，可以应用于任何采用涡轮叶片的旋转机械。

压力侧壁48和吸力侧壁50遍及涡轮转子叶片40的整个径向跨度而沿周向方向间隔开，以限定用于引导冷却空气穿过涡轮转子叶片40，以便使涡轮转子叶片40冷却的至少一个内部流动室或通道。冷却空气典型地以任何常规的方式从压缩机区段12流出。涡轮翼型件叶片40的内侧可以具有任何配置，包括例如用于增强冷却空气效果的在其中带有各种紊流器的蜿蜒的流动通道，其中，冷却空气穿过至少一个，但典型地穿过多个出口孔56而排放，出口孔56定位于涡轮转子叶片40的尖端部分46，更具体地，最接近声响器腔(squealer cavity)80，将在下文中结合尖端部分46而详细地描述声响器腔80。

尖端部分46包括尖端板60，尖端板60安置在压力侧壁48和吸力侧壁50的径向外端的顶上，其中，尖端板60界定内部冷却腔。尖端板60可以与涡轮转子叶片40一体，或可以被焊接至适当的位置。压力尖端壁62和吸力尖端壁64可以形成于尖端板60上。大体上，压力尖端壁62从尖端板60径向地向外延伸，并且从尖端前缘68轴向地延伸至尖端后缘70。大体上，压力尖端壁62与尖端板60形成大约 90°的角，然而，这可能变化。压力尖端壁62的路径邻近于或靠近压力侧壁48的终端(即，沿着压力侧壁48位于或靠近尖端板60的外周)。

类似地，吸力尖端壁64大体上从尖端板60径向地向外延伸，并且从尖端前缘68轴向地延伸至尖端后缘70。吸力尖端壁64的路径邻近于或靠近吸力侧壁50的终端(即，沿着吸力侧壁50位于或靠近尖端板60的外周)。压力尖端壁62和/或吸力尖端壁64的高度和宽度可能取决于总体涡轮组件的最佳性能和尺寸而变化。如图所示，压力尖端壁62和/或吸力尖端壁64在形状上可以是大致矩形，然而，也有可能是其他形状。

压力尖端壁62和吸力尖端壁64大体上形成在本文中被称为声响器腔80的部分。声响器腔80可以包括任何形成于尖端部分46上或尖端部分46内的径向地向内延伸的凹陷部分或腔。大体上，声响器腔80具有与涡轮转子叶片40类似的形状或形成，然而有可能是其他形状，并且声响器腔80典型地由压力尖端壁62、吸力尖端壁64以及内部径向底板界定，内部径向底板在本文中被描述为尖端板60。

如在图3和图5中最清楚地图示，涡轮转子叶片40的尖端部分46包括定位成最接近尖端后缘70的至少一个小翼82。在一些实施例中，至少一个小翼82定位成与尖端后缘70的极端位置紧邻。基于在一个实施例中，至少一个小翼82是尖端后缘70处的尖端压力壁62的向外张开的区域这一事实，采用短语“至少一个”来描述至少一个小翼82。在另一实施例中，至少一个小翼82是尖端后缘70处的尖端吸力壁64的向外张开的区域。在又一实施例中，尖端压力壁62和尖端吸力壁64两者都在尖端后缘70向外张开，以形成至少一个小翼82。

提供了沿着后缘的局部的厚度增大，包括尖端后缘70，并且可能包括叶片的主体部分42的后缘54。厚度的增大是逐渐的，并且沿涡轮转子叶片40的径向地向外的方向扩宽。可以按线性的方式或更高次的曲线增大(图4)。术语“局部的增大”是指径向位置处的后缘自叶片的至少大约80%的径向长度处的后缘的径向点起增厚。换句话说，在远离叶片的根部的后缘长度的至少大约80%的叶片的径向长度处开始发生后缘的增厚。可以从后缘的径向长度的大约80%至与后缘的径向长度的大约100%对应的最外面的位置发生后缘厚度增大。在另一实施例中，从后缘的径向长度的大约95%至100%发生增厚。在后缘的初始扩宽之前，叶片的后缘的整个径向长度在所有的区域具有恒定的宽度。结合上文中所提供的示例而图示，从根部部分至后缘的径向长度的大约80%或大约95%，后缘厚度保持是恒定的。上文中所提供的实施例只不过是示例，并且要意识到初始扩宽的位置可能取决于应用而变化。

后缘的扩宽后的区域是作为声响器腔80的一部分的沟槽84，将在下文中详细地描述沟槽84的优点。包括至少一个小翼82的结构赋予另外的好处。与向外张开的区域相关联的一个好处是，特别是在与尖端吸力壁64相关联的实施例中，减少尖端区域泄漏，由此改进涡轮区段24的效率。这是由于与涡轮转子叶片40的尖端部分46最接近的尖端泄漏漩涡削弱而导致的，该尖端泄漏漩涡削弱倾向于抑制该区域处的流动。与至少一个小翼82相关联的另一好处涉及尖端后缘70的进一步增厚。尖端后缘70的增强的增厚进一步容纳作为声响器腔80的一部分的沟槽84。

