CN106150561B - 涡轮翼型件扰流器布置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种涡轮翼型件扰流器布置，该涡轮翼型件包括前缘和后缘。还包括冷却通道，该冷却通道沿径向方向延伸并且朝向后缘向内逐渐变细，该冷却通道至少部分地由压力侧面和吸力侧面限定。还包括第一多个扰流器，该第一多个扰流器从压力侧面和吸力侧面中的一个突起以限定第一高度，该第一多个扰流器朝向涡轮翼型件的后缘延伸并且彼此径向地间隔开。还包括第二多个扰流器，该第二多个扰流器从压力侧面和吸力侧面中的一个突起以限定第二高度，该第二高度小于第一高度，第二多个扰流器朝向涡轮翼型件的后缘延伸并且彼此径向地间隔开。

Description

涡轮翼型件扰流器布置
技术领域
本说明书中所公开的主题涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地，涉及其中具有扰流器布置的涡轮翼型件。
背景技术
在诸如燃气涡轮发动机或蒸汽涡轮发动机之类的涡轮发动机中，处于相对较高温度下的流体与叶片相接触，该等叶片被配置成从流体提取机械能，从而有利于产生动力和/或电力。尽管该过程对于给定周期而言可能是高效的，但是经过延长时间，高温流体倾向于造成损坏，从而有可能使性能降级并且增加操作成本。
因此，通常需要并且建议冷却叶片，以便至少防止或者延迟早期失效。这能够通过向待冷却的叶片输送相对较冷的压缩空气来完成。具体而言，在多种传统的燃气涡轮机中，该压缩空气进入每个待冷却的叶片底部并且流过一个或多个机器加工通道以通过对流和传导的组合对叶片进行冷却。通道可以包括增强传热的特征以有助于冷却通道，然而，这些特征的一些布置对冷却气流的阻碍达到不期望的程度。因此，阻碍冷却空气与通过该等特征获得期望的传热特性之间的平衡对涡轮翼型件制造者和操作者提出了挑战。
发明内容
根据本发明的一个实施例，一种涡轮翼型件包括前缘和后缘。还包括冷却通道，该冷却通道沿径向方向延伸并且在该冷却通道朝向后缘延伸时向内逐渐变细，该冷却通道至少部分地由压力侧面和吸力侧面限定。还包括第一多个扰流器，该第一多个扰流器从压力侧面和吸力侧面中的一个突起以限定第一高度，该第一多个扰流器朝向涡轮翼型件的后缘延伸并且彼此径向地间隔开。还包括第二多个扰流器，该第二多个扰流器从压力侧面和吸力侧面中的一个突起以限定第二高度，该第二高度小于第一高度，第二多个扰流器朝向涡轮翼型件的后缘延伸并且彼此径向地间隔开。
根据本发明的另一个实施例，一种燃气涡轮发动机包括压缩机部段、燃烧器部段、和具有涡轮翼型件的涡轮部段。该涡轮翼型件包括前缘和后缘。该涡轮翼型件还包括冷却通道，该冷却通道沿径向方向延伸并且在该冷却通道朝向后缘延伸时向内逐渐变细，该冷却通道至少部分地由压力侧面和吸力侧面限定。该涡轮翼型件还包括第一多个扰流器，该第一多个扰流器从吸力侧面突起以限定第一高度，该第一多个扰流器朝向涡轮翼型件的后缘延伸并且彼此径向地间隔开。该涡轮翼型件还包括第二多个扰流器，该第二多个扰流器从吸力侧面突起以限定第二高度，该第二高度小于第一高度，该第二多个扰流器朝向涡轮翼型件的后缘延伸并且彼此径向地间隔开。该涡轮翼型件还包括第三多个扰流器，该第三多个扰流器从压力侧面突起以限定第三高度，该第三多个扰流器朝向涡轮翼型件的后缘延伸并且彼此径向地间隔开。该涡轮翼型件还包括第四多个扰流器，该第四多个扰流器从压力侧面突起以限定第四高度，该第四高度小于第三高度，第四多个扰流器朝向涡轮翼型件的后缘延伸并且彼此径向地间隔开。
通过下文结合附图的描述，这些和其它的优点以及特征将变得更加显而易见。
附图说明
主题在说明书结尾处的权利要求书中特别指出并且明确要求保护。通过下文结合附图的详细描述，本说明书中所描述的实施例的上述和其它的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；
图2是涡轮翼型件的剖面图；
图3是沿图2的线A-A截取的涡轮翼型件的剖面图；
图4是部段IV的放大图，其中示出了涡轮翼型件的冷却通道；
