CN109790754B - 包括冷却回路的涡轮叶片 - Google Patents

Abstract

航空涡轮叶片(10)，包括径向延伸的压力面侧腔和吸入面侧腔，以及位于叶片(10)的中心部分并且由压力面侧腔和吸入面侧腔环绕的至少一个中心腔，所述叶片(10)也包括冷却回路，其中至少一个冷却回路(1)包括：在叶片(10)的内径向端和在外径向端彼此连通的第一(A)和第二(B)腔，与第二腔(B)在外径向端(16)连通的第三腔(C)，与第三腔(C)在内径向端(14)连通的第四腔(D)，第一腔(A)和第二腔(B)在内径向端(14)经由一个公共进气口共同地进给有冷空气，其中空气在第一放宽(in a first sense)在径向方向中流动，所述第一腔(A)是压力面侧腔，所述第二腔(B)是中心腔，所述第三腔(C)和第四腔(D)是吸入侧腔。

Description

包括冷却回路的涡轮叶片

技术领域

本发明涉及航空用高压燃气涡轮叶片的领域，更具体说是涉及这些叶片的冷却回路，以及涉及一种包括这些叶片的燃气涡轮。

背景技术

航空发动机燃气涡轮，特别地其高压涡轮机的转子叶片在发动机运行的同时受到燃烧气体的极高温度。这些温度在不会造成损坏的情况下达到了远高于与燃气接触的多种部件能够承受的温度的值，这导致它们的寿命受到限制。

此外，提高高压涡轮机中燃气的温度可以改进发动机的效率，以及因此改进发动机的推力除以由该发动机所驱动飞机的重量的比值。因此，人们努力生产能够承受不断增加的温度的涡轮叶片，并优化这些叶片的冷却。

因此，已知为这些叶片提供冷却回路，旨在降低叶片的温度。通过这些回路，通常经由其根部被引入到叶片内的冷却(或“冷”)空气穿过叶片，在通过叶片表面中向外敞开的孔被喷射之前，跟随由在叶片的厚度中制成的腔所形成的气流。

当这些冷却回路由在叶片厚度中的多个独立腔组成时，或当这些腔的一些专用于局部冷却时，它们被称为“高级的”。这些腔可以限定一种符合发动机性能和零件寿命要求的叶片。

然而，冷却回路以如下方式通过发动机从主流获取“冷”空气，使得用作热传递流体的冷空气的温度低于在叶片表面上流动的空气的温度，并被称为“热”空气。因此，通过发动机从主流获取的该空气会造成损失，并降低发动机的效率和整体性能。

此外，高级回路还具有在与该流接触的叶片外壁和叶片芯部中的壁之间产生很大温度差的缺点。这些相当大的温度差导致危害在运行中的叶片机械强度并且从而可降低其寿命的应力。

因此，需要一种用于冷却航空燃气涡轮叶片的冷却回路，其可以降低温度梯度以限制内部机械应力，并通过降低用于对其冷却的空气流速来优化叶片的冷却，从而改进涡轮机的整体效率。

发明内容

本发明提供一种航空涡轮叶片，所述航空涡轮叶片沿径向方向延伸，并具有压力侧和吸入侧，包括在所述叶片的压力侧径向延伸的多个压力侧腔，在所述叶片的吸入侧径向延伸的多个吸入侧腔，以及位于所述叶片的中心部分中并且由所述压力侧腔环绕以由所述吸入侧腔环绕的至少一个中心腔，所述叶片进一步包括多个冷却回路，其中至少一个第一冷却回路包括：

·第一腔和第二腔，所述第一腔和第二腔在叶片的径向内端和在径向外端彼此连通；

·在径向外端与所述第二腔连通的第三腔；以及

·在径向内端与所述第三腔连通的第四腔；

所述第一腔和第二腔被构造成通过在径向内端的公共进气开口被共同地进给有冷空气，使得空气在其中沿相同方向径向地流动；

所述第一腔是压力侧腔，所述第二腔是中心腔，并且所述第三腔和第四腔是吸入侧腔。

在本发明中，术语“径向”是指从叶片根部(即叶片的根部)朝叶片尖端延伸的方向，即与叶片根部径向相对的端部。因此，在本发明中，径向内端指定叶片根部，并且径向外端指定叶片尖端。