沟槽84包括凹陷部分、槽、缺口、沟槽或类似的形成结构，该结构定位于声响器腔80的后端，并且完全地延伸至尖端部分46的尖端后缘70，由此形成从尖端后缘70向外直接地开槽至涡轮区段24的主流路中的用于冷却流的流路。沟槽84可以包括几种不同的形状、尺寸、取向排列以及配置。例如，如图2中所图示，沟槽84可以沿着基本线性的路径延伸。通常，沟槽84的纵轴沿大致向下游的方向对准。在一些实施例中，沟槽84本质上是稍弓状。预期沟槽84定位成比吸力尖端壁64更靠近压力尖端壁62。由于从沟槽84向外流动的冷却空气大体上朝向吸力尖端壁64移动，因而该配置可以允许冷却空气逸出以流过更大的尖端表面，并由此具有比后缘沟槽72定位成更靠近吸力尖端壁64的情况更大的冷却效果。然而，预期沟槽84定位成比压力尖端壁62更靠近吸力尖端壁64。另外，无论定位于何处，沟槽84都可以具有弯曲的、线性的、锯齿形的或蜿蜒的路径。在一些实施例中，可以用涂层(诸如粘结层或其他类型的高温涂层)处理沟槽84。在一些实施例中，涂层可以是带有高的铝含量的腐蚀抑制剂，诸如耐酸铝涂层。耐酸铝涂层非常适合于沟槽84的内部，因为该位置被相对地保护而免于摩擦邻近的部件。耐酸铝涂层对腐蚀高度地有效，但倾向于迅速地磨损，且因此通常不会用在涡轮叶片的叶片尖端区域上。沟槽84为其在该区域中的使用提供成本效益好的机会。

沟槽84的横截面轮廓本质上可以是大致半椭圆。备选地，虽然未在附图中描绘，但沟槽84的轮廓可以是矩形、半圆形、三角形、梯形、“V”形、“U”形及其他类似的形状以及轮廓和圆角半径的其他组合。形成在压力尖端壁62、吸力尖端壁64的顶部和沟槽84的径向地对准的壁之间的边缘可以是尖锐的(即，90度转角)，或在某些情况下，本质上更圆。

随着沟槽84朝向尖端后缘70延伸，沟槽84的深度可以大基本是恒定的。注意到，如在本文中所使用的，沟槽84的深度旨在是指沟槽84在其路径上的给定的位置处的最大的径向高度。因而，在半椭圆的轮廓的情况下，沟槽84的深度出现于椭圆形状的向内的顶点。在其他实施例中，沟槽84的深度可能变化，相对于沟槽84的上游起始位置而变得不那么深或更深。类似地，沟槽84的宽度可能沿着沟槽84的全长恒定或变化。

无论沟槽84的精确的配置如何，局部增厚的尖端后缘70和至少一个小翼82都促进尖端后缘70处的沟槽84的扩宽。具体地，限定尖端后缘70处的压力尖端壁62和吸力尖端壁64的外部部分之间的空间，并且该空间被称为后缘尖端厚度。类似地，限定主体部分42的后缘54处的压力侧壁48和吸力侧壁50的外部部分之间的空间，并且该空间被称为后缘叶片厚度。后缘尖端厚度比后缘叶片厚度更大。换句话说，使总体涡轮转子叶片40的后缘区域局部地增厚。在一个实施例中，后缘尖端厚度是后缘叶片厚度的大约1.1倍至大约3.0倍厚度。在另一实施例中，后缘尖端厚度是后缘叶片厚度的大约1.5倍至大约2.5倍厚度。在又一实施例中，后缘尖端厚度是后缘叶片厚度的大约1.95倍至大约2.05倍厚度。前述的示例只不过是说明后缘尖端厚度比后缘叶片厚度更大这一事实。叶片尖端处的厚度的局部增大增加尖端后缘部分处的额外的局部质量。尖端上的该质量的增加将沿有利的方向改变叶片的频率，这帮助满足叶片的空气动力学要求。厚度的局部增大以尖端的后缘部分处的局部质量增加作为目标。由于该位置的动能高，因而该位置对质量和刚度的改变非常敏感，这将改变翼型件的振型和频率。振型和频率的这些改变被用于叶片的优点来避免航空力学驱动器并满足设计要求。

如在上文中所注意到的，声响器腔80包括用于排出冷却流的多个出口孔56。多个出口孔56还存在于沟槽84内，以用于将冷却空气提供给声响器腔80的该区域，从而通过利用对流来带走热并使零件与工作流体的极端温度隔离而保持尖端部分46的周围的表面区域较冷。更具体地，冷却剂可以更好地使最接近尖端后缘70的尖端部分46冷却。如图所示，沟槽冷却孔口可以穿过沟槽84而均匀地隔开，并且定位于沟槽84的底板上，即，靠近沟槽84的最深的部分。

