CN107849930B - 具有可变几何形状插入件的高压分配器叶片装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种分配器叶片装置(10)，该分配器叶片装置具有叶片(12)和插入件(20)，该叶片包括压力侧壁(16)和吸力侧壁(14)，该插入件被置于叶片(12)中并且包括：闭合的壁(22)，该闭合的壁具有在压力侧壁(16)和吸力侧壁(14)的对面延伸的外部壳(24)、一系列加强部(25)和一系列贯通开口，该外部壳(24)和面对的叶片(12)的壁由空气间隙(30)间隔开，该加强部形成在闭合的壁(22)中并且通入外部壳(24)，该贯通开口形成在加强部(25)中，所述贯通开口与压力侧壁(16)或面对的吸力侧壁(14)之间的冲击高度(h)大于空气间隙(30)。

Description

具有可变几何形状插入件的高压分配器叶片装置
技术领域
本发明涉及单流涡轮发动机或双流涡轮发动机的一般领域，更具体地涉及通风分配器的冷却叶片装置。
背景技术
涡轮发动机1通常包括舱室或空气入口(入口腔)，其形成允许预定空气流进入发动机的开口。通常，涡轮发动机包括一个或多个允许空气进入发动机的压缩部分4(通常是低压部分和高压部分)。如此经压缩的空气被准许进入燃烧室5并于在燃烧室进行燃烧之前与燃料混合。
于是，由该燃烧产生的热燃烧气体在不同的涡轮级6、7中膨胀。第一次膨胀在紧靠室的下游并且接收处于最高温度的气体的高压级6中进行。气体在被引导通过所谓的低压涡轮级7时再次膨胀。
高压涡轮6或低压涡轮7通常包括一个或多个级，每个级包括一排固定的涡轮叶片装置(也称为分配器8)，位于其后的是一排围绕涡轮的盘周向地间隔开的可动涡轮叶片装置。分配器8使来自燃烧室的气体流以适当的角度和速度朝向可动涡轮叶片装置偏转和加速，从而驱动该可动叶片装置和涡轮盘旋转。
分配器8包括相对于涡轮发动机的旋转轴线X径向地分布的多个叶片，该叶片连接径向内部环形元件(或内部平台)和径向外部环形元件(或外部平台)。整体形成面向可动涡轮叶片装置的环形涌流。
更确切地说，分配器8由设置在环中的固定叶片装置形成，如果需要的话，该环可以被分成围绕涡轮发动机的轴线X周向地分布的多个部段。每个部段包括一个或多个固定的相邻叶片装置，该叶片装置被固定到环扇形单元以及上游保持装置和下游保持装置。在此，上游和下游由涡轮发动机中的气体流动方向限定。
分配器8叶片装置通常通过铸造获得，并且由镍基超耐热合金或具有非常好的耐热性的单晶材料制成。
高压涡轮的分配器8是暴露于非常高的热应力下的部件。该分配器实际上被放置在燃烧室的出口处，因此具有非常热的气体通过该分配器，这使得它们承受非常强的热负荷，燃烧室出口处的气体的温度显著高于构成分配器8的材料的熔融温度。实际上，分配器8入口处的涌流温度可以局部达到2000℃，而在部件的、熔融温度低于1400℃的某些点处，观察到严重的损坏并不少见。
为了降低部件的温度并限制部件劣化，因此有必要使分配器8冷却。通常，冷却分配器8的功能由放置在分配器8叶片装置内部的一个或多个插入件提供。插入件是中空的金属片或铸造部件，其包括通常使用激光形成的圆筒形孔并且尽可能好地呈现要冷却的叶片装置的形状。在涡轮发动机的压气机处收集的“新鲜”空气通过这些孔冲击叶片装置的内部面以使叶片装置冷却。
如此，叶片装置的内部面由于这些射流冲击以及插入件与型材的壁之间的强制对流现象而被冷却。因此，插入件与叶片装置的内部面之间的距离(称为空气间隙)是恒定的。
