CN109891054B - 具有优化的冷却的涡轮机叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮机的涡轮叶片，该涡轮机诸如为涡轮喷气发动机，该涡轮叶片包括：根部，该根部支撑叶片、沿翼展方向延伸，终止于顶端；叶片包括前缘(17)和后缘(18)，以及压力侧壁(20)和吸力侧壁(21)，压力侧壁和吸力侧壁彼此间隔开并且将前缘(17)连接到后缘(18)，所述叶片还包括冷却管道(41，52，53，47，54)，在叶片根部处收集的空气在该冷却管道中循环；第一内侧凹槽和第二内侧凹槽(37，38)，第一内侧凹槽和第二内侧凹槽沿压力侧壁(20)行进，以便形成沿压力侧壁(20)彼此间隔开的隔热罩；以及至少一个管道(53)，该至少一个管道在第一侧凹槽和第二侧凹槽(37，38)之间从压力侧壁(20)延伸到吸力侧壁(21)。

Description

具有优化的冷却的涡轮机叶片

技术领域

本发明涉及一种涡轮机型飞行器发动机叶片，该涡轮机型飞行器发动机例如诸如为双轴涡轮喷气发动机或双轴涡轮螺旋桨发动机。

背景技术

如图1所示，在标识为1的这种发动机中，外部空气通过进气导管2被吸入，以便穿过包括一系列旋转翼型件的风扇3，然后被分成中心核心流以及围绕核心流的旁通流。

然后，核心流在到达燃烧室7之前穿过压缩级4、6，在到达燃烧室后，该核心流穿过一组涡轮8而膨胀，之后沿向后方向被抽出以产生推力。旁通流通过风扇沿向后方向被直接推进，以产生补充的推力。

该发动机1由外壳9界定，该外壳从其前部延伸以形成空气进气导管，直至到达形成流抽出管的后部，前侧和后侧是相对于安装有该发动机的飞行器的前进方向来考虑的。

由于在燃烧之后立即发生膨胀，涡轮8中的驱动压缩机和风扇的膨胀在高温下发生，使得这些涡轮被设计成在苛刻的温度和压力条件下运行。

每个涡轮包括一系列的级，每个级包括被径向地定向并且围绕中心发动机轴而彼此均匀地间隔开的一系列的叶片。该中心轴承载涡轮旋转元件以及压缩机和风扇的旋转元件。

受最苛刻条件影响的涡轮叶片是第一膨胀级的叶片，第一膨胀级即靠近燃烧区域的级，通常称为高压级。

在实践中，更高的性能需求需要高压涡轮叶片的更高强度，特别是关于这些叶片在高温下的强度。这种情况导致对这些叶片的冷却系统的重新设计，以对冷却进行改进，使得这些叶片能够抵抗这些新的工作条件。

这种冷却是通过使从燃烧的上游从涡轮喷气发动机排出的冷却空气在这些叶片内进行循环来实现的。这些空气在叶片的根部处进入并且沿叶片中的内部回路被输送以冷却该叶片，并且这些空气通过穿过该叶片的壁并分布在该壁上的钻孔被抽出到叶片的外部。这些钻孔用于抽出冷却空气并且在叶片的外表面上产生比来自燃烧的空气冷的空气膜，该空气膜也有助于限制叶片的温度。

本发明的目的在于公开一种叶片结构，该叶片结构提高该叶片的冷却效能。

发明内容

为实现该目的，本发明的目的在于一种涡轮机的涡轮，该涡轮机诸如为涡轮螺旋桨发动机或涡轮喷气发动机，叶片包括根部和翼型件，该翼型件支撑在根部上、沿长度方向延伸并且终止于尖端，翼型件包括前缘以及位于前缘的下游的后缘，翼型件包括拱腹壁和拱背壁，该拱腹壁和拱背壁彼此间隔开并且将前缘连接到后缘，该翼型件还包括：

