CN107849925B - 具有冷却流量调节特征的涡轮机定子叶片和/或涡轮机转子叶片以及适应叶片的对应方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造叶片(61)的方法，叶片(61)包括根部部分(62)、翼型以及至少延伸通过根部部分(62)的冷却通道(63)，冷却通道(63)由壁(76)限定并且包括流量适配特征(64)，方法包括步骤：形成具有流量适配特征(64)的叶片(61)，流量适配特征限定入口开口(73)，入口开口(73)具有初始标称流道面积Ai并且Ai小于针对第一期望冷却剂质量流量的流道面积；测试流过冷却通道(63)的冷却剂的质量流速，以找到实际质量流量；确定流量适配特征(64)的面积的增加，以基于实际质量流量实现期望的冷却剂质量流量；对流量适配特征(64)进行机械加工，以增加入口开口(73)面积来实现期望的质量流量。还提供对应的涡轮叶片。

Description

具有冷却流量调节特征的涡轮机定子叶片和/或涡轮机转子 叶片以及适应叶片的对应方法
技术领域
本发明涉及用于涡轮机定子叶片和/或转子叶片(例如，蒸汽或燃气轮机的动叶或叶片)的冷却调节特征。
背景技术
在操作期间，涡轮叶片(例如，涡轮机定子叶片或转子叶片，后者也被称为涡轮动叶)在燃气或蒸汽涡轮机中经受热燃气或蒸汽。因此，这些涡轮叶片需要主动冷却，该主动冷却通过使诸如空气之类的冷却流体通过被称为冷却通道的叶片的内部通路来实现。
冷却流体的压降和流速由每个叶片的内部几何形状等确定，特别地由冷却通道的几何形状确定，并且还可以根据影响例如冷却通道的截面面积的制造公差而不同。此外，相同类型的叶片可以用于不同类型或版本的涡轮机中，并进一步用于不同操作领域，这可能导致不同点火温度和/或不同寿命要求。因此，关于冷却流体流量可能存在不同需求。
鉴于这些不同要求，通常将叶片制造成匹配与期望的冷却流量相关的较差情况的制造公差和/或最高冷却需求。例如，冷却通道的截面面积被确定为足够大，以便即使在预期的最高点火温度下也能保证足够的冷却流体流量。然而，这会导致性能损失，因为一方面，冷却流体(尤其是冷却空气)在离开涡轮机叶片时混合到涡轮机中的热气体中，并且因此降低其能量水平。另一方面，冷却空气从压气机中抽出，从而降低了压缩空气的压力和能量。
发明内容
因此，需要提供具有更高效率的涡轮机定子叶片和/或转子叶片，以改善不同类型的涡轮机在变化的预定条件下的性能和功率输出，同时在另一方面满足给定的使用寿命要求。
这些目的通过根据本文所述的涡轮机定子叶片或转子叶片、包括涡轮机定子叶片或转子叶片的涡轮机、制造涡轮机定子叶片或转子叶片的方法、以及适配涡轮机定子叶片或转子叶片的方法来解决。其他优选实施例在本文所述的实施例中描述。
涡轮机定子叶片或涡轮机转子叶片具有主体、适配用于引导冷却流体通过主体的通道、以及从主体突出到通道中以减小通道的截面面积的流量适配特征。流量适配特征因此被适配用于对通过通道的冷却流体的流量进行节流。
在本文中，术语“叶片”是用于涡轮机定子叶片和/或涡轮机转子叶片。此外，正如有时常见的，涡轮机转子叶片也可以在下文中被称为动叶。应注意，流量适配特征被适配用于涡轮机定子叶片和转子叶片(即，涡轮机动叶和叶片)，并且还被适配用于任何种类的涡轮机(例如，燃气涡轮机、蒸汽涡轮机等)。
叶片的该主体可以形成叶片的一个主体，例如包括其尖端、动叶、根部平台和根部，或者形成该叶片的多个部分。叶片的主体可以通过进行例如合金材料的熔模铸造形成。
冷却通道可以被适配用于例如空气冷却或流体冷却。冷却通道可以以任何种类的几何形状引导通过叶片的主体，并且可以被适配用于叶片的对流冷却、冲击冷却、薄膜冷却和/或倾注冷却。
流量适配特征可以以向内延伸到通道中的方式突出到通道中，由此减小通道在突起方向上的截面面积。由于通道的截面面积相对于通道的其余部分而减小得较少，所以这提供了用于在冷却流体进入叶片时计量该冷却流体的装置。因此，这形成了被放置在通道内的节流装置，这些突起在冷却通道内形成节流阀。
