CN106536858B

CN106536858B - 具有顺翼展延伸流阻断器的涡轮翼型件冷却系统

Info

Publication number: CN106536858B
Application number: CN201480080789.4A
Authority: CN
Inventors: G.梁; 姜南
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-07-24
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2019-01-01
Anticipated expiration: 2034-07-24
Also published as: CN106536858A; EP3172408A1; JP6347893B2; US9822646B2; US20170130598A1; WO2016014056A1; JP2017529479A

Abstract

公开了一种用于燃气涡轮发动机的涡轮翼型件（12）的冷却系统（10），其中，所述冷却系统（10）包括定位在一个或多个冷却通道（16）内的顺翼展延伸的中流阻断器（14）以维持内部通流通道马赫数。一个或多个冷却通道（16）可以在靠近所述翼型件（12）的外端（18）具有比在内端处更大的截面面积。一个或多个冷却通道（16）可以包括延伸到所述冷却通道（16）中的中流阻断器（14）。在至少一个实施例中，所述中流阻断器（14）可以从所述翼型件（12）的所述外端（18）径向向内延伸。所述中流阻断器（14）可以限制冷却流体从压力侧（36）至抽吸侧（38）的移动或者反之亦然。所述中流阻断器（14）可以在径向向外移动时增加尺寸，随之所述冷却通道（16）的截面面积也增加。这种构造使得内部通流通道马赫数保持在设计极限内。

Description

具有顺翼展延伸流阻断器的涡轮翼型件冷却系统

技术领域

本发明大体上涉及涡轮翼型件（turbine airfoil），并且更加具体地涉及中空涡轮翼型件中的冷却系统。

背景技术

通常，燃气涡轮发动机包括：用于压缩空气的压缩器、用于使压缩空气与燃料混合且点燃该混合物的燃烧器、以及用于产生功率的涡轮叶组件。燃烧器通常在可以超过2,260华氏度的较高温度下操作。典型的涡轮燃烧器构造使涡轮叶片组件暴露至该较高温度下。因此，涡轮叶片必须由能够经受该较高温度的材料制成。此外，涡轮叶片通常包括冷却系统，用于延长叶片的寿命并且减小由于过度温度引起的故障的可能性。

通常，涡轮叶片是由翼型件形成，该翼型件具有在内侧端处的内径（ID）平台以及具有在外侧端处的外径（OD）平台。该叶片通常包括前缘和后缘，其中，大多数涡轮叶片的内部方面通常包含形成冷却系统的冷却通道的复杂曲径。叶片中的冷却通道通常从涡轮发动机的压缩器接收空气并且使该空气穿过叶片。冷却通道通常包括多个流路，该多个流路设计为使涡轮叶片的所有方面维持在相对均匀的温度下。为在ID和OD处具有较大截面流动面积的涡轮叶片提供充足冷却一直存在挑战性。

发明内容

公开了一种用于燃气涡轮发动机的涡轮翼型件的冷却系统，由此，该冷却系统包括定位在一个或多个冷却通道内的顺翼展延伸的中流阻断器以维持内部通流通道马赫数。一个或多个冷却通道可以在靠近翼型件的外端处具有比在内端处更大的截面面积。一个或多个冷却通道可以包括延伸到冷却通道中的中流阻断器。在至少一个实施例中，中流阻断器可以从翼型件的外端径向向内延伸。中流阻断器可以限制冷却流体从压力侧至抽吸侧的移动或者反之亦然。中流阻断器可以在径向向外移动时增加尺寸，随之冷却通道的截面面积也增加。这种构造使得内部通流通道马赫数保持在设计极限内。

在至少一个实施例中，涡轮翼型件可以包括大体上细长的中空翼型件，所述大体上细长的中空翼型件由外壁形成，并且具有：前缘、后缘、压力侧、抽吸侧、翼型件的第一端和与该第一端相对的第二端、以及定位在大体上细长的中空翼型件的内部方面内的冷却系统。冷却系统的一个或多个冷却通道可以在靠近翼型件的外径端具有比在翼型件的内径端处更大的截面面积。一个或多个中流阻断器可以在顺翼展延伸方向上在形成至少一个冷却通道的内表面处从第一端朝着定位为更接近冷却通道的中点的第二端延伸，并且在该内表面处从基部延伸至定位为更接近至少一个冷却通道的中心线轴线的尖端。中流阻断器可以从第一端至第二端逐渐变小，该第一端具有较大截面面积，该第二端具有定位为更接近冷却通道的中点的较小截面面积。中流阻断器的基部可以与形成冷却通道的内表面接触，该冷却通道从中流阻断器的第一端至中流阻断器的第二端。中流阻断器还可以从中流阻断器的基部至尖端逐渐变小。中流阻断器在从基部开始从基部至尖端的长度的25%内的截面面积可以大于中流阻断器在从尖端开始从基部至尖端的长度的25%内的截面面积。在至少一个实施例中，中流阻断器可以具有圆形尖端。