-冷却导管，每个冷却导管从拱背壁侧向地延伸直至上游内壁或直至下游内壁；

-上游侧向腔和下游侧向腔，该上游侧向腔和下游侧向腔沿拱腹壁延伸以形成隔热罩，且沿拱腹壁彼此间隔开；

-上游侧向腔沿厚度从拱腹壁侧向地延伸直至上游内壁，该上游侧向腔的厚度小于该上游侧向腔沿拱腹壁的长度；

-下游侧向腔沿厚度从拱腹壁侧向地延伸直至下游内壁，该下游侧向腔的厚度小于该下游侧向腔沿拱腹壁的长度；

-冷却管道，该冷却管道在上游侧向腔和下游侧向腔之间从拱腹壁横向地延伸直至拱背壁。

通过这种布置，侧向壁是不同的并且沿叶片的骨架彼此分开。这种分成两部分的分开对在使用中影响叶片的热膨胀提供了更好的抗性。

本发明还涉及一种如此界定的叶片，其中，上游侧向腔和下游侧向腔被布置成形成沿叶片的长度方向延伸的类似于字母U的图案的两个分支，每个侧向腔对应于该U的一个分支，并且其中，这两个侧向腔共同由根部通过该根部的同一喷嘴供给。

本发明还涉及一种如此界定的叶片，其中，根据长号回路式布局，从拱背壁延伸到上游内壁的管道连接到从拱背壁延伸到拱腹壁的管道，该从拱背壁延伸到拱腹壁的管道自身连接到从拱背壁延伸到下游内壁的管道，以向后缘提供冷却空气。

本发明还涉及一种如此界定的叶片，该叶片包括通过长号回路中的管道供给的下游歧管，该下游歧管从拱腹壁横向地延伸到拱背壁，并且其中，拱腹壁包括通入长号回路的下游歧管的钻孔，以形成用于拱腹壁的外部冷却空气膜。

本发明还涉及一种如此形成的叶片，其中，下游歧管由长号回路的管道通过校准通道供给。

本发明还涉及一种如此界定的叶片，该叶片包括：槽下腔，该槽下腔从尖端的中心区域延伸到后缘；以及至少一个中心管道，该至少一个中心管道直接向该槽下腔供给在根部处收集的空气。

本发明还涉及一种如此界定的叶片，其中，后缘包括在拱腹侧上的一系列的贯通缝隙，该贯通缝隙被供给冷却空气，并且其中，这些缝隙包括：

-靠近尖端的一个或多个最近的缝隙，该一个或多个最近的缝隙通过槽下腔供给；

-通过翼型件的下游管道供给的缝隙。

本发明还涉及一种如此界定的叶片，该叶片包括上游回路，以冷却翼型件的前缘。

本发明还包括用于制造如此界定的叶片的铸造装置，该铸造装置包括型腔和一组型芯，该一组型芯被设计成形成内部管道和歧管，以及内部腔，该内部腔形成罩。

本发明还涉及一种涡轮机的涡轮，该涡轮包括如此界定的叶片。

本发明还涉及一种涡轮机，该涡轮机包括如此界定的涡轮。

附图说明

图1为双轴涡轮喷气发动机的纵向截面视图；

图2为高压涡轮叶片的透视图；

图3为根据本发明的叶片在垂直于其长度方向的平面上的截面视图；

图4为示出了用于根据本发明的叶片的前缘的上游冷却回路的侧视图；

图5为示出了根据本发明的叶片的中间回路和中心冷却回路的侧视图；

图6为示出了用于根据本发明的叶片的后缘的下游冷却回路的侧视图；

图7为拱腹侧的侧视图，示出了根据本发明的叶片的不同冷却回路而不是该叶片的侧向回路；

图8为拱腹侧的侧视图，示出了根据本发明的叶片的不同冷却回路；

图9为拱背侧的侧视图，示出了根据本发明的叶片的不同冷却回路。

具体实施方式

叶片结构

根据本发明的在图2中标记为11的叶片包括：根部P，该叶片通过该根部固定到称为涡轮盘的未示出的旋转本体；以及翼型件12，该翼型件支撑在该根部P上，具有平台13，通过平台13将根部P连接到翼型件12。该叶片11包括内部回路，在根部P的下侧14上进入的冷却空气在该内部回路中循环。

翼型件12的形状围绕所谓的长度轴线EV扭曲，该长度轴线垂直于支撑叶片的轴的旋转轴线AX，并且该翼型件的轮廓从基部16开始大致为矩形，该翼型件通过该基部连接到根部P。