流量适配特征可以被布置在通道内，使得其确定通道的具有最小截面面积的一部分。因此，利用流量适配特征，通道的其他部分不影响流速，从而不损害叶片的冷却能力或整体效率。特别地，流量适配特征允许限定馈送压力和流速以及冷却通道的有效面积之间的目标关系。
通过流量适配特征，通道的冷却能力例如可以被限制为如下压力和流速，该压力和流速正好满足在预期应用领域中对叶片进行冷却。因此，可以防止冷却流体的过度消耗。
然而，如果在给定的应用中无法实现通过叶片的足够的冷却流量，则可以例如通过重新形成或减少突起，而选择性地去除流量适配特征的材料的一部分，从而扩大通道的截面面积。这种去除可以以良好引导的方式执行，用于实现例如通道的允许冷却流体的预定的必要流量截面开口。
例如，在开发过程期间或作为制造步骤，可以执行对流量适配特征的部分或全部去除，以用于初始优化叶片的冷却流体流速，来使废品最小化。举例而言，可以例如在叶片的校准过程中以逐步方式减小突起。因此，可以继续逐步去除，直到实现通道预期的冷却能力。
此外，例如针对涡轮机的特定版本或特定应用领域，例如，在预定的点火温度下，可以在优化单独动叶期间执行去除操作。因此，每个动叶可以根据流量和热要求被单独优化。
更进一步地，例如当安装在目标涡轮机中并且经受目标条件时，这些叶片也可以根据发动机测试内的流量和热要求而各自被优化。然后，可以监测涡轮机内的流量和热状况，并且可以借助于流量适配特征(例如，通过在以最小流量冷却流体保证所需冷却的程度下去除突起)对这些叶片中的每一个进行优化，以用于预期的使用。
因此，流量适配特征一方面允许优化单独的叶片，另一方面允许优化涡轮机的级，或者甚至针对特定应用而优化整个涡轮机。由此，可以在保证这些叶片中的每一个以足够的方式冷却的同时，实现高整体发动机效率。
在优化期间，不需要附加部件。因此，附加成本仅由于可以通过机械加工来执行的去除操作而增加。该去除操作仅需在要求调谐的叶片变体上执行。
从成本的角度来看，在动叶尺寸与日常生产中所需优化的程度之间存在折衷。对于较小的动叶，针对同一应用(例如，点火温度)中的所有动叶使用例如一个尺寸或截面面积是可以接受的。对于较大的动叶，单独校准每个动叶可能是有利的。作为折衷方案，从铸造厂或叶片供应商交付的批次中取出一些样本并单独进行校准。然后可以针对所有动叶，使用基于样本结果限定的调节。
因此，冷却流体的流量可以以低成本被具体且准确地适配用于预期用途，从而在保证寿命要求的同时实现高整体发动机效率。因此，整体发动机冷却流体使用量得以最小化，并且整体发动机效率得到优化。
在叶片的一个实施例中，通道具有被适配用于使冷却流体进入通道的入口开口，并且流量适配特征在入口开口处突出来减小入口开口的截面面积。
因此，在该实施例中，流量适配特征被布置在通道的入口开口处。例如，通道的入口开口可以穿过例如叶片根部的根部基，并且突起可以被形成为根部基的平滑延伸部或延长部，滑延伸部或延长部延伸为部分地封闭通道(特别是其入口开口)。
当布置在通道的入口开口处时，可以容易地触及流量适配特征，以用于去除或机械加工操作。因此，可以容易地执行根据该实施例的叶片的优化。
在另一实施例中，流量适配特征是部分或完全可去除的，以扩大通道的截面面积。
因此，流量适配特征并且特别是其突起可以是可重新成形的、可简化的、可缩小的或可去除的(例如，通过机械加工操作)。这允许在优化期间容易适配通道的入口开口处的截面面积。
在另一实施例中，流量适配特征是主体的一体部分。
举例而言，例如通过使用呈现流量适配特征的外壳对主体进行熔模铸造(例如，从合金材料形成主体的同时留出用于形成流量适配特征的空间)，形成流量适配特征的突起可以在主体的制造过程期间与主体一起形成。因此，流量适配特征以低成本而被提供，并且进一步固定地连接到主体或与主体接合。