此外，在本发明中，术语“向上”是指空气在腔中从叶片根部流向叶片尖端，“向下”是指空气在腔中从叶片尖端流向叶片根部。

每个腔都由壁限定。压力侧腔在叶片的压力侧上径向地，即从叶片根部朝叶片尖端，延伸。换句话说，限定每个压力侧腔的所述壁的至少一部分的表面与所述压力侧上叶片外部的空气接触。限定每个压力侧腔的壁的表面都不与在所述吸入侧上叶片外部的空气接触。

吸入侧腔在叶片的吸入侧上径向地，即从叶片根部朝叶片尖端，延伸。换句话说，限定每个吸入侧腔的所述壁的至少一部分的表面与所述吸入侧上叶片外部的空气接触。限定每个吸入侧腔的壁的表面都不与在所述压力侧上叶片外部的空气接触。

所述中心腔也在叶片的中心部分中径向地，即从叶片根部朝叶片尖端，延伸。应该理解的是，术语“叶片的中心部分”意味着限定中心腔的壁表面都不与叶片外部的空气接触。换句话说，限定中心腔的所述壁既不与一个或多个压力侧腔也不与一个或多个吸入侧腔接触，除了分离所述压力侧腔和吸入侧腔的壁除外。

一种冷却“回路”指定彼此连通的多个腔。在本发明中，至少一个冷却回路具有第一腔、第二腔、第三腔和第四腔。

所述第一腔和第二腔在叶片根部彼此连通以形成第一公共腔，并且它们与来自所述第一公共腔的冷空气同时被进给。然后所述第一腔和第二腔通过一个沿径向方向延伸的壁彼此隔离，并且它们在叶片尖端再次彼此连通以形成第二公共腔。

因此，当冷空气被进给到所述第一公共腔内时，冷空气通过在所述两个腔的每个中向上流动而在所述第一腔和第二腔之间分隔。

所述第一腔是压力侧腔。因此，当冷空气在所述第一腔中流动时，它通过与壁的强制对流进行热交换，所述壁将所述第一腔与所述压力侧上的热空气分离。因此，在所述第一腔中向上流动的空气从所述壁吸收热，其温度在更接近叶片尖端时升高。

所述第二腔是中心腔。因此，在所述腔中流动的冷空气并不与所述叶片外部的热空气交换热量。因此，与在所述第一腔中流动的空气平行地，在所述第二腔中向上流动的空气的温度在逐渐接近叶片尖端时非常小地升高。因此，冷空气可到达第二公共腔，其中其与来自所述第一腔的空气混合。

所述第三腔在所述叶片尖端与所述第二腔连通，在所述叶片根部与所述第四腔连通。因此，来自所述第一腔和第二腔的空气在所述第三腔中向下流动，在所述第四腔中向上流动。

因此，作为吸入侧腔的所述第三和第四腔可进给有来自所述第二腔的冷空气，从而改进吸入侧冷却。

该结构也具有在所需区域上目标冷却的优点。实际上，在这些腔中移动的空气受到与叶片的快速旋转相关联的科里奥利力作用。这可以尽可能努力地将冷空气挤压在外壁上，即限定叶片的压力侧和吸入侧的这些壁，构成最热的区域。因此对于外壁优化了热交换，进一步可以改进叶片芯部中温度的都匀性，使叶片芯部中的温度梯度最小化，并且因此限制了在形成这些腔的壁中的内部应力，从而改进了叶片的机械强度。此外，用作机械柔性芯部的第二腔可以吸收通过与热空气接触的外壁的热膨胀所产生的机械应力。

在某些实施例中，所述叶片包括多个压力侧孔，每个都与所述第一腔连通并在所述叶片的压力侧中向外敞开。

这些压力侧孔可以是在将所述第一腔与所述叶片的压力侧分离的壁中制成并沿径向方向分布在所述第一腔的至少一部分上的孔，使得在所述第一腔中向上流动的某一体积的冷空气在所述叶片的压力侧上被排出。

