CN108779679B - 被冷却的涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮机的涡轮叶片，包括具有叶片(12)的根部，叶片包括前缘(16)和后缘(17)以及下表面壁(14)和上表面壁(13)，还包括：用于冷却前缘(16)的歧管(18)；用于从根部收集空气并供给歧管(18)的供给管线(19)；侧部腔(23)，该侧部腔沿着上表面壁(13)延伸并从根部被供给空气，以形成面向供给管线(19)的隔热罩；以及形成长号的回路，该形成长号的回路包括中间部分(24)，该中间部分沿着供给管线(19)延伸并且侧向地延伸到上表面壁(13)，所述中间部分(24)在叶片(12)的尖端处由供给管线供给。

Description

被冷却的涡轮叶片
技术领域
本发明涉及一种例如为双轴涡轮喷气发动机或双轴涡轮螺旋桨发动机的涡轮机型航空器发动机的叶片。
背景技术
在这种发动机1中，外部空气通过进气管道2被吸入，以通过包括一系列旋翼的风扇3，然后被分成中心柱流和围绕柱流的旁通流。
随后，柱流在其通过第一压缩级4和第二压缩级6时被压缩，然后到达燃烧室7，之后，柱流穿过一组涡轮8膨胀，然后沿向后方向被排出并产生推力。旁通流通过风扇而直接沿向后方向推进，以产生补充的推力。
在涡轮8中膨胀以驱动压缩机4、6和风扇3是在高温下发生的，因为膨胀是在燃烧之后立即发生的。因此，该涡轮8被设计成并且尺寸被设计成在严苛的流体温度、压力和流动条件下运行。
每个涡轮包括一系列级，每个级包括承载在发动机轴上的一系列叶片，经受最严苛条件的叶片是被称为高压级的第一膨胀级中的叶片。
通常，增加的性能需求和规程的改变导致要设计出在越来越苛刻的环境下运行的发动机，这意味着要增加高压叶片在高温下的强度。
然而，用于这些叶片的材料和涂层的改进不足以耐受可能会出现的高温，因此需要重新考虑这些叶片的冷却。
这种冷却是通过使冷却空气在这些叶片内部流通来实现的，这些冷空气在燃烧的上游被排出，而在叶片的根部处被引入，以沿着叶片中的内部回路穿过。通过穿过叶片的壁的钻孔将该空气从叶片中排出，这也使得能够在叶片的外表面上产生比由燃烧产生的空气更为冷却的空气膜，以限制叶片的温度。
为了增加冷却，叶片的其内流通有空气的内部区域包括特定的特征，换言之，该特定的特征为内部凸起，所述内部凸起干扰冷却空气的流体流动以增加热传递。
这些传统的冷却结构受到以下事实的影响：叶片中的内部回路的长度导致在空气到达该回路的末端时具有过度加热的空气，使得冷却结构的效能在路径末端处的区域中受到限制。
本发明的目的是公开一种提高了其冷却效能的叶片结构。
发明内容
为实现这点，本发明的目的是一种例如为涡轮螺旋桨发动机或涡轮喷气发动机的涡轮机的旋转式涡轮叶片，该叶片包括支撑翼型件的根部，该翼型件沿着长度方向延伸并终止于尖端，该翼型件包括前缘和后缘，后缘沿着使用中的翼型件周围的流体流通的方向位于前缘的下游，该翼型件包括拱腹壁和拱背壁，拱腹壁和拱背壁以一侧向间距彼此间隔开并且各自将前缘与后缘连接，该翼型件包括：
-冷却前缘的上游歧管；
-上游供给管道，该上游供给管道在根部处收集空气并向上游歧管提供标定的供给；
-单个拱背腔，该单个拱背腔沿着拱背壁呈一体件的形式，并且从叶片的根部被供给空气，以形成面向上游管道的隔热罩；
-长号型回路，该长号型回路包括中间部分，该中间部分沿着上游管道下游的部分并且侧向地延伸至拱背壁，该中间部分由上游管道在翼型件的尖端处进行供给。
因此，上游管道与来自拱背的热量有效地隔离，使得冷却空气在其到达长号回路的中间部分时尚未被过度加热，以提供更有效的冷却。有利地，拱背腔的长度减小以对应于上游管道的长度，这有利于空气在该腔中的均匀流通，以优化其热效能。