在另一实施例中，流量适配特征由与主体相同的材料形成。这允许流量适配特征容易且稳固地接合或固定到叶片的主体。
在用于适配涡轮机定子叶片或涡轮机转子叶片的方法中，叶片具有主体、适配用于引导冷却流体通过主体的通道、以及流量适配特征,该流量适配特征以减小通道的截面面积的方式从主体突出到通道。该方法包括部分或全部去除流量适配特征，以扩大入口开口的截面面积。
因此，在制造叶片之后，该方法鉴于所需的冷却流体流量而允许对叶片进行适配。特别地，可以通过有目的地且有选择地扩大入口开口的截面面积(通过去除流量适配特征的至少一部分)来适配冷却流体的流量。
因此，即使来自基本上相同的叶片系列，每个叶片也可以根据其例如在涡轮机中特定位置处、在涡轮机的特定版本中或者在预期的应用领域中特殊的冷却要求而被适配。另外，每个叶片可以根据在初始制造公差之后的冷却剂流速以及其目标冷却剂流速而被适配。因此，鉴于其预期的应用，可以在每个叶片的单独适配之前进行大系列叶片的低成本制造。
在叶片系列中，通道在流量适配特征处(例如，在突起内)的截面面积可以被确定为使得其使叶片适合具有最佳预期热条件(例如，对冷却流体的需求最低)。因此，旨在最佳预期热条件下使用的少量叶片将不需要对流量适配特征进行任何调节或去除，而是可以被制造时那样被使用。然而，其他叶片将通过部分或全部去除流量适配特征来进行优化。然而，这样的优化可以以低成本实现(例如，通过机械加工)，并且允许每个叶片的准确校准。
在该方法的一个实施例中，根据冷却需求确定通道的目标截面面积，其中执行去除流量适配特征的至少一部分，使得入口开口的截面面积基本上相当于通道的目标截面面积或目标冷却剂流速。
例如，可以根据预期的应用领域以及期望的点火温度或叶片要插入其中的涡轮机的特定使用寿命要求，来确定冷却需求。因此，该方法允许根据冷却需求来适配叶片。利用通道的目标截面面积，可以根据冷却需求准确地确定例如在入口开口处的冷却流体的压力，来实现要求的流速。因此，在发动机整体效率保持在最佳的同时，热条件和寿命要求得以满足。
可能期望延长叶片的使用寿命，并且这可以通过在运行期间降低叶片的绝对温度和/或温度梯度来实现。通过增加更多的流量适配特征的机械加工量来增加冷却流体质量流速，将增强冷却剂流量并降低叶片的绝对温度和/或温度梯度。
在另一实施例中，该方法包括校准步骤，该校准步骤包括：通过改变设定值而通过通道供应冷却流体；测量观察值(或初始制造值)；以及将观察值与冷却流体流量的目标值(例如，冷却流体质量流量)进行比较。在该方法中，设定值可以是通过通道的质量流量，并且观察值可以是通道入口处的源头压力，或者备选地，设定值可以是入口处的源头压力。观察值可以是通过通道的质量流量。
在对观察值进行观察的同时改变设定值，提供了对叶片内流量条件的透彻理解。这允许建立一个对比表，该对比表例如可以在其他叶片的后续优化期间使用。
在该方法的另一实施例中，重复进行：通过改变设定值而通过通道供应冷却流体的步骤，测量观察值的步骤，将观察值与目标值进行比较的步骤，以及部分或全部去除流量适配特征以扩大入口开口的截面面积的步骤，直到观察值对应于冷却需求。
因此，通道的截面面积的迭代适配允许根据其在预期应用中的冷却需求而精确地校准叶片。
在该方法的另一实施例中，叶片可以安装在目标涡轮机中。
例如，至少在通过改变设定值而通过通道供应冷却流体期间、以及在观察值的测量期间、以及将观察值与目标值进行比较期间，叶片可以被安装在目标涡轮机中。因此，优化可以与随后的应用领域紧密相关，从而保证冷却流量的精确优化。
因此，在满足热需求的同时，发动机整体效率可以被最大化。
附图说明
通过参考以下结合附图的详细描述，将最好地理解所描述的实施例以及进一步的优点。附图的元素相对于彼此不一定按比例绘制。
图1以截面图示出涡轮机发动机的一部分，并且其中并入本发明，
图2图示了涡轮机转子叶片的下部的截面图，涡轮机转子叶片的下部包括主体的根部，在主体的根部处形成流量调节特征，