图5是沿图3的线C-C截取的冷却通道的剖面图；
图6是沿图3的线B-B截取的冷却通道的剖面图，其中示出了根据第一实施例的扰流器布置；
图7是沿图3的线B-B截取的冷却通道的剖面图，其中示出了根据第二实施例的扰流器布置；
图8是沿图3的线B-B截取的冷却通道的剖面图，其中示出了根据第三实施例的扰流器布置；以及
图9是沿图3的线B-B截取的冷却通道的剖面图，其中示出了根据第四实施例的扰流器布置。
参照附图通过例子，详细描述解释了实施例以及优点和特征。
具体实施方式
参照图1，示意性地示出了根据示例性实施例构造的涡轮机系统(例如燃气涡轮发动机10)。燃气涡轮发动机10包括压缩机部段12以及以环筒阵列布置的多个燃烧器组件，其中的一个燃烧器组件示为14。燃烧器组件被配置成从燃料供给(未示出)接收燃料并且从压缩机部段12接收压缩空气。燃料和压缩空气通入燃烧室18中并且点燃以形成用于驱动涡轮24的高温、高压的燃烧产物或气流。涡轮24包括通过压缩机/涡轮轴30(也称为转子)可操作地连接到压缩机12的多个级26-28。尽管仅示出了三个级，但是应当领会，可以存在更多或更少的级。
在操作中，空气流入压缩机12中并且被压缩成高压气体。高压气体被供给到燃烧器组件14并且在燃烧室18中与燃料(例如天然气、燃料油、工艺气体和/或合成气体(合成气))混合。燃料/空气或者可燃性混合物点燃以形成高压、高温的燃烧气体流，所形成的高压、高温的燃烧气体流被引导至涡轮24并且从热能转化成机械旋转能。
现在参照图2和图3，同时继续参照图1，示出了涡轮翼型件40(也被称为“涡轮斗叶”、“涡轮叶片翼型件”等)的一部分的透视图。应当领会，涡轮翼型件40可以定位在涡轮24的任何级中。在任何情况下，涡轮翼型件40从根部44径向地延伸到尖端部46。涡轮翼型件40包括压力侧壁48和吸力侧壁50，其中涡轮翼型件40的几何形状被配置成在流体流过涡轮翼型件40上方时为涡轮24提供旋转力。如图所示，吸力侧壁50成凸形，并且压力侧壁48成凹形。还包括前缘52和后缘55，该前缘和后缘通过压力侧壁48和吸力侧壁50联结。尽管以下讨论主要关注燃气涡轮机，但是所讨论的理念并不限于燃气涡轮发动机并且可以应用于采用涡轮叶片的任何旋转机械。
压力侧壁48和吸力侧壁50在涡轮翼型件40的整个径向翼展上方沿周向方向间隔开，以限定至少一个内流室或通道从而用于引导冷却空气通过涡轮翼型件40进而对其进行冷却。在所示的实施例中，示出了多个冷却通道54。在图示的实施例中，冷却方案的一部分包括蛇形流动路径，但是应当领会，可能存在备选的冷却通道配置。不论流动路径的精确程度如何，冷却空气典型地以任何传统的方式从压缩机部段12流出、被引导至多个冷却通道54并且随后排出可能定位于涡轮翼型件40上的任何合适位置处的一个或多个出口孔之外。
为了有助于获得冷却空气与涡轮翼型件40之间期望的传热，多个冷却通道54中的至少一个包括从限定了冷却通道的至少一个壁突起的一个或多个结构特征60。尽管结构特征60增强了传热，存在对阻碍冷却空气的顾虑。如图3中所示，与多个冷却通道54中的一些相关的顾虑较少，例如那些具有主要由涡轮翼型件40的较宽部分容纳的较大的横截面积的冷却通道。然而，如图所示，该等顾虑对于朝向涡轮翼型件40的后缘55定位的冷却通道而言是更普遍的。
参照图4至图6，更详细地示出了定位在最后方的冷却通道并且该冷却通道标记为62。为了讨论的目的，将仅详细地描述单个向后定位的冷却通道，但是应当理解，涡轮翼型件40的其它冷却通道可以受益于下文将详细描述的扰流器布置的实施例。
冷却通道62包括吸力侧面64和压力侧面68，该吸力侧面和压力侧面共同部分地限定冷却通道62。吸力侧面64和压力侧面68在前缘面77与后缘面75之间延伸。如图所示，在冷却通道62朝向涡轮翼型件40的后缘55并且更具体地朝向冷却通道62的后缘面75延伸时，冷却通道62向内逐渐变细。如上所述，冷却通道62包括结构特征60以用于传热目的。本说明书中详细地描述了这些特征的各个布置的实施例并且应当理解，通过保持高效传热以及避免过度阻碍冷却空气通过其中流动，该等实施例提出冷却通道62的向内逐渐变细。