通过在叶片的压力侧上产生冷却膜，所排出的空气可以进一步冷却压力侧壁的外表面。此外，如上所述，在第一腔中流动的空气的温度一点点地升高。这些压力侧孔可以使大量的被加热空气在外第一腔外侧排出。因此，来自第一腔和第二腔的进给第三腔的空气主要由来自第二腔的冷空气构成。这可以改进吸入侧腔，即第三和第四腔，的冷却。

在某些实施例中，所述叶片包括多个吸入侧孔，每个都与所述第四腔连通，并向外敞开到所述叶片的吸入侧上。

这些吸入侧孔可以是在所述壁将第四腔与叶片的吸入侧分离的壁中制成并沿径向方向分布在所述第四腔的至少一部分上的孔，使得在所述第四腔中向上流动的某一体积的冷空气在所述叶片的吸入侧上被排出。

通过在叶片的吸入侧上产生冷却膜，所排出的空气可以进一步冷却吸入侧壁的外表面。此外，这些吸入侧孔可以携带沿冷却回路的空气。由于吸入侧压力远低于冷却回路的进给压力，因此这些孔的存在可以自然地产生冷却回路中空气的流动。

在某些实施例中，所述叶片包括至少一个第二冷却回路，所述第二冷却回路包括两个压力侧腔，所述两个压力侧腔经由沿所述叶片在两个腔之间沿径向方向分布的多个通道彼此连通，所述两个腔之一经由在叶片的径向内端向外敞开的进气开口进给有冷空气。

供给有冷空气的腔也可经由径向地分布在所述腔的至少一部分上的诸多孔与所述叶片的压力侧面连通。因此，当冷空气在腔中流动时，它通过与壁的强制对流进行热交换，所述壁将所述腔与所述压力侧上的热空气分离，并且其也通过小孔排出，在叶片的压力侧上产生冷却膜，同时也经由所述多个通道渗透到另一腔内。

在某些实施例中，所述叶片包括至少一个第三冷却回路，其包括吸入侧腔以及在尾缘在叶片的吸入侧上和在压力侧上径向延伸的尾缘腔，所述两个腔经由在叶片的径向内端的进气开口进给有冷空气，所述吸入侧腔以延伸直到其到达叶片尾缘的方式在叶片的径向外端形成一定角度。

在某些实施例中，所述第三冷却回路的诸多腔与在所述叶片的压力侧面中向外敞开的多个尾缘孔连通。

在某些实施例中，所述多个冷却回路彼此独立。

应该理解的是，术语“彼此独立”意味着组成给定冷却回路的任何腔都不与另一冷却回路的腔连通。对于每个冷却回路，这可以产生被靶向到叶片的精确区域的冷却，而这些回路并不彼此干扰。