图3图示了具有另外的流量调节特征的涡轮机转子叶片的另一实施例的下部的截面图，
图4图示了图2中的箭头A的视图，并且示出了流量适配特征的根部基面和范围，
图5图示了图2中的箭头A的类似视图，但是示出了流量适配特征的第二实施例，
图6示出了图2中的箭头A的类似视图，但是示出了流量适配特征的第二实施例，以及
图7图示了用于将涡轮机定子叶片或涡轮机转子叶片进行适配的方法的一个实施例。
具体实施方式
现在参考附图，其中在若干视图中，相同的附图标记指示相同或相应的部分。
图1以截面图示出燃气涡轮机发动机110的一个示例。燃气涡轮机发动机110按照流动顺序包括入口112、压气机部分114、燃烧装置部分116和涡轮机部分118，这些部件大致按照流动顺序布置并且大体围绕并在纵向或旋转轴线120的方向上布置。燃气涡轮机发动机110还包括轴杆122，轴杆122可围绕旋转轴线120旋转，并且纵向延伸通过燃气涡轮机发动机110。轴杆122将涡轮机部分118驱动地连接到压气机部分114。
在燃气涡轮机发动机110的操作中，通过空气入口112进入的空气124被压气机部分114压缩并且被输送到燃烧部分或燃烧器部分116。燃烧器部分116包括燃烧器增压室126、一个或更多的燃烧室128以及固定到每个燃烧室128的至少一个燃烧器。燃烧室128和燃烧器130位于燃烧器增压室126内部。通过压气机114的压缩空气进入扩压器132并且从扩压器132进入燃烧器增压室126中，空气的一部分从燃烧器增压室126进入燃烧器130，并且与气态或液态燃料混合。空气/燃料混合物然后被燃烧，并且燃烧气体134或来自燃烧的工作气体通过燃烧室128经由过渡管道117被引导至涡轮机部分118。
该示例性燃气涡轮机发动机110具有由燃烧装置罐119的环形阵列构成的管式燃烧装置部分布置116，每个燃烧装置罐119具有燃烧器和燃烧室128，过渡管道117具有大致圆形的入口，入口与燃烧室128和环形段形式的出口交接。过渡管道出口的环形阵列形成用于将燃烧气体引导到涡轮机118的环形件。
涡轮机部分118包括附接到轴杆122的多个叶片承载盘136。在本示例中，两个盘136各自承载涡轮机动叶138的环形阵列。然而，叶片承载盘的数量可以不同，即，仅一个盘或两个以上盘。另外，固定到燃气涡轮机发动机110的定子142的导向叶片140被设置在涡轮机动叶138的环形阵列的级之间。在燃烧室128的出口和前导涡轮机动叶138之间提供入口导向叶片144，并且入口导向叶片144将工作气体的流动转向涡轮机动叶138上。
来自燃烧室128的燃烧气体进入涡轮机部分118，并且驱动涡轮机动叶138，涡轮机动叶138继而旋转轴杆122。导向叶片140、144用于优化涡轮机动叶138上的燃烧气体或工作气体的角度。
涡轮机部分118驱动压气机部分114。压气机部分114包括轴向系列的叶片级和转子动叶级。转子动叶级包括支撑动叶的环形阵列的转子盘。压气机部分114还包括围绕转子级并支撑叶片级的壳体。导向叶片级包括安装到壳体的径向延伸的叶片的环形阵列。叶片被设置为在给定的发动机操作点处针对动叶，以最佳角度呈现气体流。导向叶片级中的一些级具有可变叶片，其中对于这些叶片围绕其自身的纵向轴线的角度而言，其可以根据在不同的发动机操作条件下可能发生的空气流量特性而被调整角度。
壳体限定了压气机114的通路156的径向外表面152。通路156的径向内表面154至少部分地由转子的转子鼓153限定，转子的转子鼓153部分地由动叶的环形阵列限定。
参考上述示例性涡轮机发动机描述了本发明，该涡轮机发动机具有连接单个多级压气机和单个一级或多级涡轮机的单个轴杆或轴管。然而，应理解，本发明同样适用于两个或三个轴杆的发动机，并且可以用于工业、航空或航海应用。
除非另有说明，否则术语“上游”和“下游”指代通过发动机的空气流和/或工作气体流的流动方向。术语“向前”和“向后”指代通过发动机的气体的一般流动。术语“轴向”、“径向”和“周向”是参考发动机的旋转轴线120而定的。