中流阻断器可以包括两个中流阻断器，其中，第一中流阻断器可以从至少一个冷却通道的第一侧延伸，并且第二中流阻断器可以从至少一个冷却通道的第二侧延伸。冷却通道的第一侧大体上在冷却通道的冷却通道的第二侧的相对侧上。冷却通道的第一侧可以从形成压力侧的外壁延伸至形成抽吸侧的外壁。冷却通道的第二侧可以从形成压力侧的外壁延伸至形成抽吸侧的外壁。中流阻断器的第一端可以定位在外径平台处。

冷却系统的冷却通道可以包括前缘冷却通道，该前缘冷却通道具有在外径平台处的进口以及在内径平台处的出口。冷却系统的冷却通道可以包括弦线中点弯曲冷却通道，该弦线中点弯曲冷却通道从外径平台延伸至具有弦向延伸的冷却通道腿部的内径平台。多个行进带可以从形成压力侧的外壁延伸到冷却通道中，并且多个行进带可以从形成抽吸侧的外壁延伸到至少一个冷却通道中。冷却通道可以由形成顺翼展延伸的弯曲冷却通道的多个冷却通道形成，其中，至少一个内侧流动冷却通道可以包括至少一个中流阻断器，并且其中，至少一个外侧流动冷却通道包括至少一个中流阻断器。前缘内侧流动冷却通道可以包括一个或多个中流阻断器，并且至少两个内侧流动冷却通道和至少两个外侧流动冷却通道可以包括至少一个中流阻断器。

在使用期间，冷却流体可以通过前缘冷却通道的进口从冷却流体供应源流到冷却系统中。当冷却流体流到前缘冷却通道中时，流体遇到中流阻断器，该中流阻断器使得冷却流体的速度增加，因为中流阻断器使前缘冷却通道的截面面积减小。流过第一腿部的流体的速度处于或者高于设计内部通流通道马赫数。冷却流体还遇到行进带，该行进带使热传递的量增加。冷却流体可以流过前缘冷却通道并且可以通过第一转弯部而排放到第二腿部中。当冷却流体在第二腿部中径向向外流动时，涡轮翼型件的截面面积在朝着外端径向向外移动时扩大。然而，中流阻断器在径向向外移动时增加尺寸，以维持设计内部通流通道马赫数。中流阻断器可以大体上将第二腿部从单个开口流动通道转变为靠近外端的两个狭窄流动通道，用于维持设计内部通流通道马赫数。冷却流体可以径向向外地流过第二腿部并且可以通过第二转弯部排放到第三腿部中。在第三腿部中，冷却流体径向向内地流过由第三腿部中的中流阻断器形成的两个狭窄流动通道并且在第三腿部中的中流阻断器的内部径向地结合在一起。中流阻断器维持通过第三腿部、第四腿部和第五腿部的冷却流体流。冷却流体在该冷却流体的温度增加的情况下流过第三腿部、第四腿部和第五腿部并且通过后缘排放孔口排放。

该冷却系统的优点在于：该冷却系统对于冷却具有较大外端的翼型件（诸如，通常在第二级翼型件和第三级翼型件中）起到非常好的作用，该翼型件具有冷却通道，该冷却通道在外端处具有比在内端处更大的截面面积。

该冷却系统的另一个优点在于：一个或多个中流阻断器的使用避免了通道流动马赫数的急剧减小。

该冷却系统的另一个优点在于：通过将一个或多个中流阻断器并入到弯曲冷却通道的外部分中（在该外部分中，弯曲通道流动面积变得太大以致于不能维持通流通道马赫数），可以消除针对外径平台处的低质量流量的扩散问题。

该冷却系统的另一个优点在于：本文所描述的中流阻断器的布置可以消除通常在低质量流量流动通道中发现的冷却流分布不均匀，并且代替地朝着翼型件壁的外壁推动冷却空气且促进流动通道通流速度，从而增加通道热传递增强。