第一多个扰流器70从吸力侧面64突起。第一多个扰流器70中的每一个都从吸力侧面64延伸一定距离，该距离限定了第一高度72。第一多个扰流器70中的每一个都沿径向方向彼此间隔开并且朝向涡轮翼型件40的后缘55沿纵向方向延伸。第一多个扰流器70中的每一个定向的特定角度可以发生变化。例如，第一多个扰流器70可以相对于冷却空气的主流方向平行地、垂直地、或者以一定角度定向。在图示的实施例中，所有的扰流器都以相同的角度定向，但是在一些实施例中，扰流器以不同的角度定向。
第二多个扰流器74从吸力侧面64突起。第二多个扰流器74中的每一个都从吸力侧面64延伸一定距离，该距离限定第二高度76。第二多个扰流器74中的每一个都沿径向方向彼此间隔开并且朝向涡轮翼型件40的后缘55沿纵向方向延伸。第二多个扰流器74中的每一个定向的特定角度可以发生变化。例如，第二多个扰流器74可以相对于冷却空气的主流方向平行地、垂直地、或者以一定角度定向。在图示的实施例中，所有的扰流器都以相同角度定向，但是在一些实施例中，扰流器以不同的角度定向。
为了适应冷却通道62的逐渐变细，第二高度76小于第一高度72。换句话说，第二多个扰流器74远离吸力侧面64突出得没有第一多个扰流器70那么远。该等相对的尺寸确定避免了过度阻碍冷却流，如上文所描述的那样。
第三多个扰流器78从压力侧面68突起。第三多个扰流器78中的每一个都从压力侧面68延伸一定距离，该距离限定第三高度80。第三多个扰流器78中的每一个都沿径向方向彼此间隔开并且朝向涡轮翼型件40的后缘55沿纵向方向延伸。第三多个扰流器78中的每一个定向的特定角度可以发生变化。例如，第三多个扰流器78可以相对于冷却空气的主流方向平行地、垂直地、或者以一定角度定向。在图示的实施例中，所有的扰流器都以相同角度定向，但是在一些实施例中，扰流器以不同的角度定向。
第四多个扰流器82从压力侧面68突起。第四多个扰流器82中的每一个都从压力侧面68延伸一定距离，该距离限定第四高度84。第四多个扰流器82中的每一个都沿径向方向彼此间隔开并且朝向涡轮翼型件40的后缘55沿纵向方向延伸。第四多个扰流器82中的每一个定向的特定角度可以发生变化。例如，第四多个扰流器82可以相对于冷却空气的主流方向平行地、垂直地、或者以一定角度定向。在图示的实施例中，所有的扰流器都以相同角度定向，但是在一些实施例中，扰流器以不同的角度定向。
如上文结合第一多个扰流器和第二多个扰流器所描述的那样，为了适应冷却通道62的逐渐变细，第四高度84小于第三高度80。换句话说，第四多个扰流器82远离压力侧面68突起得没有第三多个扰流器78那么远。该种相对的尺寸确定避免了过度阻碍冷却流，如上文所描述的那样。
尽管被图示和描述成具有位于冷却通道62的两个面上的扰流器布置，能够构想，冷却通道62的单个面(吸力侧面64或压力侧面68)包括扰流器。因此，尽管第一多个扰流器70和第二多个扰流器74在本说明书中被图示和描述成位于吸力侧面64上，但是能够易于领会，其可以从压力侧面68突起。此外，尽管本说明书中对于每个侧面仅图示和描述了两个扰流器类型，但是一些实施例包括超过两种不同地确定尺寸的和/或间隔的扰流器类型。对于具有位于冷却通道62的两侧上的扰流器布置的实施例而言，相应的布置可以对称或者尺寸、角取向、间隔和扰流器之间的相对对准可以发生变化。除了位于吸力侧面64和压力侧面68上的扰流器之外，一个或多个扰流器可以从前缘面77和/或后缘面75延伸。在图4图示的实施例中，扰流器79被包括在前缘77上。应当领会，位于前缘面77和/或后缘面75上的扰流器79可以以相对于从吸力侧壁64和压力侧壁68延伸的任何扰流器以相同或不同的方式确定尺寸。在一些实施例中，如图所示，扰流器79可以简单地从吸力侧壁64和/或压力侧壁68的延伸。在该等实施例中，扰流器简单地缠绕以形成位于前缘面77上的扰流器。