该翼型件12包括前缘17，该前缘大致平行于长度方向EV并且相对于安装有该叶片的发动机的向前方向位于叶片的上游或前侧AM上。该翼型件还包括后缘18，该后缘大致平行于前缘17定向并且沿轴线AX与该前缘隔开一距离，以位于叶片的下游或后侧AV上。该翼型件还包括尖端S，该尖端大致平行于基部16并且沿长度方向EV与该基部隔开一距离。

该叶片的两个主要的壁为其拱腹壁20(在图2中可见)以及其拱背壁，该拱腹壁和该拱背壁彼此隔开一距离，同时在前缘17处、后缘18处以及尖端区域S中保持连接。

弯曲的前缘17包括穿过其壁的冷却孔22，并且锥形的后缘18包括一系列的冷却缝隙23。这些缝隙是短的，并且这些缝隙平行于长度方向EV且彼此间隔开一间距和沿彼此的伸长部延伸，并且位于与后缘自身相距一短距离处。每个缝隙23穿过拱腹以将拱腹壁上的空气吹向后缘，该后缘设置有引导该空气的平行于轴线AX的外部肋。

拱腹壁包括：一系列的孔24，该一系列的孔大致平行于前缘17分布并且位于前缘的下游；以及另一系列的孔26，该另一系列的孔大致平行于后缘18分布，并且位于缝隙23的上游。这些孔有助于在拱腹的外部面上形成空气膜以冷却该拱腹。

在该叶片的尖端S处，该叶片包括垂直于长度方向EV的封闭壁，该封闭壁匹配拱腹壁和拱背壁。该封闭壁(在图2中不可见)相对于拱腹壁和拱背壁的自由边缘朝向轴线AX缩回，以便与这些边缘共同形成称为槽的挖空部分，槽在与轴线AX相反的方向上敞开。

另一系列的孔27沿尖端S穿过拱腹壁，平行于封闭壁分布，这有助于在尖端S的区域中在拱腹的外部面上形成空气膜，以冷却该拱腹。

该叶片是通过使用用于界定内部管道的一组型芯来铸造金属材料而制造的一体式叶片，这些型芯在例如使用化学蚀刻方法铸造并冷却之后被移除。

图4至图9示出了叶片的内部区域，由用于制造该叶片的型芯的形状表示。因此，这些附图的形状是浮突的，但这些形状形成了叶片的中空形状的表示。

根据本发明的叶片11包括五个内部冷却回路。该叶片包括上游回路31；中心回路32；在中心回路的每一侧上延伸的中间回路33；以及下游回路34。补充地，侧向回路36主要包括上游侧向腔37和下游侧向腔38，该上游侧向腔和下游侧向腔具有小的厚度且以沿拱腹彼此相隔一间距沿拱腹延伸，以形成隔热罩。

上游回路

如在图4中可以看到的，上游回路31包括上游歧管39和上游管道41，该上游管道供给该歧管39并且平行于长度方向EV延伸。上游管道41从翼型件根部延伸，以在根部的喷嘴42处收集来自根部的空气，直至延伸至尖端S的位于槽下方的区域，换句话说，直至延伸至尖端S的位于其封闭壁下方的区域。上游歧管39从基部16延伸直至槽下方的区域，并且该上游歧管通过沿长度方向EV均匀地间隔开的校准通道43以校准的方式被供给，每个校准通道将上游管道41连接到上游歧管39。

每个通道43的直径被校准，换句话说，选择每个通道的直径以在该通道所供给的歧管39的区域中获得所需的空气流量。对上游歧管39的这种校准供给确保了前缘的冲击式冷却。

补充地，上游管道41包括湍流促进器44，换句话说，在该上游管道的内部面上形成浮突部的元件，该湍流促进器在空气流中产生湍流，以增加与叶片的界定该管道41的壁的热交换。

上游管道41在拱腹侧上由侧向回路36的上游侧向腔37进行热防护，使得该上游管道从拱背壁21侧向地延伸直至上游内壁40，该上游内壁将该上游管道与上游腔37隔开。

中心回路

图5中出现的中心回路32包括称为槽下腔46的上部腔，以及中心管道47，该中心管道直接供给该槽下腔46，以冷却尖端。中心管道从叶片的根部P延伸，在根部处该中心管道包括进气喷嘴48，并且该中心管道通向槽下腔46的底部。