在某些实施例中，所述叶片包括少于两个薄腔，其中一个薄腔具有第一长度，所述第一长度大于或等于在垂直于所述径向方向的截面中第二长度的至少七倍。

在某些实施例中，每个薄腔的厚度小于或等于1.2毫米(mm)，厚度是在垂直于径向方向的截面中沿第一长度的薄腔侧面之间的距离。

在某些实施例中，每个薄腔在所述叶片的至少一半上径向地延伸。

在某些实施例中，所述叶片包括最多一个薄腔。

有限数量的薄腔的存在有助于制造叶片的工艺。制备冷却回路所需的陶瓷芯部非常脆弱，因为其形状与薄腔的很小厚度有关联。减少这些薄腔的数量可以减轻这些缺点。

本发明还提供了一种包括本发明的叶片的燃气涡轮。

附图说明

在阅读作为非限制性示例给出的本发明的多种实施例的以下详细说明后，可以更好地理解本发明及其优点。本描述涉及图的附页，其中：

·图1是本发明的涡轮叶片的透视图；

·图2是一种象征性地示出叶片的多种冷却回路的诸多腔的透视图；

·图3是一种象征性地示出叶片的第一冷却回路的诸多腔的透视图；

·图4A至4E为从叶片根部到叶片尖端行进的多种径向位置的图3所示的横截面；以及

·图5是叶片的横截面，示出了热传递最大的区域。

具体实施方式

参照图1至5描述了本发明。应该注意的是，图2和3并未同样地示出叶片的部分，而示出了叶片内的腔。换句话说，图2和3中所示的线表示限定这些腔的叶片的内壁。

图1示出了一种涡轮发动机的高压涡轮的例如由金属制成的转子叶片10。当然，本发明也适用于涡轮发动机的其他叶片或桨叶。

叶片10具有气动表面12(或在叶片根部14和叶片尖端16之间径向延伸的翼面)。

叶片根部14适于被安装在高压涡轮机转子的盘上，叶片尖端16与叶片根部14径向相对。

气动表面12具有四个不同的区域：面对来自涡轮发动机燃烧室的热气流的前缘18；与前缘18相对的尾缘20；压力侧面22；以及吸入侧面24；压力侧面和吸入侧面22、24将前缘18连接到尾缘20。

在叶片尖端16，叶片的气动表面12由横向壁26封闭。此外，气动表面12略微超出横向壁26以形成凹部28(以下称为叶片的浴盆)的方式径向地延伸。浴盆28因此具有由横向壁26形成的底部，由气动表面12形成的边缘，并朝叶片尖端16敞开。

在所述的示例中，叶片10包括被设计用于冷却叶片的三个相互独立的冷却回路：第一冷却回路1、第二冷却回路2和第三冷却回路3。

第一冷却回路1包括第一腔A、第二腔B、第三腔C和第四腔D，第一腔A为压力侧腔，第二腔B为中心腔，第三和第四腔C和D为吸入侧腔。

第一冷却回路在叶片根部14通过腔A和B进给有冷空气。冷空气是一种用作热传递流体的空气，其从发动机的其他回路获取并且与在压力侧面和吸入侧面22、24上流动的空气相比更冷。第一和第二腔A和B在叶片根部14在叶片的底部40％，优选地在叶片的底部25％，更优选地在叶片的底部10％沿径向方向彼此连通，从而形成在叶片根部14在长度L1上径向延伸的第一公共腔31(图3和4E)。长度L1可表示不超过叶片总长度的40％。第一和第二腔A和B也在叶片尖端16在叶片的顶部20％，优选地在叶片的顶部15％，更优选地在叶片的顶部10％沿径向方向彼此连通，从而形成在长度L2上径向延伸的第二公共腔32(图3和4A)。长度L2可表示不超过叶片总长度的20％。在公用腔31和32之间，腔A和腔B通过一个沿叶片10径向地延伸的壁P彼此隔离。因此，来自第一公共腔31的空气随后分别和平行地在腔A和B中向上流动(图3中的箭头)，直到其到达第二公共腔32。

此外，第一腔A经由沿叶片10径向分布的多个压力侧孔40与叶片10的压力侧面22连通。因此，在第一腔A中流动的一部分空气被排出通过孔40，以在压力侧面22上形成冷却膜，以及被排出通过位于叶片尖端上的叶片尖端孔42，以在浴盆28的壁26上形成冷却膜。在第一腔A中流动的不被排出通过孔40或42的空气与来自第二腔B的空气在第二公共腔32中混合。

此外，腔A的顶部可在其顶部中通过一种弯曲壁A'限定，所述弯曲壁A'沿径向方向在叶片长度的超过20％，优选15％，更优选10％上延伸，壁A'的弯曲指向前缘18。该壁的这种弯曲形状可以朝以下腔引导在腔A中流动的空气，并确保空气都匀地分布在这些腔中，同时限制压头损失。而且，分隔腔A和B的壁P可在其顶部包括一个弯曲部分P'，所述弯曲部分P'以该弯曲部分P'指向前缘18的方式相对于壁P的其余部分形成一定角度。该弯曲部分P'使得可朝腔C引导在腔B中流动的空气。弯曲壁A'和弯曲部分P'可以促进来自腔A和B的空气转入到腔C内，即促进气流方向的改变，从在腔A和B向上移动转变到在腔C中向下移动。这也可以限制在该转变过程中的压头损失。

第二和第三腔B和C在叶片尖端16在叶片的顶部20％中，优选地在顶部15％中，更优选地在顶部10％中沿径向方向彼此连通，从而形成一个在长度L3上径向延伸的第三公共腔33(图3和4B)。因此，第二和第三腔32和33在叶片尖端16彼此连通，使得第一腔A也可以与第三腔C连通(图3和4A)。因此，在第三腔C中流动的空气来自腔A和B，并且向下流动。