该冷却系统的另一个优点在于：中流阻断器的尺寸可以进行定制以在冷却通道的全部或者一部分内实现恒定的冷却流通道截面面积。

这些以及其它实施例在下文更加详细地描述。

附图说明

并入本说明书且形成本说明书的一部分的附图示出了当前公开的发明的实施例，并且与描述一起公开了本发明的原理。

图1是具有冷却系统的翼型件的透视图。

图2是在图1中的剖面线2-2处截取的翼型件的截面图。

图3是在图1中的剖面线3-3处截取的翼型件的角截面图（cross-sectional,filleted view）。

图4是在图3中的剖面线4-4处截取的翼型件的截面图。

具体实施方式

如在图1至图4中示出的，公开了一种用于燃气涡轮发动机的涡轮翼型件12的冷却系统10，由此，该冷却系统10包括定位在一个或多个冷却通道16内的顺翼展延伸的中流阻断器14以维持内部通流通道马赫数。一个或多个冷却通道16可以在靠近翼型件12的外端18处具有比在内端20处更大的截面面积。一个或多个冷却通道16可以包括延伸到冷却通道16中的中流阻断器14。在至少一个实施例中，中流阻断器14可以从翼型件12的外端18径向向内延伸。中流阻断器14可以限制冷却流体从压力侧22至抽吸侧24的移动或者反之亦然。中流阻断器14可以在径向向外移动时增加尺寸，随之冷却通道16的截面面积也增加。此构造使得内部通流通道马赫数保持在设计极限内。

在至少一个实施例中，涡轮翼型件12可以由大体上细长的中空翼型件28形成，该大体上细长的中空翼型件28由外壁30形成，并且具有：前缘32、后缘34、压力侧22、抽吸侧24、翼型件26的第一端40和与该第一端40相对的第二端42、以及定位在大体上细长的中空翼型件28的内部方面内的冷却系统10。冷却系统10的一个或多个冷却通道16可以在靠近翼型件12的外径端44处具有比在翼型件12的内径端46处更大的截面面积。一个或多个中流阻断器14可以在顺翼展延伸方向上在形成冷却通道16的内表面50处从第一端48朝着定位为更接近冷却通道16的中点54的第二端52延伸，并且在该内表面50处从基部56延伸至定位为更接近冷却通道16的中心线轴线60的尖端58。在另一个实施例中，一个或多个中流阻断器14可以延伸一个或多个冷却通道16的全长，诸如，从翼型件26的第一端40至第二端42。在至少一个实施例中，一个或多个中流阻断器14可以由用于形成翼型件12的相同材料形成。中流阻断器14可以是单独的部件或者与翼型件12形成为一体。在另一个实施例中，中流阻断器14可以由与用于形成翼型件12（包括大体上细长的中空翼型件28）的材料不同的材料形成。用于形成中流阻断器14的材料可以是但不限于轻质材料，诸如，但不限于，钛铝（TiAl）。

在至少一个实施例中，如在图4中示出的，中流阻断器14可以从第一端48至第二端52逐渐变小，该第一端48具有较大截面面积，该第二端52定位为更接近冷却通道16的中点54具有较小截面面积。如在图2和图3中示出的，中流阻断器14的基部56可以与形成冷却通道16的内表面50接触，该冷却通道16从中流阻断器14的第一端48至中流阻断器14的第二端42。中流阻断器14还可以从中流阻断器14的基部56至尖端58逐渐变小。在至少一个实施例中，中流阻断器14在从基部56开始从基部56至尖端58的长度的25%内的截面面积大于中流阻断器14在从尖端58开始从基部56至尖端58的长度的25%内的截面面积。在至少一个实施例中，中流阻断器14可以具有圆形尖端。一个或多个冷却通道16可以包括两个中流阻断器14。第一中流阻断器62可以从冷却通道16的第一侧66延伸，并且第二中流阻断器64可以从冷却通道16的第二侧68延伸。冷却通道16的第一侧66可以大体上在冷却通道16的冷却通道16的第二侧68的相对侧上。冷却通道16的第一侧66可以从形成压力侧22的外壁30延伸至形成抽吸侧24的外壁30。冷却通道16的第二侧68可以从形成压力侧22的外壁30延伸至形成抽吸侧24的外壁30。在另一个实施例中，多个中流阻断器62可以从第一侧66或者第二侧68、或者两者延伸。在另一个实施例中，两个或者更多个中流阻断器62可以从第一侧66延伸，而单个中流阻断器62则从第二侧68延伸。在至少一个实施例中，中流阻断器14的第一端48可以定位在外径平台44处。