然而，两种现象控制了叶片装置的冷却，即，射流冲击和插入件与叶片装置的内部面之间的强制对流。这两种模式的冷却效率的主要参数之一是空气间隙的值。实际上，如果希望使强制对流最大化，则空气间隙应该是最小的，但是如果希望使射流的冲击高度(其对应于孔的出口与叶片装置的内部壁之间的距离)最大化以便优化射流冲击的效率，则空气间隙一定不能太小。
当前，空气间隙是恒定的，为了不会太大程度地减小射流冲击和有效的强制对流的益处，关于空气间隙的值要作出折衷。
然而，涡轮发动机的性能部分地与所安装的通风系统相关。实际上，所有为了冷却构件而进行的空气收集均会妨碍涡轮发动机的热力学循环、有损发动机的功率和单位燃料消耗量。因此，有必要将空气收集限制在严格的最低需求。因此，所使用的冷却系统的效率对于发动机的性能和相关构件的寿命来说是最重要的。
文献EP 2 228 517描述了涡轮发动机的分配器叶片装置、叶片和容纳在叶片中的插入件，该插入件中形成有开口。插入件的壁在开口处被进一步局部折叠，以横穿开口的空气射流并产生湍流。
文献EP 1 284 338就其部分描述了涡轮发动机的分配器叶片装置、叶片和容纳在叶片中的插入件，该插入件中形成有开口。插入件的壁是不连续的，以形成叠覆并且改变通过开口输送的空气射流冲击到叶片的内部面上的冲击方向。
发明内容
因此，本发明的一个目的是优化分配器叶片装置的冷却以便限制所使用的新鲜空气的量，最终目的是限制热机械损伤(裂纹、烧伤、氧化等)。
为此，本发明提出了一种涡轮发动机分配器叶片装置，所述叶片装置具有：
-叶片，该叶片包括压力侧壁和吸力侧壁，以及
-插入件，该插入件被容纳在压力侧壁和吸力侧壁之间，该插入件包括:
*闭合的壁，该闭合的壁具有面对压力侧壁和吸力侧壁延伸的外部壳以及与外部壳相对的内部壳，该闭合的壁的外部壳和叶片的面对的壁由空气间隙间隔开，以及
*一系列贯通开口，该贯通开口形成在闭合的壁中并且在外部壳与内部壳之间延伸。
叶片装置插入件包括一系列整体为半球形的、蛋头的或水滴的形状的凹部，该凹部形成在闭合的壁中并且通入外部壳。此外，贯通开口形成在所述凹部中并且所述贯通开口与面对的压力侧壁或吸力侧壁之间的冲击高度大于空气间隙。
上文所述的叶片装置的一些优选的但并非限制性的特征在下文被单独地或者组合采用：
-贯通开口具有周缘，该周缘具有限定的最大宽度，冲击高度与所有或部分贯通开口的最大宽度之间的比率介于2.5到10之间、优选地介于2.5到7之间、更优选地介于2.5到5之间、通常介于2.8到3.2之间、例如等于3，
-贯通开口是圆形的，所述贯通开口的最大宽度对应于贯通开口的直径，
-插入件的闭合的壁的内部壳进一步包括凸出部，贯通开口通入所述凸出部，
-冲击高度介于1.0mm到3.0mm之间、优选地介于1mm到2mm之间、通常介于1mm到1.5mm之间，
-空气间隙介于0.5mm到1.0mm之间，优选地介于0.5mm到0.8mm之间、并且通常等于0.6mm，和/或
-压力侧壁的内部面与吸力侧壁的内部面进一步包括立柱，该立柱沿插入件的外部壳的方向从所述内部面突出。
根据第二方面，本发明还提出了一种用于涡轮发动机的涡轮的分配器，该分配器包括内部环形平台和外部环形平台以及如上文所述的一系列分配器叶片装置，该内部环形平台和该外部环形平台围绕轴线是同轴的，所述叶片装置在内部平台与外部平台之间围绕该轴线周向地分布。
根据第三方面，本发明提出了一种用于制造如上文所述的分配器叶片装置的方法，其中，插入件通过由高能束对粉末层进行选择性熔融而制得。
附图说明
通过阅读下文中的详细描述并参考以非限定性示例的方式给出的附图，本发明的其他特征、目的和优点将更加明显，在附图中：
图1为根据本发明的分配器叶片装置的插入件的示例性实施例的透视图，