优选地，长度L3可大于长度L2。因此，在第三腔C中流动的空气主要来自第二腔B。此外，来自第一腔A的大部分空气已被排出通过压力侧孔40和叶片尖端孔42。更准确地说，在第三腔C中流动的空气的至少75％，优选至少80％，更优选至少85％，来自第二腔B。这提供了在第三腔C中保存冷空气，以更有效地冷却叶片的吸入侧面24的方式的优点。由于第二腔B是中心腔，因此来自该腔的空气与来自第一腔A的空气相比更冷，所述第一腔通过与压力侧面22的热传递，特别是通过强制对流而被加热。

第三和第四腔C和D在叶片根部14，在叶片的底部10％，优选8％、更，优选6％沿径向方向彼此连通，以形成第四公共腔34(图3和4E)。在第四腔D中流动的空气因此来自第三腔C并且向上流动，即从叶片根部14到叶片尖端16。第四腔D经由沿叶片10径向分布的多个吸入侧孔44与吸入侧连通。因此，在第四腔D中流动的一部分空气以在吸入侧面24上形成冷却膜的方式被排出通过孔44，以及以在浴盆28的壁26上形成冷却膜的方式被排出通过位于叶片尖端16上的叶片尖端孔46。

第一冷却回路1因此从压力侧面22在尾缘20侧上延伸，直到其在前缘18侧上到达吸入侧面24。该结构使得可利用与叶片10的快速旋转相关联的多种效应，特别是科里奥利力，以将空气挤压在需要优化热传递的地方，特别地限定叶片内侧的压力侧面或吸入侧面的壁。图5中的阴影区域示出了空气做最少功的区域，即发生更少热传递的区域。然而，图5中的箭头示出了科里奥利力的方向，换句话说，空气被挤压以及优化热传递的区域。该结构因此可以通过在所需区域上靶向热传递来减少冷却叶片10所需的冷空气流。

中心腔B因此起叶片的机械柔性芯部的作用。中心腔可以补偿邻近压力侧面和吸入侧面22、24在叶片10的壁中的机械变形，这些变形由于表面上的高温通过热膨胀而产生。因此这可以限制叶片10上的外部过度应力。

独立于第一冷却回路1的第二冷却回路2包括两个压力侧腔E和F。邻近第一冷却回路的腔A、B、C和D的腔E在叶片根部14处进给有冷空气(图4E)。腔F位于叶片10的前缘18的侧面上。腔E和F通过多个通道52彼此连通，所述通道沿叶片10沿径向方向分布在这两个腔之间(图4B和4D)。

腔E经由沿径向分布在腔E的至少一部分上的孔50与叶片10的压力侧面22连通。因此，当冷空气在该腔中流动时，它通过与壁的强制对流交换热量，所述壁将该腔与在压力侧上的热空气分离，并且其也被排出通过孔50，在叶片的压力侧上产生冷却膜，同时也经由多个通道52渗透到另一腔内。在腔F中流动的空气被排出通过沿径向方向分布在腔F的至少一部分上的孔54。

独立于第一和第二冷却回路1和2的第三冷却回路3包括一个邻近腔A、B和C的吸入侧腔G，以及一个在尾缘侧20上在叶片的吸入侧24上和在压力侧22上径向延伸的尾缘腔H。腔G和H都通过在叶片根部14向外敞开的进气开口进给有冷空气。

吸入侧腔G首先在第一腔部G'中从叶片根部14径向地延伸，直到其沿吸入侧面24到达叶片尖端16，并且通过沿尾缘方向20(图2)形成一定角度，其其次在与径向方向基本垂直的方向中在第二腔部G"中沿浴盆28延伸，第二腔部G"可以在尾缘2冷却横向壁26。换句话说，腔G从叶片根部14延伸到尾缘20。

此外，第一腔部G'具有很大的长宽比，使得在横截面(例如，图4C和4D)中，一个尺寸(长度)比另一尺寸(宽度)大至少三倍，使其具有“细长”或伸长的形状。这可以使用于在腔G中流动的空气和吸入侧面24之间交换的表面积最大化。除了其形状由在尾缘20的叶片10的形状确定的尾缘腔H之外，第三冷却回路3的吸入侧腔G是具有这种长宽比的叶片10内所有腔中的唯一腔。通过限制具有这种长宽比的腔的数量，可以促进叶片的制造工艺。