如在图3中示出的，冷却系统10的冷却通道16可以包括前缘冷却通道70，该前缘冷却通道70具有在外径平台78处的进口72以及在内径平台80处的出口74。冷却系统10的冷却通道16可以包括一个或多个弦线中点弯曲冷却通道76，该一个或多个弦线中点弯曲冷却通道76从外径平台78延伸至具有弦向延伸的冷却通道腿部82的内径平台80。冷却系统10可以包括：从形成压力侧22的外壁30延伸到冷却通道16中的多个行进带84、以及从形成抽吸侧22的外壁30延伸到冷却通道16中的多个行进带84。冷却通道16可以包括形成顺翼展延伸的弯曲冷却通道86的一个或多个冷却通道16。一个或多个内侧流动冷却通道88可以包括至少一个中流阻断器14，并且一个或多个外侧流动冷却通道90可以包括至少一个中流阻断器14。在至少一个实施例中，前缘内侧流动冷却通道70可以包括一个或多个中流阻断器14，至少两个内侧流动冷却通道88和至少两个外侧流动冷却通道90可以包括一个或多个中流阻断器14。前缘内侧流动冷却通道70可以包括从内部肋状物92朝着前缘32延伸的一个中流阻断器14。中流阻断器14可以包括定位在翼型件12的外径端44处的第一端48。

如在图3中示出的，在至少一个实施例中，冷却系统10可以包括五通路顺翼展延伸弯曲冷却通道86。该五通路顺翼展延伸弯曲冷却通道86可以包括：前缘内侧流动冷却通道70、两个内侧流动冷却通道88、以及两个外侧流动冷却通道90。前缘内侧流动冷却通道70可以包括进口96并且可以是第一腿部98。外侧流动冷却通道90可以形成第二腿部100并且可以经由第一转弯部102与第一腿部98流体连通。内侧流动冷却通道88可以形成第三腿部104并且可以经由第二转弯部106与第二腿部100流体连通。另一个外侧流动冷却通道90可以形成第四腿部108并且可以经由第三转弯部110与第三腿部104流体连通。最后一个内侧流动冷却通道88可以形成第五腿部112并且可以经由第四转弯部114与第四腿部108流体连通。第五腿部112可以与多个后缘排放孔口116流体连通以便从冷却系统10排放冷却流体。

两个内侧流动冷却通道88可以分别包括从内部肋状物92朝着内侧流动冷却通道88的中心线轴线60延伸的两个中流阻断器14。两个中流阻断器14可以分别定位在内侧流动冷却通道88的相对侧上。两个中流阻断器14还可以定位在压力侧22与抽吸侧24之间内侧流动冷却通道88的中点94处。中流阻断器14可以包括定位在翼型件12的外径端44处的第一端48。

两个外侧流动冷却通道90可以分别包括从内部肋状物92朝着外侧流动冷却通道90的中心线轴线60延伸的两个中流阻断器14。两个中流阻断器14可以分别定位在外侧流动冷却通道90的相对侧上。两个中流阻断器14还可以定位在压力侧22与抽吸侧24之间外侧流动冷却通道90的中点94处。在其它实施例中，中流阻断器14可以从中点94朝着压力侧22或者抽吸侧24偏移。中流阻断器14可以在一个或多个冷却通道16内沿着中点94对齐，可以朝着压力侧22或者抽吸侧24相等地偏移、或者偏移不同距离或者偏移不同方向。中流阻断器14可以包括定位在翼型件12的外径端44处的第一端48。

在使用期间，冷却流体可以通过前缘冷却通道70的进口72从冷却流体供应源流到冷却系统10中。当冷却流体流到前缘冷却通道70中时，流体遇到中流阻断器14，该中流阻断器14使得冷却流体的速度增加，因为中流阻断器14使前缘冷却通道70的截面面积减小。流过第一腿部98的流体的速度处于或者高于设计内部通流通道马赫数。冷却流体还遇到行进带84，该行进带84使热传递量增加。冷却流体可以流过前缘冷却通道70并且可以通过第一转弯部102被排放到第二腿部100中。当冷却流体在第二腿部100中径向向外流动时，涡轮翼型件12的截面面积在朝着外端18径向向外移动时扩大。然而，中流阻断器14在径向向外移动时增加尺寸，以维持设计内部通流通道马赫数。中流阻断器14可以大体上将第二腿部100从单个开口流动通道转变为靠近外端18的两个狭窄流动通道，以维持设计内部通流通道马赫数。冷却流体可以径向向外地流过第二腿部100并且可以通过第二转弯部106排放到第三腿部104中。在第三腿部104中，冷却流体径向向内地流过由第三腿部104中的中流阻断器14形成的两个狭窄流动通道并且在第三腿部104中的中流阻断器14的内部径向地结合在一起。中流阻断器14维持通过第三腿部104、第四腿部108和第五腿部112的冷却流体流。冷却流体在该冷却流体的温度增加的情况下流过第三腿部104、第四腿部108和第五腿部112并且通过后缘排放孔口116排放。