图2图示了涡轮机转子叶片或涡轮机定子叶片的一个实施例，该涡轮机转子叶片或涡轮机定子叶片被称为叶片61，并且可以是参考图1描述的叶片144、140或动叶138中的任何一个或多个。叶片61具有根部部分62和主体或翼型，用于对叶片61进行冷却的通道63延伸穿过主体或翼型。流量适配特征64从根部部分62突出到通道63中，从而减小通道63的截面面积。特别地，流量适配特征(一个或多个)64在通道63的入口开口73处突出，以减小入口开口73的截面面积。突起64被形成为根部部分62的一体部分，从而在闭塞通道63的入口开口73的方向上扩大了根部部分62的根部基面65。叶片61具有位于根部部分62和翼型之间的平台75。
由于在通道63的入口开口73处的突起的布置，针对叶片61的校准和机械加工，可以通过部分地或完全地移除(例如，通过机械加工)流量适配特征64而容易地实现流量适配特征64。因此，特别是鉴于冷却需求(例如，鉴于预期的燃烧或操作温度、涡轮机类型或将使用叶片61的应用领域)，流量适配特征64允许容易校准叶片61。因此，在满足规定的温度条件下，冷却流体的使用被最小化，并且发动机的整体效率被最大化。
图3图示了叶片61的根部部分62的另一实施例，其中流量适配特征64由特别适合用于选择性去除的材料形成。因此，鉴于不同的冷却需求，叶片61可以被容易地适配。如图所示，流量适配特征64呈现具有大致矩形截面形状的盘的形式。其他截面形状是可能的。盘的径向外边缘或表面整体地混合到通道壁76中，并且径向内边缘或表面限定入口开口73及其面积Ai。通道73具有面积Ac，使得在完全去除流量适配特征64时Ac＝Ai。流量适配特征64从通道壁76延伸距离d。在该实施例中，流量适配特征64具有从壁76初始制造的恒定延伸d。
术语“初始制造”是指叶片的铸造形状或在使用其他制造方法(例如，激光烧结或激光沉积)的情况下、由该工艺形成的叶片形状。叶片的“初始制造”形式可以包括修整过程，以去除铸造或激光形成的不规则或缺陷(例如，本领域已知的尖锐边缘、毛刺和凹痕)。焊接到叶片的板是初始制造之后的一个步骤。类似地，在本上下文中，术语“一体”或“一体形成”意味着：流量适配特征在初始制造过程期间形成，并且是叶片的铸造、烧结或激光沉积过程的一部分。
入口开口73具有初始和标称流道面积Ai，并且初始和标称流道面积Ai小于第一期望冷却剂质量流量的流道面积。当设计叶片时，叶片的冷却系统(其通常包括翼型和/或平台中的冷却通路)被设计为传送设计或期望的冷却剂质量流量，以将叶片的温度保持为可接受的水平。然而，对于本发明的叶片61，入口开口73被初始制造为具有比设计或期望流道面积更小的流道面积Ai，并且因此全部叶片中的所有叶片或高百分比的叶片将需要对入口开口73进行机械加工来增加其流道面积，从而允许设计质量流量通过而进入叶片。对于初始制造叶片中的低百分比的叶片，制造公差可能意味着这些少数叶片将不需要对入口开口73进行机械加工。
在本示例性实施例中，叶片初始被制造为，使得流量适配特征64的初始和标称流道面积Ai处于第一期望或设计冷却剂质量流量所需流道面积的75％至98％之间。因此，在名义上，高百分比的叶片(例如，98％的叶片)在使用之前将使其入口开口面积增加。这不仅确保了使用最少量的冷却剂，而且还减少了叶片的废料率，因为具有最差情况公差的初始制造的叶片可以通过入口开口面积Ai的显著增加而被补救，以将冷却剂流量增加到设计质量流量或甚至更高，来确保所有的叶片被充分地冷却。
在另一实施例中，冷却通道63被初始制造为具有流道面积Ac，其大于针对第一期望或设计冷却剂质量流量的流道面积。特别地，初始制造的流道面积Ac处于第一期望或设计冷却剂质量流量的流道面积的105％至200％之间。因此，叶片能够在第二条件下使用，该第二条件可以是更热的环境(例如，不同的燃气涡轮机发动机或升级的燃气涡轮机发动机)或者期望使用寿命得到改善的情况。