图2为根据本发明的包括图1的插入件的分配器叶片装置的示例性实施例的侧视图，其中，插入件通过透入到叶片内部而示出，
图3为根据本发明的分配器叶片装置的示例性实施例的局部视图，
图4为根据本发明的分配器的示例性实施例的透视图，以及
图5为包括根据本发明的分配器的涡轮发动机的简化剖视图。
具体实施方式
因此，将参照包括高压分配器8(或定子)和可动轮(或转子)的单级高压涡轮6来非常具体地描述本发明。然而，这不是限制性的，因为涡轮6可以包括更多级，而本发明也可以只应用于低压涡轮7和压气机4(高压或低压)，该低压涡轮和压气机各自也包括多个固定的级。此外，分配器8可以是单体件或者被分成多个扇区。
通常，涡轮机6包括一个或多个级，每个级包括分配器8，位于其后的是一排围绕涡轮6的盘周向地间隔开的可动涡轮叶片3。
分配器8使来自燃烧室5的气流以适当的角度和速度朝向可动叶片偏转，从而驱动涡轮6的叶片和盘旋转。该分配器8包括相对于涡轮发动机1的旋转轴线X径向地定位的多个固定叶片，该固定叶片连接径向内部环形平台9a和径向外部环形平台9b。
每个叶片装置10包括叶片12，叶片包括压力侧壁16和吸力侧壁14，该压力侧壁和吸力侧壁由前缘18和后缘19互连。叶片12的前缘18对应于其空气动力学轮廓的前面部分。前缘面向气流并将气流分成沿着压力侧壁16流动的压力侧气流和沿着吸力侧壁14流动的吸力侧气流。后缘19就其部分而言对应于空气动力学轮廓的后面部分，在后缘处，压力侧流和吸力侧流重新结合。
分配器8进一步包括冷却系统。为此，每个叶片装置10包括插入件20，该插入件被容纳在叶片12中并处在压力侧壁16和吸力侧壁14之间。插入件20包括：
-闭合的壁12，该闭合的壁具有面对压力侧壁16和吸力侧壁14延伸的外部壳24以及与外部壳24相对的内部壳26，闭合的壁12的外部壳24以及叶片装置10的面对闭合的壁的壁由空气间隙30隔开，以及
-一系列贯通开口28，该贯通开口形成在外部壳24和内部壳26之间的闭合的壁12中。
通入外部壳24的一系列凹部25进一步形成在插入件20的闭合的壁12中。贯通开口28形成在凹部25中，并且贯通开口28与叶片12的面对的壁之间的冲击高度h大于空气间隙30。
在一个实施例中，空气间隙可以是恒定的。空气间隙30在此表示插入件20的闭合的壁12的外部壳24上的在凹部25附近的点与叶片12的面对的壁(即，压力侧壁16或吸力侧壁14)之间的最小距离。在下述平面中测量空气间隙30：该平面与在叶片12的根部处与内部平台9a相切的切平面平行，并且空气间隙在内部平台9a和外部平台9b之间总体上恒定。
冲击高度h表示贯通开口28的出口(相对于冷却空气流)与叶片12的面对的壁(即，压力侧壁16或吸力侧壁14)的内部面15之间的沿着进入贯通开口28的冷却空气流的轴线X的距离。
叶片装置10的这种构造允许在叶片12和插入件20之间提供小的空气间隙30，并由此在通过贯通开口28冲击之后排出空气的期间保持强制对流的效率，同时仍然提高了冲击的效率，这是因为凹部25使贯通开口28的出口相对于插入件20的外部壳24偏移而增大了冲击高度h。
在一个实施例中，当空气间隙30介于0.5mm到1.0mm之间、优选地介于0.5mm到0.8mm之间、例如大约为0.6mm时，冲击高度h介于1.0mm到3.0mm之间、优选地介于1.0mm到2.0mm之间、例如大约为1.5mm。
贯通开口28包括具有限定的最大宽度L的周缘。周缘的宽度L在此表示两条平行直线(或“支撑线”)之间的距离，这两条平行直线在两个不同的点处与由贯通开口28的周缘在凹部处形成的闭合曲线相切。最大宽度L则对应于周缘的最大宽度L。当贯通开口28具有圆形横截面时，最大宽度L例如等于圆的外直径。作为变型，贯通开口28可以具有正方形或矩形的横截面，最大宽度L则对应于其对角线。