在至少一个实施例中，具有中流阻断器14的冷却系统10的构造可以通过使用印刷部件制造技术来构造。由于中流阻断器14不在与翼型件内部肋状物平行的相同方向上，所以不能够经由陶瓷芯模具来为本文公开的该复杂冷却几何结构来生产陶瓷芯。利用印刷部件制造技术，可以印刷陶瓷芯且然后将陶瓷芯用于创建具有带有中流阻断器14的冷却系统10的翼型件12。替代地，具有带有中流阻断器14的冷却系统10的翼型件12可以由一种或多种金属来印刷。

提供前述内容的目的是为了示出、解释和描述本发明的实施例。对这些实施例的修改和改变对于本领域的技术人员而言是明显的，并且可以在不背离本发明的范围或者精神的情况下做出这些修改和改变。

Claims

1.一种涡轮翼型件（12），其特征在于，

细长的中空翼型件（28），该细长的中空翼型件（28）由外壁（30）形成，并且具有前缘（32）、后缘（34）、压力侧（36）、抽吸侧（38）、所述翼型件（28）的第一端（40）和与所述第一端（40）相对的第二端（42）、以及定位在所述细长的中空翼型件（28）的内部方面内的冷却系统（10）；

所述冷却系统（10）的至少一个冷却通道（16），该至少一个冷却通道（16）在靠近所述翼型件（28）的外径端（44）处具有比在所述翼型件（28）的内径端（46）处更大的截面面积；以及

至少一个中流阻断器（14），该至少一个中流阻断器（14）在顺翼展延伸方向上在形成所述至少一个冷却通道（16）的内表面（50）处从第一端（48）朝着定位为比所述第一端（48）更接近所述至少一个冷却通道（16）的中点（54）的第二端（52）延伸，并且在所述内表面（50）处从基部（56）延伸至定位为比所述基部（56）更接近所述至少一个冷却通道（16）的中心线轴线（60）的尖端（58）。

2.根据权利要求1所述的涡轮翼型件（12），其特征在于，所述至少一个中流阻断器（14）从所述第一端（48）至所述第二端（52）逐渐变小，所述第一端（48）具有较大截面面积，所述第二端（52）具有定位为更接近所述至少一个冷却通道（16）的所述中点（54）的较小截面面积。

3.根据权利要求1所述的涡轮翼型件（12），其特征在于，所述至少一个中流阻断器（14）的所述基部（56）从所述至少一个中流阻断器（14）的第一端（48）至所述至少一个中流阻断器（14）的第二端（52）与形成所述至少一个冷却通道（16）的所述内表面（50）接触。

4.根据权利要求1所述的涡轮翼型件（12），其特征在于，所述至少一个中流阻断器（14）从所述至少一个中流阻断器（14）的所述基部（56）至所述尖端（58）逐渐变小。

5.根据权利要求1所述的涡轮翼型件（12），其特征在于，所述至少一个中流阻断器（14）在从所述基部（56）开始从所述基部（56）至所述尖端（58）的长度的25%内的截面面积大于所述至少一个中流阻断器（14）在从所述尖端（58）开始从所述基部（56）至所述尖端（58）的长度的25%内的截面面积。

6.根据权利要求1所述的涡轮翼型件（12），其特征在于，所述至少一个中流阻断器（14）是由与形成所述细长的中空翼型件（28）的材料不同的材料形成。

7.根据权利要求1所述的涡轮翼型件（12），其特征在于，所述至少一个中流阻断器（14）包括两个中流阻断器（14），其中，第一中流阻断器（62）从所述至少一个冷却通道（16）的第一侧（66）延伸，并且第二中流阻断器（64）从所述至少一个冷却通道（16）的第二侧（68）延伸。

8.根据权利要求1所述的涡轮翼型件（12），其特征在于，所述至少一个冷却通道（16）的第一侧（66）在所述至少一个冷却通道（16）的与所述至少一个冷却通道（16）的第二侧（68）相对的侧上。

9.根据权利要求1所述的涡轮翼型件（12），其特征在于，所述至少一个冷却通道（16）的第一侧（66）从形成所述压力侧（36）的所述外壁（30）延伸至形成所述抽吸侧（38）的所述外壁（30），并且其中，所述至少一个冷却通道（16）的第二侧（68）从形成所述压力侧（36）的所述外壁（30）延伸至形成所述抽吸侧（38）的所述外壁（30）。

10.根据权利要求1所述的涡轮翼型件（12），其特征在于，所述至少一个中流阻断器（14）的所述第一端（48）定位在外径平台（78）处。