扰流器的传热效率部分地取决于相对尺寸、角取向、间隔和相对对准。本说明书中所公开的实施例包括有利地考虑这些因素的布置。除了上文所描述的第一高度72和第二高度76，多个第一扰流器70中的每一个都包括第一厚度86并且多个第二扰流器74中的每一个都包括第二厚度88。除了这些尺寸之外，与扰流器间隔相关联的尺寸影响传热效率。由诸如中点到中点之类的共同相应点限定的第一多个扰流器70的间隔被称为第一节距90。由诸如中点到中点之类的共同相应点限定的第二多个扰流器74的间距被称为第二节距92。第一比被定义为第一节距90除以第一高度72并且第二比被定义为第二节距92除以第二高度76。在一些实施例中，该等比均属于7到12的范围内。应当理解，第一比和第二比可以大致相等或者在7到12的特定范围内有所不同。
如图6、图7和图9中所示，第一多个扰流器70以及第二多个扰流器74在一些实施例中以相同的角度定向，同时其在其它实施例(图8)中以不同角度定向。其它的变型涉及第一多个扰流器70相对于第二多个扰流器74沿纵向方向的终点。具体而言，第一多个扰流器70的后端94延伸到极值点，并且第二多个扰流器74的前端96延伸到极值点。在一个实施例(图6)中，后端94和前端96延伸到共同平面98。在另一个实施例(图8)中，后端和前端彼此间隔开。在又一个实施例(图9)中，后端和前端以重叠布置设置，使得一组扰流器中的至少一个突起成与另一组扰流器中的至少一个重叠布置。
除了上文所描述的变型之外，提供与第一多个扰流器70和第二多个扰流器74的相对径向对准相关的多个实施例。在诸如图6中所示的至少一个实施例中，第一多个扰流器70的后端94均与第二多个扰流器74中的每一个的前端96径向错开。备选地，后端94和前端96均可以径向对准，例如图7中所示。在又一个备选方式中，如图9中所示，可以提供径向对准和错开的组合。
有利地，本说明书中所描述的实施例保持冷却通道62内期望的具有较高纵横比的传热特性。传热增强得以实现，同时还避免了阻碍冷却空气在冷却通道62内流动。
尽管已经仅结合数量有限的实施例对本发明进行了详细描述，但是应当易于理解，本发明并不限于这种所公开的实施例。相反，能够将本发明修改成结合到目前为止并未进行描述但是与本发明的精神和范围相当的任何数量的改型、变型、替代或等同布置。此外，尽管已经对各个实施例进行了描述，但是应当理解，本发明的各个方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明并不被视为受到以上描述的限制，而是仅仅通过所附权利要求的范围进行限定。

Claims (12)

1.一种涡轮翼型件，包括：
前缘；
后缘；
冷却通道，所述冷却通道沿径向方向延伸并且在所述冷却通道朝向所述后缘延伸时向内逐渐变细，所述冷却通道至少部分地由压力侧面和吸力侧面限定，所述吸力侧面和所述压力侧面在前缘面与后缘面之间延伸；
第一多个扰流器，所述第一多个扰流器从所述压力侧面和所述吸力侧面中的一个突起以限定第一高度，所述第一多个扰流器从前端到后端朝向所述涡轮翼型件的后缘延伸并且彼此径向地间隔开；以及
第二多个扰流器，所述第二多个扰流器从所述压力侧面和所述吸力侧面中的一个突起以限定第二高度，所述第二高度小于所述第一高度，所述第二多个扰流器从前端到后端朝向所述涡轮翼型件的后缘延伸并且彼此径向地间隔开；
其中所述第一多个扰流器的后端和所述第二多个扰流器的前端布置成远离所述冷却通道的所述前缘面和所述后缘面。
2.根据权利要求1所述的涡轮翼型件，其中，冷却空气沿主流方向被引导通过所述冷却通道，所述第一多个扰流器和所述第二多个扰流器中的至少一个相对于主流方向垂直地、或者以一定角度定向。
3.根据权利要求1所述的涡轮翼型件，其中，所述第一多个扰流器全部以第一角度定向并且所述第二多个扰流器全部以第二角度布置，所述第二角度与所述第一角度不同；或者，所述第一多个扰流器和所述第二多个扰流器全部以相同角度定向。
4.根据权利要求1所述的涡轮翼型件，其中，所述第一多个扰流器的后端和所述第二多个扰流器的前端定位在共同平面内或重叠布置定位。