此外，在叶片的使用寿命受到腐蚀(例如，硫酸盐攻击)限制的情况下，那么质量冷却剂流量可以被最小化，使得热降级或热寿命也放宽到腐蚀寿命，由此冷却剂质量流量从基于叶片的标称热寿命期望的冷却剂质量流量而被减少。换言之，腐蚀寿命受限的叶片具有较少的冷却剂，并且在较高的金属温度下操作。这会降低叶片的热寿命，但仅限于叶片的腐蚀寿命的程度。在这种情况下，流量适配特征64的初始制造具有初始和标称入口开口，该初始和标称入口开口高达针对基于标称热寿命的冷却剂质量流量的设计或期望面积的50％。
图4是图2中的箭头A的视图，并且示出了根部部分62的基面65。入口开口73在这里被示出为大致椭圆形状，但是可以是任何其他形状。流量适配特征64具有进入由入口开口73形成的孔口中的恒定的延伸d。冷却通道63的壁76以虚线示出。
图5是与图4类似的视图，并且示出了流量适配特征64的第三实施例。但是，这里流量适配特征64不具有进入冷却通道并且形成入口开口73的恒定延伸d。在前部或左手侧处，流量适配特征64具有比其他位置处由d1指示的延伸更大的延伸d2。
图6是与图4类似的视图，并且示出了流量适配特征64的第四实施例。但是，流量适配特征64不具有进入由入口开口73形成的孔口中的恒定延伸d。相反，对于由64a和64b表示的流量适配特征具有两个单独的部分。这里，大致椭圆形的冷却通道76具有由通道76本身部分地形成、并由前后流量适配特征区域64a、64b部分形成的入口开口73。前流量适配特征64a被示出在图的左手侧。前后流量适配特征64a、64b不必是相同的尺寸，并且当入口面积Ai增加时也不一定需要相同的机械加工。在图7中，图示了用于对叶片(例如，叶片1)适配的方法的一个实施例。该方法具有由虚线矩形图示的可选步骤以及由连续矩形图示的强制性步骤。
在该方法的开始6之后，可以在7处确定针对叶片1的目标涡轮机，例如，其中要安装叶片1的涡轮机。在8处，可以根据冷却需求来确定通道的目标截面面积，该冷却需求可以依赖于目标涡轮机的点火温度、叶片或目标涡轮机的寿命要求和/或预期应用领域。在9处，流量适配特征4被部分地或全部地去除，以扩大冷却通道的入口开口的截面面积。特别地，可以执行去除，使得通道的入口开口的截面面积可以基本上相当于在8处确定的通道的目标截面面积。在10处，叶片1可以被安装在如在7处确定的目标涡轮机中。在11处，可以通过冷却通道(例如，通过改变设定值)来供应冷却流体。此外，可以测量观察值并将其与目标值进行比较。根据比较的结果，如果叶片1的充分校准已经实现，则该方法可以在12处结束，否则可以例如通过重复步骤7至11而继续。
可以重复步骤7到11直到观察值对应于冷却需求。从而可以实现准确的适配，从而允许准确地确定针对预期应用的冷却流量。
在制造叶片61的、本方法的另一实施例中，入口开口73被形成为具有初始和标称流道面积Ai，并且该初始和标称流道面积Ai小于针对第一期望冷却剂质量流量的流道面积。然后，叶片针对冷却剂通过冷却通道63的质量流率而被测试，以找到实际的质量流量。根据校准关系、流体流量理论或者通过重新测试，确定流量适配特征64的面积增加，来获得期望的冷却剂质量流量。然后，对流量适配特征64进行机械加工，以增加入口开口73的面积来实现期望或设计质量流量。设计质量流量可基于实现叶片的特定初始热寿命或叶片的第二热寿命。总之，叶片具有比标称腐蚀寿命更长的标称热寿命，标称热寿命具有针对第一期望冷却剂质量流量的流道面积，因此该方法包括步骤：形成入口开口的初始和标称面积Ai，该初始和标称面积Ai在针对第一期望冷却剂质量流量的流道面积的90％至50％之间。因此，只用50％的冷却剂流量就可以操作叶片，从而将热寿命限制为腐蚀寿命的寿命。这可以节省否则将从压气机中排出的大量寄生冷却剂。