为了进一步优化对叶片12的内部面15的射流冲击的效率，冲击高度h与全部或部分开口的最大宽度L之间的比率介于2.5到10之间、优选地介于2.5到5之间、通常介于2.5到5之间，例如介于2.8到3.2之间。通常，在叶片12的闭合的壁12具有介于0.4mm到0.6mm之间的厚度、其中空气间隙30大致等于0.6mm的情况下，冲击高度h和开口的最大宽度L之间的最佳比率为大约3。这样的比率具体能够获得1.5mm的冲击距离。
凹部25可以具有整体为半球形或“蛋头”或水滴的形状。应注意的是，根据所需的冲击高度h和外壁的厚度，插入件20的内部壳26可以不是平坦的。
这样的形状进一步允许预期冲击高度h与最大宽度L的这种比率。
因此，在图1至图3所示的示例性实施例中，空气间隙30为0.6mm，叶片12的闭合的壁具有大约0.6mm的厚度，而所需的冲击高度h为1.5mm。因此，通过改变闭合壁12的内部壳26及外部壳24的几何形状而不是通过在所述外部壁中形成空腔来获得凹部25。因此，闭合的壁12的内部壳26是不光滑的并且包括与形成在外部壳24中的凹部25相对应的凸出部27。在此，凹部25是半球形的：因此，闭合的壁12的外部壳24具有一系列半球形凹陷部(creux)，贯通开口28在该凹陷部的底部形成，而闭合的壁的内部壳26具有有着互补的形状和尺寸的半球形凸出部27，该半球形凸出部从所述内部壳26凸出，贯通开口28从所述凸出部27的顶部通出。
在变型实施例中，叶片12的压力侧壁14和吸力侧壁16的内部面15可以包括沿插入件20的方向从所述内部面15突出的立柱(plots)13，以防止冲击叶片12的内部面15的射流遭受剪流。立柱13可以例如具有总体为三角形或V形的横截面，该横截面的尖端沿叶片12的前缘18的方向延伸。
与最佳的最大L宽度L和冲击高度h相结合的这个变型实施例使得能够在叶片12的整个轮廓上获得有效和恒定的冷却。
插入件20的构造以及如果有必要在叶片12的内部面15上设置立柱13对冷却分配器8的局部冲击效率以及对管控气体间隙30中的强制对流的效率的可能性带来了显著增加，同时仍然通过位于更上游的排的冲击来限制下游排的冲击的剪力。对所有这些参数进行的优化进一步允许充分使用用于冷却壁的空气。在等流速下，这使得它在热方面更有效(寿命增加)，或者，使得在等热效率下降低流速，这转化为发动机性能的提高。
通常，叶片12可以例如通过以合适的材料(诸如镍基超耐热合金或具有良好耐热性的单晶材料)进行铸造来获得。作为变型，叶片12可以通过由高能束对粉末层进行选择性熔融来获得。
该插入件对于其部分可以例如通过铸造或通过由高能束对粉末层进行选择性熔融来获得。由高能量束对粉末层进行选择性熔融特别允许以较低成本(与铸造相比)获得插入件，产生合适形式的凹部25(并且如果需要的话产生凸出部27)。于是，插入件的外壁可具有介于0.4mm到0.8mm之间、例如大约为0.6mm或者甚至为0.4mm的厚度。

Claims (17)

1.一种涡轮发动机(1)分配器(8)的叶片装置(10)，所述叶片装置(10)具有：
-叶片(12)，所述叶片包括压力侧壁(16)和吸力侧壁(14)，以及
-插入件(20)，所述插入件被容纳在所述压力侧壁(16)和所述吸力侧壁(14)之间，所述插入件(20)包括：
*闭合的壁(22)，所述闭合的壁具有面对所述压力侧壁(16)和所述吸力侧壁(14)延伸的外部壳(24)以及与所述外部壳(24)相对的内部壳(26)，所述闭合的壁(22)的所述外部壳(24)和所述叶片(12)的面对的壁由空气间隙(30)间隔开，和