槽下腔46从尖端S的中心区域纵向地延伸直至后缘18，以向最接近尖端S的一个或多个缝隙23供给冷却空气。

槽下腔46首先在其整个长度上通过拱背侧向地界定，其次通过翼型件的后部中的拱腹并且通过下游内壁49侧向地界定，该下游内壁在尖端S的中心部分中将该槽下腔与侧向回路36的下游腔38隔开，该尖端的中心部分对应于槽下腔46的前部。

该槽下腔46沿长度轴线EV由平行于封闭壁并与该封闭壁隔开一距离的底部以及由封闭壁界定。

中心管道47和槽下腔46的前部分由侧向回路36的下游侧向腔38进行热防护。如在图3中可以看到的，中心管道47从拱背壁侧向地延伸直至下游内壁49，该下游内壁将该中心管道与下游侧向腔38隔开。此外，槽下腔46和供给该槽下腔的中心管道47可以设置有湍流促进器50。

穿过拱腹壁朝向该槽下腔的钻孔27冷却尖端S处的外部拱腹面。

中间回路

可在图5中看到的中间回路33包括根据长号布局彼此连通的三个管道52、53和54，以及通过第三管道54以校准的方式供给的下游歧管56。管道52、53和54以及歧管56平行于长度方向EV延伸，第一管道52和第二管道53位于回路32的中心管道47的上游，而第三管道54和歧管56位于管道47的下游。换句话说，中间回路33的管道位于中心管道47的相对侧上。

形成长号的该中间回路33导致叶片中的冷却均匀分布，同时减少了根部中喷嘴的数量。该中间回路可以从具有最大横截面的冷却管道中获得后缘的有效冷却。

沿上游回路31的上游管道41行进的第一管道52通过其喷嘴51在根部P处收集空气，并且该第一管道延伸直至槽下区域，在该槽下区域中，该第一管道连接到第二管道53。

该第一管道52从拱背壁21侧向地延伸直至上游内壁40，该上游内壁将该第一管道与上游侧向腔37隔开。如在图3中可以看到的，第一管道52和上游管道41在拱腹侧上由侧向回路36的上游侧向腔37进行热防护。

中间回路33的第二管道53沿第一管道52行进，同时比管道52和管道54更宽，以从拱腹壁20侧向地延伸直至拱背壁21。该第二管道53在叶片的基部区域16中连接到第三管道54，该连接区域以实际上封闭的喷嘴57的形式延长到根部P中。在制造叶片本体之后通过对封闭喷嘴57的板进行钎焊进行该封闭，喷嘴57的形状实际上用于在铸造制造操作期间将界定中间回路33的型芯元件保持就位。

如在图3中可以看到的，该第二管道53主要与叶片的内壁接触。该第二管道的横截面的侧向宽度很大，但第二管道在长度的方向上的厚度、换句话说沿叶片的骨架SQ的厚度很小。因此，该第二管道53具有与拱腹和拱背的不是非常大的接触区域，这限制了该第二管道的温度上升。

第三管道54沿轴线AX与第二管道53隔开一距离，并且该第三管道从基部16延伸直至位于槽下腔46下方的区域，该第三管道沿下游歧管56行进并且平行于该下游歧管，同时保持位于下游歧管的上游。该第三管道54从拱背壁21侧向地延伸直至下游内壁49，该下游内壁49将该第三管道与下游侧向腔38隔开。

下游歧管56沿第三管道54行进，同时由第三管道通过一系列的校准通道58以校准的方式供给，该一系列的校准通道58沿平行于轴线EV的轴线彼此隔开一距离并且平行于轴线AX延伸，以向下游歧管56均匀地供给空气。该下游歧管56不被下游侧向腔38防护：该下游歧管从拱背壁21侧向地延伸直至拱腹壁20，并且该下游歧管借助于穿过拱腹20的钻孔26在拱腹侧上供给覆盖后缘18并为该后缘提供热防护的外部空气膜。