如前所述，确定步骤包括校准至少一个叶片61，以找到入口开口73的面积和设定值之间的关系。这可以通过基于逐个叶片来完成，或者以叶片批次并且通过具有为95％的高置信度限制的统计分析来完成。可以通过改变设定值而借助通道63供应10冷却剂以及测量11观察值并将观察值与目标值进行比较，来完成校准。设定值是通过通道63的质量流量或通道63入口处的源头压力。观察值是通道63入口处的源头压力或通过通道63的质量流量。
重复供应、测量和去除的方法步骤，直到相当于期望的冷却剂质量流量的观察值给出最大的准确度。然而，这优选针对每个不同的设计质量冷却剂流量的校准阶段或偶尔的质量测试来进行。
叶片61的第一期望冷却剂质量流量适合于第一操作条件并且可以用于基本发动机设计。然而，备选地，期望的冷却剂质量流量可以是叶片61适合于第二操作条件的第二期望冷却剂质量流量，第二操作条件处于比第一操作水平更高或更长的操作水平。
如上所述，该方法被扩展到制造叶片组件(例如，定子叶片阵列或涡轮机的转子级)。除了期望冷却剂质量流量是多个叶片61中每个叶片61的期望冷却剂质量流量的平均质量流量之外，多个叶片61中的每个叶片如上所述被初始制造。
因此，鉴于其在其目标涡轮机和目标应用领域中的预期用途中的冷却需求和冷却流体消耗，实现选择性地校准叶片1，从而最小化冷却流体消耗，同时优化总体效率。
本发明的叶片及其制造方法的实施例通过对流量适配特征进行机械加工，使得能够精确地对进入到每个叶片中的冷却剂计量。可以单独测试并校准叶片，以识别满足期望冷却剂流量所需的机械加工量。备选地，可以对叶片阵列进行测试和校准，以识别平均机械加工要求来满足该阵列期望的冷却剂流量。本发明的叶片及其制造方法不仅可应用于原本预期的第一发动机应用，而且还可应用于在更高的涡轮机温度下操作的第二发动机应用。在此，可以对服务中的叶片进行返工，或者可以通过进一步对流量适配特征进行机械加工来调整新的叶片，从而允许更多的冷却剂进入叶片。类似地，在服务中的叶片或新的叶片需要增加使用寿命的情况下，叶片可以通过进一步对流量适配特征进行机械加工来补救，以允许更多的冷却剂进入叶片，从而降低金属温度和热应力。本发明的叶片及其制造方法也适用于冷却剂使用的进一步优化。在叶片的使用寿命例如受到腐蚀的限制的情况下，其热寿命也可以相应减少为腐蚀寿命的寿命，从而节约冷却剂并提高整体效率。这里的流量调节特征不具有或具有很少的机械加工。

Claims (17)

1.一种制造叶片(61)的方法，所述叶片(61)包括一个根部部分(62)、一个翼型以及至少延伸穿过所述根部部分(62)的一个冷却通道(63)，所述冷却通道(63)由壁(76)限定并且包括流量适配特征(64)，所述方法包括步骤：
形成具有所述流量适配特征(64)的所述叶片(61)，所述流量适配特征(64)限定一个入口开口(73)，所述入口开口(73)具有初始和标称流道面积Ai，并且所述初始和标称流道面积Ai小于用于第一期望冷却剂质量流量的流道面积，
测试冷却剂通过所述冷却通道(63)的质量流速，以找到实际的质量流量，
基于所述实际的质量流量，确定所述流量适配特征(64)的面积的增加，以实现期望的冷却剂质量流量，
对所述流量适配特征(64)进行机械加工，以增加所述入口开口(73)的面积，以实现期望的质量流量，
其中所述流量适配特征(64)的所述初始和标称流道面积Ai在用于第一期望冷却剂质量流量的流道面积的75％至98％之间。
2.根据权利要求1所述的制造叶片(61)的方法，其中所述流量适配特征(64)在初始制造过程期间被形成并且是所述叶片的铸造、烧结或激光沉积过程的部分。
3.根据权利要求1或2所述的制造叶片(61)的方法，其中所述冷却通道(63)具有流道面积Ac，所述流道面积Ac大于用于第一期望冷却剂质量流量的流道面积。
4.根据权利要求3所述的制造叶片(61)的方法，其中所述流道面积Ac在用于第一期望冷却剂质量流量的流道面积的105％至200％之间的范围内。