本发明还涉及一种如此限定的叶片，该叶片包括处于翼型件的尖端处的上部腔，以及其中，该上部腔由上游管道供给。
本发明还涉及一种如此限定的叶片，该叶片包括呈一体件形式的单个拱腹腔，该拱腹腔沿拱腹壁延伸以形成覆盖中间部分的另一隔热罩。
本发明还涉及一种如此限定的叶片，其中，该单个拱腹腔除了覆盖形成长号的回路的中间部分之外还覆盖上游管道。
本发明还涉及一种如此限定的叶片，其中，长号型回路包括下游部分，该下游部分在靠近叶片的底部由中间部分供给，该下游部分从拱背壁侧向地延伸到拱腹壁，并且钻孔朝向下游部分穿过拱腹壁，以在拱腹壁的外部面处形成空气膜。
本发明还涉及一种如此限定的叶片，该叶片包括共用于上游管道、长号回路和上部腔的单个除尘孔。
本发明还涉及一种如此限定的叶片，该叶片包括用于叶片后缘冷却狭缝的下游供给歧管以及用于该下游歧管的标定的下游供给管道，这些狭缝穿过拱腹壁，下游供给管道与形成长号的回路不同，该下游管道从叶片的根部被供给空气。
本发明还涉及一种如此限定的叶片，该叶片包括用于叶片后缘冷却狭缝的下游供给歧管以及用于该下游歧管的标定的下游供给管道，这些狭缝穿过拱腹壁，下游供给管道对应于形成长号的回路的下游部分。
本发明还涉及一种用于制造如此限定的叶片的铸造装置，该铸造装置包括腔(empreintes)和一组芯，该一组芯被设计成形成内部管道和歧管，以及形成隔热罩的内部腔。
本发明还涉及一种包括如此限定的叶片的涡轮。
附图说明
图1是以沿纵向平面的剖视图示出的双轴涡轮喷气发动机的概观；
图2是根据本发明的涡轮叶片的透视图；
图3是根据本发明的叶片的翼型件在垂直于叶片长度方向的平面内的剖视图；
图4是根据本发明的叶片的翼型件沿着翼型件的中值厚度的剖切表面剖开的剖视图。
具体实施方式
本发明的基础是一种叶片，该叶片包括主空气供给管道，该主空气供给管道通过拱背腔而热隔绝，并且为前缘上的冷却歧管和长号类型的回路提供经标定的供给。
在图2中所示的由附图标记11标记的该叶片包括承载翼型件12的根部P，翼型件12沿着径向于其旋转轴线AX的长度方向EV延伸。翼型件12从基部或平台延伸(翼型件通过该基部或平台连接到根部P)直到对应于其自由端的尖端S，并且翼型件包括拱背壁13和拱腹壁14。
这些壁13和14在翼型件的对应于上游区域AM的前缘16处以及在翼型件的对应于其下游区域AV的渐缩后缘17处被结合在一起。上游和下游涉及使用中的翼型件周围的流体的流通方向，后缘位于前缘的下游。
如图3和图4所示，该叶片包括用于其前缘16的上游冷却歧管18，上游冷却空气供给管道19在上游冷却歧管下游沿着上游冷却歧管18延伸，该上游冷却空气供应管道也沿着长度方向EV沿着翼型件的整个高度延伸。
上游管道19通过一系列标定孔21与上游歧管18连通，该一系列标定孔21彼此均匀间隔开并垂直于长度方向EV定向，使得以标定的方式供给该歧管，同时通过在前缘16上的冲击来提供冷却。
如在图3中可以看到的，翼型件12包括孔22，孔22在翼型件的前缘中形成以通过该孔22使通过上游管道19引导到上游歧管18中的冷却空气排出。穿过拱腹壁和拱背壁而形成的其他孔22使在翼型件的其他部分中流通的冷却空气排出。
提供主要空气供给的上游管道19通过单个狭窄的拱背腔23与拱背壁13隔开，该拱背腔23充当仅覆盖上游管道19的隔热罩以保护其免于遭受通过拱背接收的热量。该拱背腔23形成为一体件并且不是长号类型或类似类型的回路，该拱背腔沿着拱背延伸并且是狭窄的。拱背腔由大致矩形的轮廓界定，并且延伸过翼型件的整个高度并且沿着拱背或AX轴线延伸过上游管道19的整个长度。该拱背腔23直接通过叶片根部供给空气，换言之，该拱背腔独立于上游管道19。