如在图3中可以看到的，第三管道54和中心管道47通过下游侧向腔38与拱腹20热隔绝。管道52、53、54和歧管56有利地设置有湍流促进器59。

下游回路

如在图6中可以看到的，下游回路34包括沿下游歧管56行进的下游管道61。该下游管道平行于方向EV从位于根部P处的喷嘴62延伸直至槽下腔46，并且该下游回路包括供给后缘的如下缝隙的歧管63：该缝隙不由槽下腔46供给。该下游管道61有利地包括湍流促进器64。

侧向回路

可在图8中更清晰地看到的侧向回路36包括上游侧向腔37和下游侧向腔38，该上游侧向腔和下游侧向腔沿拱背行进同时沿拱背彼此隔开一距离。与叶片的厚度以及该叶片的各种管道和歧管的厚度相比，这些腔的厚度是小的：沿垂直于骨架SQ的方向测量的每个腔的厚度小于沿大致平行于轴线AX方向的方向测量的每个腔沿拱腹壁的长度。

腔37和腔38由位于根部P中的同一喷嘴66供给，同时保持不同，这使得能够在限制空气停滞区的同时均匀分布空气。这些侧向腔有利地设置有湍流促进器67。补充地，诸如钻孔24的钻孔穿过拱腹20以通入这些腔37、38中，从而提供空气的抽出，同时在拱腹20的外部面上形成膜。

因此，侧向回路36的腔37和腔38沿长度方向呈U形的形式布置，每个腔对应于U形图案的一分支，并且这两个腔共同由同一喷嘴66供给，以减少这些喷嘴的数量并且改进根部的机械强度。这种布置可以提供有效地供给歧管56的中间回路33的热防护，并且由于两个不同的腔37、38加强了该热防护，因此有利于翼型件的良好机械强度。

上游侧向腔37从根部P延伸直至尖端S的区域，同时具有大致矩形的轮廓。该上游侧向腔在槽下方终止，如图8和图9中所示(其中该槽被标记为68)，以便不覆盖该槽。该上游侧向腔在足够的长度上延伸以在上游管道41和中间回路33的第一管道52的大部分高度上掩蔽或覆盖上游管道41和中间回路33的第一管道52。该上游侧向腔从拱腹壁侧向地延伸直至上游内壁40。

下游侧向腔38也从根部P延伸直至尖端S的在槽68下方的区域，同时也具有大致矩形的轮廓。该下游侧向腔也在槽下方终止以便不覆盖该槽，并且在足够的长度上延伸以便覆盖中心管道47和中间回路的第三管道54。该下游侧向腔从拱腹壁20侧向地延伸直至下游内壁49。

腔37和腔38仅在冷却腔和拱腹之间延伸，以便为管道47、54释放空间，因此管道47、54可以具有更大的截面以改进对后缘的冷却。这可以在后缘区域中提供最大量的空气，以限制在该由于狭窄而热机械敏感的区域中的机械应力。

优点

如在图3中可以看到的，内壁40和内壁49是不同的，并且通过中心回路32的第二管道53沿叶片的骨架SQ的长度彼此隔开。将叶片的内壁分成两部分改进了对叶片中发生的热应力的抗性，叶片的内部温度在不同部分中是不同的。换句话说，根据本发明的叶片的布局可以通过将中心骨架分成两部分来限制中心骨架的长度，以使内部结构更加柔韧。

通常，上游回路31冷却前缘17和冷却拱背21的上游部分；中心回路32冷却槽和冷却后缘18的一部分；中间回路33冷却拱背21和冷却拱腹20的下游部分；并且下游回路34冷却后缘18。因此，本发明使得能够将从后缘中的缝隙的空气供给与从拱腹钻孔的空气供给分离，而不会损害一个区域相对于另一个区域的冷却。

上游侧向腔37和下游侧向腔38提供回路33中的管道的热隔绝，以将叶片的中心区域保持在较低温度，这有助于改进该叶片的机械强度。特别地，中心管道47被下游侧向腔38防护的事实意味着该腔可以向槽下腔供给更冷的空气。

Claims (12)

1.涡轮机的涡轮叶片，所述叶片包括：根部(P)和翼型件(12)，所述翼型件支撑在所述根部(P)上、沿长度方向(EV)延伸且终止于尖端(S)，所述翼型件(12)包括前缘(17)以及位于所述前缘(17)的下游的后缘(18)，所述翼型件(12)包括拱腹壁(20)和拱背壁(21)，所述拱腹壁和所述拱背壁彼此间隔开并且将所述前缘(17)连接到所述后缘(18)，所述翼型件还包括：