5.根据权利要求1所述的涡轮翼型件，其中，所述第一多个扰流器与所述第二多个扰流器径向对准；或者，所述第一多个扰流器与所述第二多个扰流器径向错开，以形成交错布置；或者，所述第一多个扰流器中的至少一个与所述第二多个扰流器中的一个径向对准，并且所述第一多个扰流器中的至少一个与所述第二多个扰流器径向错开。
6.根据权利要求1所述的涡轮翼型件，其特征在于，所述第一多个扰流器中每对相邻的扰流器都包括第一节距并且所述第一多个扰流器中的每一个都包括第一高度，所述第二多个扰流器中的每对相邻的扰流器都包括第二节距并且所述第二多个扰流器中的每一个都包括第二高度，其中所述第二节距小于所述第一节距并且所述第二高度小于所述第一高度；并且，所述涡轮翼型件还包括由所述第一节距除以所述第一高度来定义的第一比和由所述第二节距除以所述第二高度来定义的第二比，其中所述第一比和所述第二比均处于7到12的范围内。
7.根据权利要求1所述的涡轮翼型件，其特征在于，所述第一多个扰流器和所述第二多个扰流器从所述吸力侧面突起，所述涡轮翼型件还包括：
第三多个扰流器，所述第三多个扰流器从所述压力侧面突起以限定第三高度，所述第三多个扰流器朝向所述涡轮翼型件的后缘延伸并且彼此径向地间隔开；以及
第四多个扰流器，所述第四多个扰流器从所述压力侧面突起以限定第四高度，所述第四高度小于所述第三高度，所述第四多个扰流器朝向所述涡轮翼型件的后缘延伸并且彼此径向地间隔开。
8.一种燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括：
压缩机部段；
燃烧器部段；以及
涡轮部段，所述涡轮部段具有涡轮翼型件，所述涡轮翼型件包括：
前缘；
后缘；
冷却通道，所述冷却通道沿径向方向延伸并且在所述冷却通道朝向所述后缘延伸时向内逐渐变细，所述冷却通道至少部分地由压力侧面和吸力侧面限定，所述吸力侧面和所述压力侧面在前缘面与后缘面之间延伸；
第一多个扰流器，所述第一多个扰流器从所述吸力侧面突起 以限定第一高度，所述第一多个扰流器从前端到后端朝向所述涡轮翼型件的后缘延伸并且彼此径向地间隔开；
第二多个扰流器，所述第二多个扰流器从所述吸力侧面突起以限定第二高度，所述第二高度小于所述第一高度，所述第二多个扰流器从前端到后端朝向所述涡轮翼型件的后缘延伸并且彼此径向地间隔开；
第三多个扰流器，所述第三多个扰流器从所述压力侧面突起以限定第三高度，所述第三多个扰流器朝向所述涡轮翼型件的后缘延伸并且彼此径向地间隔开；以及
第四多个扰流器，所述第四多个扰流器从所述压力侧面突起以限定第四高度，所述第四高度小于所述第三高度，所述第四多个扰流器朝向所述涡轮翼型件的后缘延伸并且彼此径向地间隔开；
其中所述第一多个扰流器的后端和所述第二多个扰流器的前端布置成远离所述冷却通道的所述前缘面和所述后缘面。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一多个扰流器全部以第一角度定向并且所述第二多个扰流器全部以第二角度布置，所述第二角度与所述第一角度不同；并且，所述第一多个扰流器的后端和所述第二多个扰流器的前端彼此间隔开。
10.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述第一多个扰流器中每对相邻的扰流器都包括第一节距并且所述第一多个扰流器中的每一个都包括第一高度，所述第二多个扰流器中每对相邻的扰流器都包括第二节距并且所述第二多个扰流器中的每一个都包括第二高度，其中所述第二节距小于所述第一节距并且所述第二高度小于所述第一高度，其中第一比由所述第一节距除以所述第一高度定义并且第二比由所述第二节距除以所述第二高度定义，其中所述第一比和所述第二比均处于7到12的范围内。
11.根据权利要求7所述的涡轮翼型件，其特征在于，所述第三多个扰流器与所述第一多个扰流器径向对准并且所述第四多个扰流器与所述第二多个扰流器径向对准。
12.根据权利要求7所述的涡轮翼型件，其特征在于，所述第三多个扰流器全部与所述第一多个扰流器径向错开，并且所述第四多个扰流器与所述第二多个扰流器径向错开。
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