5.根据权利要求1、2和4中任一项所述的制造叶片(61)的方法，其中所述确定包括通过以下方式对至少一个叶片(61)进行校准，以找到所述入口开口(73)的所述面积与设定值之间的关系：
通过改变设定值而将所述冷却剂供应(10)通过所述通道，以及
测量(11)观察值并将所述观察值与目标值进行比较，其中，
所述设定值是通过所述通道的质量流量，并且所述观察值是所述通道的所述入口处的源头压力，或者
所述设定值是所述通道的所述入口处的源头压力，并且所述观察值是通过所述通道的质量流量。
6.根据权利要求5所述的制造叶片(61)的方法，其中所述方法包括步骤：
通过改变所述设定值而将所述冷却剂供应(10)通过所述通道，
测量(11)所述观察值并将所述观察值与所述目标值进行比较，
去除(9)所述流量适配特征的部分或全部，以扩大所述入口开口的截面面积，并且
重复这些步骤，直到所述观察值相当于所述期望的冷却剂质量流量。
7.根据权利要求1、2、4和6中任一项所述的制造叶片(61)的方法，其中所述期望的冷却剂质量流量是叶片(61)适合于第一操作条件的第一期望冷却剂质量流量。
8.根据权利要求6所述的制造叶片(61)的方法，其中所述期望的冷却剂质量流量是叶片(61)适合于第二操作条件的第二期望冷却剂质量流量，所述第二操作条件的操作水平比第一操作水平更高或更长。
9.根据权利要求1、2、4、6和8中任一项所述的制造叶片(61)的方法，其中所述叶片具有大于标称腐蚀寿命的标称热寿命，所述标称热寿命具有用于第一期望冷却剂质量流量的流道面积，
所述方法包括步骤：形成所述入口开口的所述初始和标称流道面积Ai，所述初始和标称面积Ai在用于第一期望冷却剂质量流量的流道面积的90％至50％之间。
10.一种制造包括多个叶片(61)的叶片(61)组件的方法，每个叶片(61)根据权利要求1至9中任一项而进行制造，除了所述期望的冷却剂质量流量是所述多个叶片(61)的所述期望的冷却剂质量流量对于每个叶片(61)的平均质量流量。
11.一种用于燃气涡轮机发动机的叶片(61)，所述叶片(61)包括一个根部部分(62)、一个翼型以及至少延伸穿过所述根部部分(62)的一个冷却通道(63)，所述冷却通道(63)由壁(76)限定并且包括流量适配特征(64)，所述流量适配特征(64)限定一个入口开口(73)，所述入口开口(73)具有初始和标称流道面积Ai，并且所述初始和标称流道面积Ai小于用于所述入口开口(73)的第一期望冷却剂质量流量的流道面积，
其中所述流量适配特征(64)的所述初始和标称流道面积Ai在用于所述第一期望冷却剂质量流量的流道面积的75％至98％之间。
12.根据权利要求11所述的叶片(61)，其中所述流量适配特征(64)与所述叶片为一体的，所述流量适配特征在初始制造过程期间被形成并且是所述叶片的铸造、烧结或激光沉积过程的部分。
13.根据权利要求11或12所述的叶片(61)，其中所述冷却通道(63)具有流道面积Ac，所述流道面积Ac大于用于所述第一期望冷却剂质量流量的所述流道面积。
14.根据权利要求13所述的叶片(61)，其中所述流道面积Ac在用于所述第一期望冷却剂质量流量的所述流道面积的105％至200％之间的范围内。
15.根据权利要求11、12和14中任一项所述的叶片(61)，其中所述叶片(61)包括在所述根部部分和所述翼型之间的平台(75)，所述平台和/或所述翼型包括冷却通路，所述冷却通路从所述冷却通道(63)延伸。
16.根据权利要求11、12和14中任一项所述的叶片(61)，其中所述根部部分包括根部基面(65)，并且所述入口开口(73)形成在所述根部基面(65)中。
17.根据权利要求11、12和14中任一项所述的叶片(61)，其中所述流量适配特征(64)在初始铸造、烧结或沉积成形期间与所述叶片(61)一体形成。
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