-冷却导管(41，52，47，54)，每个冷却导管从所述拱背壁(21)侧向地延伸直至上游内壁(40)或直至下游内壁(49)；

-上游侧向腔(37)和下游侧向腔(38)，所述上游侧向腔和所述下游侧向腔沿所述拱腹壁(20)延伸以形成隔热罩，所述上游侧向腔和所述下游侧向腔沿所述拱腹壁(20)彼此间隔开；

-所述上游侧向腔(37)沿厚度从所述拱腹壁(20)侧向地延伸直至所述上游内壁(40)，所述上游侧向腔的厚度小于所述上游侧向腔沿所述拱腹壁(20)的长度，所述上游侧向腔(37)对两个冷却导管(41，52)进行热防护；

-所述下游侧向腔(38)沿厚度从所述拱腹壁(20)侧向地延伸直至所述下游内壁(49)，所述下游侧向腔的厚度小于所述下游侧向腔沿所述拱腹壁(20)的长度；

-冷却管道(53)，所述冷却管道在所述上游侧向腔(37)和所述下游侧向腔(38)之间从所述拱腹壁(20)横向地延伸直至所述拱背壁(21)。

2.根据权利要求1所述的叶片，其中，所述上游侧向腔(37)和所述下游侧向腔(38)被布置成形成沿所述长度方向(EV)延伸的类似于字母U的图案的两个分支，每个侧向腔对应于所述U的一个分支，并且其中，这两个侧向腔(37，38)共同由所述根部(P)通过所述根部(P)的同一喷嘴(66)供给。

3.根据权利要求1所述的叶片，其中，根据长号回路(33)式布局，从所述拱背壁(21)延伸到所述上游内壁(40)的冷却导管(52)连接到从所述拱背壁(21)延伸到所述拱腹壁(20)的冷却管道(53)，所述从所述拱背壁延伸到所述拱腹壁的冷却管道自身连接到从所述拱背壁(21)延伸到所述下游内壁(49)的冷却导管(54)，以向所述后缘(18)提供冷却空气。

4.根据权利要求3所述的叶片，所述叶片包括通过长号回路(33)中的冷却导管(54)供给的下游歧管(56)，所述下游歧管(56)从所述拱腹壁(20)横向地延伸到所述拱背壁(21)，并且其中，所述拱腹壁(20)包括通入所述下游歧管(56)的钻孔，以形成用于所述拱腹壁(20)的外部冷却空气膜。

5.根据权利要求4所述的叶片，其中，所述下游歧管(56)由所述长号回路(33)的冷却导管(54)通过校准通道(58)供给。

6.根据权利要求2所述的叶片，所述叶片包括：槽下腔(46)，所述槽下腔从所述尖端(S)的中心区域延伸到所述后缘(18)；以及至少一个中心管道(47)，所述至少一个中心管道直接向所述槽下腔(46)供给在所述根部(P)处收集的空气。

7.根据权利要求6所述的叶片，其中，所述后缘包括在拱腹侧上的一系列的贯通缝隙(23)，所述贯通缝隙被供给冷却空气，其中，这些缝隙(23)包括：

-靠近所述尖端(S)的一个或多个最近的缝隙，所述一个或多个最近的缝隙通过所述槽下腔(46)供给；

-通过所述翼型件(12)的下游管道(61)供给的缝隙(23)。

8.根据权利要求1所述的叶片，所述叶片包括上游回路(31)，以冷却所述翼型件(12)的所述前缘(17)。

9.根据权利要求1所述的叶片，所述涡轮机为涡轮螺旋桨发动机或涡轮喷气发动机。

10.用于制造根据权利要求1所述的叶片的铸造装置，所述铸造装置包括一组型芯和内部腔，所述一组型芯被设计成形成内部管道和歧管，该内部腔形成隔热罩。

11.涡轮机的涡轮，所述涡轮包括根据权利要求1所述的叶片。

12.涡轮机，所述涡轮机包括根据权利要求11所述的涡轮。

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