尾缘腔H并不在叶片10的整个长度上径向地延伸，并且在长度方面受到第二腔部G"的限制。此外，第三冷却回路3的腔与在压力侧面22上向外敞开的尾缘孔56在尾缘20连通，尾缘孔56沿叶片10径向地分布。这些孔56可以排出在这两个腔中流动的冷空气。

尽管参照具体实施例描述了本发明，但很明显的是，可以对这些实施例进行多种修改和更改，而不超出由权利要求所限定的本发明的通常范围。特别地，冷却回路的数量以及组成每个回路的腔的数量不限于本示例中给出的数量。因此，该描述和附图应视为说明性的，而非限制性的。

同样明显的是，参照一种方法描述的所有特征可以单独或组合地转置到一种装置，反之，参照一种装置描述的所有特征可以单独或组合地转置到一种方法。

Claims (8)

1.一种航空涡轮叶片(10)，所述航空涡轮叶片沿径向方向延伸，并具有压力侧(22)和吸入侧(24)，包括在所述叶片(10)的压力侧(22)径向延伸的多个压力侧腔，在所述叶片(10)的吸入侧(24)径向延伸的多个吸入侧腔，以及位于所述叶片(10)的中心部分中并且由所述压力侧腔和所述吸入侧腔环绕的至少一个中心腔，所述叶片(10)进一步包括多个冷却回路，其中至少一个第一冷却回路(1)包括：

·第一腔(A)和第二腔(B)，所述第一腔和第二腔在叶片(10)的径向内端(14)和径向外端(16)处彼此连通；

·在所述径向外端(16)处与所述第二腔(B)连通的第三腔(C)；以及

·在所述径向内端(14)处与所述第三腔(C)连通的第四腔(D)；

所述第一腔和第二腔(A、B)被构造成通过在所述径向内端(14)处的公共进气开口被共同地供应冷空气，使得空气在其中沿相同的方向径向地流动；

所述第一腔(A)是一压力侧腔，所述第二腔(B)是一中心腔，所述第三和第四腔(C、D)是吸入侧腔。

2.根据权利要求1所述的叶片(10)，包括多个压力侧孔(40)，每个所述压力侧孔都与所述第一腔(A)连通，并且在所述叶片(10)的压力侧(22)中向外敞开。

3.根据权利要求1所述的叶片(10)，包括多个吸入侧孔(44)，每个所述吸入侧孔都与所述第四腔(D)连通，并向外敞开到所述叶片(10)的吸入侧(24)上。

4.根据权利要求1所述的叶片(10)，包括至少一个第二冷却回路(2)，所述第二冷却回路包括两个第二冷却回路压力侧腔(E、F)，所述第二冷却回路压力侧腔经由在该两个第二冷却回路压力侧腔之间沿所述叶片(10)沿径向方向分布的多个通道(52)彼此连通，所述两个第二冷却回路压力侧腔中的一个经由在所述叶片(10)的径向内端(14)敞开的进气口被供应以冷空气。

5.根据权利要求1所述的叶片(10)，包括至少一个第三冷却回路(3)，所述第三冷却回路包括第三冷却回路吸入侧腔(G)以及在尾缘(20)处在叶片(10)的吸入侧(24)和压力侧(22)径向延伸的尾缘腔(H)，所述第三冷却回路吸入侧腔和尾缘腔经由在叶片(10)的径向内端(14)处的进气开口被供应以冷空气，所述第三冷却回路吸入侧腔(G)在叶片(10)的径向外端(16)处形成一角度，以延伸直到其到达所述叶片(10)的尾缘(20)。

6.根据权利要求1所述的叶片(10)，其中所述多个冷却回路彼此独立。

7.根据权利要求1所述的叶片(10)，包括一个薄腔，该薄腔具有第一长度，所述第一长度大于或等于在垂直于所述径向方向的截面中的第二长度的至少七倍。

8.一种燃气涡轮，包括根据权利要求1所述的叶片。

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