*一系列贯通开口(28)，所述贯通开口形成在所述闭合的壁(22)中并且在所述外部壳(24)与所述内部壳(26)之间延伸，
其特征在于，所述插入件(20)还包括一系列凹部(25)，所述凹部形成在所述闭合的壁(22)中并且通入所述外部壳(24)，所述贯通开口(28)形成在所述凹部(25)中，所述贯通开口(28)与面对的压力侧壁(16)或吸力侧壁(14)之间的冲击高度(h)大于所述空气间隙(30)，所述凹部(25)具有总体为半球形的、蛋头的或水滴的形状。
2.根据权利要求1所述的叶片装置(10)，其中，所述贯通开口(28)具有周缘，所述周缘具有限定的最大宽度(L)，所述冲击高度(h)与所有或部分的所述贯通开口(28)的最大宽度(L)之间的比率介于2.5到10之间。
3.根据权利要求2所述的叶片装置(10)，其中，所述冲击高度(h)与所有或部分的所述贯通开口(28)的最大宽度(L)之间的比率介于2.5到7之间。
4.根据权利要求3所述的叶片装置(10)，其中，所述冲击高度(h)与所有或部分的所述贯通开口(28)的最大宽度(L)之间的比率介于2.5到5之间。
5.根据权利要求4所述的叶片装置(10)，其中，所述冲击高度(h)与所有或部分的所述贯通开口(28)的最大宽度(L)之间的比率介于2.8到3.2之间。
6.根据权利要求5所述的叶片装置(10)，其中，所述冲击高度(h)与所有或部分的所述贯通开口(28)的最大宽度(L)之间的比率等于3。
7.根据权利要求2所述的叶片装置(10)，其中，所述贯通开口(28)是圆形的，所述贯通开口(28)的最大宽度(L)对应于所述贯通开口的直径。
8.根据权利要求1至7中的一项所述的叶片装置(10)，其中，所述插入件(20)的闭合的壁(22)的内部壳(26)进一步包括凸出部(27)，所述贯通开口(28)通入所述凸出部(27)。
9.根据权利要求1至7中的一项所述的叶片装置(10)，其中，所述冲击高度(h)介于1.0mm到3.0mm之间。
10.根据权利要求9所述的叶片装置(10)，其中，所述冲击高度(h)介于1mm到2mm之间。
11.根据权利要求10所述的叶片装置(10)，其中，所述冲击高度(h)介于1mm到1.5mm之间。
12.根据权利要求1至7中的一项所述的叶片装置(10)，其中，所述空气间隙(30)介于0.5mm到1.0mm之间。
13.根据权利要求12所述的叶片装置(10)，其中，所述空气间隙(30)介于0.5mm到0.8mm之间。
14.根据权利要求13所述的叶片装置(10)，其中，所述空气间隙(30)等于0.6mm。
15.根据权利要求1至7中的一项所述的叶片装置(10)，其中，所述压力侧壁(16)的和所述吸力侧壁(14)的内部面(15)进一步包括立柱(13)，所述立柱沿所述插入件(20)的外部壳(24)的方向从所述内部面(15)突出。
16.一种涡轮发动机(1)分配器(8)，所述分配器包括内部环形平台(9a)和外部环形平台(9b)，所述内部环形平台和所述外部环形平台围绕所述分配器(8)的轴线(X)是同轴的，
所述分配器(8)的特征在于，所述分配器包括一系列根据权利要求1至15中的一项所述的叶片装置(10)，所述叶片装置在内部平台(9)与外部平台(9b)之间围绕所述轴线(X)周向地分布。
17.一种用于制造根据权利要求1至15中的一项所述的叶片装置(10)的方法，其特征在于，所述插入件(20)通过由高能束对粉末层进行选择性熔融而制得。
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