该叶片在上游管道19的下游依次包括位于管道19旁边的中间管道部分24，以及位于中间部分24旁边的和中间部分下游的下游管道部分26。中间部分24在由S标记的翼型件的尖端处连通到管道19，下游部分26在靠近翼型件的根部处连通到中间部分24。
因此，由上游管道19和部分24和26形成的组件形成长号类型的回路。在翼型件顶部处(换言之，在翼型件的尖端S处)穿过上游管道19被引导的空气然后穿过中间部分24朝向翼型件的根部流通，之后再次穿过下游部分26朝向翼型件的尖端流通。
以补充的方式，沿着拱腹壁14延伸的单个拱腹腔27以仅覆盖由上游管道19和中间部分24形成的组件的方式延伸过翼型件的整个高度，以形成隔热罩，该隔热罩将上游管道和中间部分与通过拱腹接收的热量隔绝。
该拱腹腔27还界定出单个内部空间，该拱腹腔是狭窄的并且沿着纵向方向从上游管道19延伸到下游部分26。拱腹腔27还具有大致矩形的轮廓，并且沿着EV方向延伸过翼型件的整个高度，以及沿着AX轴线延伸过由管道19和24组成的组件的整个长度。
中间部分24沿着叶片的厚度方向或者沿着基本垂直于叶片的纵向方向AX的侧向方向从拱背腔延伸到拱腹腔27。根据叶片的厚度，下游部分26从拱背壁13延伸到拱腹壁14。
因此，在附图的示例中，拱背腔23使管道19热隔绝，而拱腹腔27使上游管道19和中间部分24热隔绝。
此外，长号回路的使空气从根部到尖端流通的下游部分26包括穿过拱腹壁14的孔，以使在该下游部分26中流通的空气排出，从而在该区域中形成覆盖拱腹的冷却膜。在这些条件下，由于长号回路在其下游部分26中的截面的增加而导致的热效能损失因此通过在拱腹壁的外表面处形成冷却膜来补偿。
如在图4中可以看到的，翼型件的尖端区域由沿着与长度EV的方向基本垂直的方向定向的封闭壁28界定。该封闭壁与拱背壁13和拱腹壁14的边缘一起形成被标记为29的空心槽形状，该空心槽使翼型件终止于其尖端处。
以补充的方式，翼型件包括被标记为31的上部腔(也称为槽下方腔)，并且该上部腔改善了翼型件在该槽的区域中的冷却。
沿着从上游管道19延伸到后缘17的封闭壁28进行延伸的上部腔31也通过在翼型件尖端处与其连通的上游管道19来供给。
通过在一系列狭缝34中输送空气的下游歧管32来冷却翼型件的后缘17，下游歧管通过该一系列狭缝与拱腹面连通。该下游歧管32由专用的下游管道33以标定的方式供给，该下游歧管通过以垂直于长度EV的方向定向并且彼此均匀间隔开的一系列标定孔36而与下游管道连通。
下游管道33沿着长号形回路的下游部分26延伸，并且独立于上游管道19直接从叶片的根部被供给。该下游管道33在下游歧管32旁边延伸，该下游管道通过不同的标定孔36来向下游歧管供给空气。
从图4中可以看出，该下游管道33供给后缘中的大部分狭缝34。仅尖端S处的狭缝由上部腔31供给，以便受益于较为冷却的空气从而增加其在该区域中的热效能。
替代性地，特别是在沿AX轴线较短的翼型件的情况下，下游歧管可以以标定的方式直接由长号形回路的下游部分供给。于是，这可以简化叶片的总体设计，并在随后简化其制造。
应注意，通常，本发明可以利用科里奥利效应来优化叶片的设计及其冷却。具体地，中间部分24有效地冷却相应的拱背，因为空气在该中间部分24中从尖端流通到根部，使得当叶片围绕AX轴线旋转时，科里奥利效应迫使空气朝向拱背的最近面。此外，沿着拱背在中间部分24中下降的空气已经被轻微加热，因为空气在沿着拱背腔23被引导时被拱背腔23热保护。
此外，单个拱腹腔也能够沿着比附图中的示例中的长度更短的长度纵向地延伸，以便仅覆盖中间部分24，而不覆盖上游管道19。
然后，上游腔19中的空气有效地冷却相应的拱腹，因为空气在该上游管道中从根部流通到尖端，使得当叶片旋转时科里奥利效应倾向于迫使流通的空气朝向拱腹壁。