有利地，上述的实施例减少尖端泄漏流并削弱尖端泄漏漩涡，由此降低对总体涡轮系统效率直接地造成影响的损失。与小翼82组合而增大尖端部分46处的后缘厚度的结构允许声响器腔80处的沟槽84的更高的宽度。与要求冷却流从声响器腔80的径向地向外的部分逸出的封闭的声响器腔形成对比，更宽的沟槽促进使冷却流从开槽于最接近的尖端后缘70处的沟槽逸出的更宽的空间。通过仅在最接近尖端部分的部位增大后缘厚度，从而通过容纳更宽的沟槽而获得空气动力学的好处。具体地，由于随着冷却流朝向后缘流动，冷却流沿着沟槽壁赋予周向力，因而沟槽84更好地利用冷却流来从冷却流提取功。而不是由于仅仅将冷却流从声响器腔排出而浪费冷却流，而是冷却流帮助叶片的旋转。

虽然仅结合有限的数量的实施例而详细地描述了本发明，但应当容易地理解到，本发明不限于这样地公开的实施例。相反，能够修改本发明以将迄今为止未描述的但与本发明的实质和范围相应的任何数量的变型、变更、替代或等效的布置并入。另外，虽然描述了本发明的各种实施例，但要理解到，本发明的各方面可能仅包括一些所描述的实施例。因此，本发明不被看作受到前文的描述限制，而仅受到所附权利要求的范围限制。

Claims (10)

1. 一种涡轮转子叶片(40)，包括：

尖端部分(46)，其具有压力尖端壁(62)和吸力尖端壁(64)、尖端前缘(68)和尖端后缘(70)，其中所述压力尖端壁和所述吸力尖端壁限定后缘尖端厚度；

声响器腔(80)，其至少部分地由所述压力尖端壁和所述吸力尖端壁限定，所述声响器腔包括沟槽(84)，其完全地延伸至所述尖端后缘以形成从所述尖端后缘向外的开放流路；以及

吸力侧壁(50)和压力侧壁(48)，其从所述涡轮转子叶片的根部部分(44)延伸至所述尖端部分，其中所述吸力侧壁和所述压力侧壁限定后缘叶片厚度，其中所述后缘尖端厚度比所述后缘叶片厚度更大。

2. 根据权利要求1所述的涡轮转子叶片，其特征在于，所述吸力尖端壁包括最接近所述尖端后缘的小翼(82)。

3. 根据权利要求1所述的涡轮转子叶片，其特征在于，所述涡轮转子叶片的总后缘厚度从根部部分至为后缘处的所述涡轮转子叶片的总长的至少80%的所述涡轮转子叶片的径向长度是恒定的，其中所述后缘的厚度从所述后缘处的所述涡轮转子叶片的所述总长的至少80%的径向长度至所述后缘的外尖端位置逐渐地增大。

4. 根据权利要求1所述的涡轮转子叶片，其特征在于，所述后缘尖端厚度是所述后缘叶片厚度的1.1至3.0倍厚度。

5. 根据权利要求1所述的涡轮转子叶片，其特征在于，所述后缘尖端厚度是所述后缘叶片厚度的1.5至2.5倍厚度。

6. 根据权利要求1所述的涡轮转子叶片，其特征在于，所述后缘尖端厚度是所述后缘叶片厚度的大约1.95至2.05倍厚度。

7. 根据权利要求1所述的涡轮转子叶片，其特征在于，进一步包括沿着所述沟槽的全长而是恒定的沟槽深度。

8. 根据权利要求1所述的涡轮转子叶片，其特征在于，进一步包括径向地延伸贯穿所述涡轮转子叶片的多个冷却孔，所述多个冷却孔具有最接近所述声响器腔的配置成排出冷却流的多个对应的出口孔(56)。

9. 一种燃气涡轮发动机，包括：

压缩机区段(12)；

燃烧区段(14)；以及

涡轮区段(24)，包括：

多个涡轮转子叶片(40)，其形成多个涡轮级，其中所述多个涡轮转子叶片中的每一个包括前缘(52)、后缘(54)、吸力侧壁(50)和压力侧壁(48)，其中所述吸力侧壁和所述压力侧壁限定后缘叶片厚度；以及

所述多个涡轮转子叶片中的至少一个的尖端部分(46)，其具有压力尖端壁(62)和吸力尖端壁(64)、尖端前缘(68)和尖端后缘(70)，其中最接近所述尖端后缘的所述压力尖端壁和所述吸力尖端壁限定后缘尖端厚度，该后缘尖端厚度比所述后缘叶片厚度更大。

10. 根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，进一步包括至少部分地由所述压力尖端壁和所述吸力尖端壁限定的声响器腔(80)，所述声响器腔包括沟槽(84)，其完全地延伸至所述后缘以形成从所述后缘向外的开放流路。