因此，该替代性方案可以再次更好地利用科里奥利效应来减轻叶片的重量。
通常，本发明使得能够利用拱背腔的效能并且有可能利用拱腹腔的效能，在靠近前缘处形成隔热罩，换言之，在具有严重热负荷的区域中形成隔热罩。后缘下游的其中热负荷不那么严重的区域中的冷却通过长号回路来实现。
从同一个隔绝的上游供给管道对长号回路、槽下方腔和上游歧管进行的冷却空气供给可以通过减少不得不向下进入根部以获得空气供给的管道的数量来简化叶片根部的设计。它还有助于限制除尘孔的数量，因为尖端处的单个除尘孔用于槽下方腔、上游歧管以及长号回路。

Claims (9)

1.涡轮机的旋转式涡轮叶片，该叶片包括支撑翼型件(12)的根部，所述翼型件沿着长度方向(EV)延伸并终止于尖端(S)，该翼型件(12)包括前缘(16)和后缘(17)，所述后缘沿着使用中的所述翼型件周围的流体流通的方向位于所述前缘(16)的下游，该翼型件(12)包括拱腹壁(14)和拱背壁(13)，所述拱腹壁和所述拱背壁以一侧向间距彼此间隔开并且各自将所述前缘(16)与所述后缘(17)连接，该翼型件(12)包括：
-用于冷却所述前缘(16)的上游歧管(18)；
-上游供给管道(19)，所述上游供给管道在所述根部处收集空气并向所述上游歧管(18)提供标定的供给；
-单个拱背腔(23)，所述单个拱背腔沿着所述拱背壁(13)呈一体件的形式，并且从所述叶片的根部被供给空气，以形成面向上游供给管道(19)的隔热罩；
-长号型回路，所述长号型回路包括中间部分(24)，所述中间部分沿着所述上游供给管道(19)下游的部分并且侧向地延伸至所述拱背壁(13)，该中间部分(24)由所述上游供给管道(19)在所述翼型件的尖端(S)处进行供给；
-单个拱腹腔(27)，所述拱腹腔沿所述拱腹壁延伸以形成另一隔热罩，该另一隔热罩覆盖长号型回路的所述中间部分(24)和所述上游供给管道(19)。
2.根据权利要求1所述的叶片，所述叶片包括处于所述翼型件(12)的尖端(S)处的上部腔(31)，以及其中，该上部腔(31)由所述上游供给管道(19)供给。
3.根据权利要求1所述的叶片，其中，所述长号型回路包括下游部分(26)，该下游部分在靠近所述叶片的底部由所述中间部分(24)供给，该下游部分(26)从所述拱背壁(13)侧向地延伸到所述拱腹壁(14)，并且钻孔(22)朝向所述下游部分(26)穿过所述拱腹壁，以在所述拱腹壁的外部面处形成空气膜。
4.根据权利要求2所述的叶片，所述叶片包括共用于所述上游供给管道(19)、长号型回路和所述上部腔(31)的单个除尘孔。
5.根据权利要求1所述的叶片，所述叶片包括用于冷却狭缝(34)的下游供给歧管(32)以及用于该下游供给歧管(32)的标定的下游供给管道(33)，这些狭缝在所述后缘(17)处穿过所述拱腹壁(14)，所述下游供给管道与长号型回路不同，该下游供给管道(33)从所述叶片的根部被供给空气。
6.根据权利要求1所述的叶片，所述叶片包括用于冷却狭缝(34)的下游供给歧管(32)以及用于该下游供给歧管(32)的标定的下游供给管道(33)，这些狭缝在所述后缘(17)处穿过所述拱腹壁(14)，所述下游供给管道对应于长号型回路的下游部分(26)。
7.根据权利要求1所述的叶片，所述涡轮机是涡轮螺旋桨发动机的涡轮机或涡轮喷气发动机的涡轮机。
8.用于制造根据权利要求1至7中的一项所述的叶片的铸造装置，所述铸造装置包括腔和一组芯，所述一组芯被设计成形成内部管道和歧管，以及形成隔热罩的内部腔。
9.涡轮机，所述涡轮机包括根据权利要求1至7中的一项所述的叶片。
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