CN110494628B - 具有与冲击平台冷却相集成的翼型部冷却的涡轮机转子叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于涡轮机转子叶片（10）的集成式翼型部和平台冷却系统（30），其包括多个蜿蜒的冷却支腿（32a、32c、42a、42c），冷却支腿（32a、32c、42a、42c）流体连接到入口（38、48）并且被构造成用于沿径向方向引导冷却剂（K）。冷却支腿（32a、32c、42a、42c）由叶片翼型部（12）内的展向地延伸的内腔（26）至少部分地限定。冷却支腿（32a、32c、42a、42c）的进入部包括向径向外侧延伸并侧向地延伸到叶片平台（50）中的流动通路（92、102），以便在将向径向外侧流动的冷却剂（K）引入冷却支腿（32a、32c、42a、42c）中之前导引冷却剂（K）冲击到叶片平台（50）的径向外表面（52）的内侧（60）上。冲击区域（60）可包括湍流器（70）以便增强热传递。

Description

具有与冲击平台冷却相集成的翼型部冷却的涡轮机转子叶片

技术领域

本发明涉及涡轮机转子叶片，并且特别地，涉及具有集成式翼型部和平台冷却的涡轮机转子叶片。

背景技术

通常，燃气涡轮发动机包括：压缩机部段，其用于压缩空气；燃烧器部段，其用于将压缩的空气与燃料混合并且点燃混合物以形成热工作流体；以及涡轮机部段，其用于从热工作流体产生动力。涡轮机部段通常设置有多排或多级的涡轮机转子叶片，所述涡轮机转子叶片使热工作流体膨胀以产生机械动力。可以通过将较高温度的气流传递到涡轮机部段中来提高燃气涡轮发动机的效率。结果，涡轮机转子叶片必须由能够承受此类高温的材料制成。另外，涡轮机转子叶片常常包含冷却系统，以延长叶片的寿命并减少由于温度过高而发生故障的可能性。

通常，涡轮机转子叶片由在一个端部处具有平台的根部部分和形成叶片的长形部分形成，该叶片从联接到根部部分的平台向外延伸。叶片通常由与根部部段相对的尖端（tip）、前缘和后缘组成。大多数涡轮机转子叶片的内部方面通常包含形成冷却系统的错综复杂的冷却通道迷宫。叶片中的冷却通道从涡轮发动机的压缩机接收空气并且将空气传递通过叶片。冷却通道常常包括多个流动路径，所述多个流动路径设计成将涡轮机转子叶片的所有方面保持在相对均匀的温度。然而，边界层处的离心力和空气流常常阻止涡轮机转子叶片的一些区域被充分冷却，这导致局部热点的形成。局部热点取决于它们的位置会缩短涡轮机转子叶片的使用寿命，并且会将涡轮机转子叶片损坏到需要更换叶片的程度。

叶片平台常常包括从平台下方的腔抽吸冷却空气的冷却通路。这些冷却通路通常互连以提供冷却覆盖。然而，前转子冷却腔会经受热气体的摄取（ingestion），这导致了叶片平台下方的温热得多的空气并且不利地影响了平台冷却。因此，存在对具有改进的冷却系统的涡轮机转子叶片的需求，所述改进的冷却系统克服了这些缺点。

发明内容

简言之，本发明的方面涉及一种具有与冲击平台冷却集成的翼型部冷却的涡轮机转子叶片。

根据本发明的第一方面，提供了一种涡轮机转子叶片。所述叶片包括：平台；翼型部，其从平台展向地径向向外延伸；以及根部，其从平台径向向内延伸以用于将涡轮机转子叶片安装到盘。该叶片还包括集成式翼型部和平台冷却系统。冷却系统包括：入口，其位于根部处以用于接收冷却剂的供应；以及至少一个冷却支腿，其流体地连接到入口并且被构造成用于沿径向外侧方向引导冷却剂。冷却支腿由翼型部内的展向地延伸的内腔至少部分地限定。所述冷却支腿的进入部包括向径向外侧延伸和侧向地延伸到平台中的流动通路，以便在将向径向外侧流动的冷却剂引入所述冷却支腿中之前导引该冷却剂冲击到平台的径向外表面的内侧上。

根据本发明的第二方面，提供了一种涡轮机转子叶片。所述叶片包括：平台；翼型部，其从平台展向地径向向外延伸；以及根部，其从平台径向向内延伸以用于将叶片安装到盘。翼型部包括压力侧和吸力侧，所述压力侧和吸力侧在前缘处和在后缘处联结。翼型部是大致中空的，包括位于其内的多个内腔。叶片还包括集成式翼型部和平台冷却系统，该集成式翼型部和平台冷却系统包括至少一个蛇形通道。至少一个蛇形通道包括至少第一支腿和第二支腿，所述第一支腿和第二支腿由流转向部（flow turn）而流体地连接。第一支腿和第二支腿分别沿大致径向内侧方向和径向外侧方向引导冷却剂。第一支腿和第二支腿分别由所述多个内腔中的第一者和第二者至少部分地限定在翼型部内。流转向部位于平台的径向内侧处。在流转向部的下游，蛇形通道包括向径向外侧延伸并侧向地延伸到平台中的通路，以便导引向径向外侧流动的冷却剂冲击到平台的径向外表面的内侧上。

根据本发明的第三方面，提供了一种涡轮机转子叶片。所述叶片包括：平台；翼型部，其从平台展向地径向向外延伸；以及根部，其从平台径向向内延伸以用于将叶片安装到盘。翼型部包括压力侧和吸力侧，所述压力侧和吸力侧在前缘处和在后缘处联结。叶片还包括集成式翼型部和平台冷却系统，该集成式翼型部和平台冷却系统包括第一蛇形通道和第二蛇形通道。第一蛇形通道沿从后到前的方向朝向翼型部的前缘弦向地延伸。第二蛇形通道沿从前到后的方向朝向翼型部的后缘弦向地延伸。第一蛇形通道和第二蛇形通道中的每一者包括多个支腿，所述多个支腿至少部分地位于翼型部内。每个蛇形通道的串行地相邻的支腿沿交替的径向方向引导冷却剂，并且通过由尖端转向部或根部转向部限定的相应的流转向部而流体地连接。第一蛇形通道和第二蛇形通道的每个根部转向部位于平台的径向内侧处。在根部转向部的下游，相应的蛇形通道包括向径向外侧延伸和侧向地延伸到平台中的相应的流动通路，以便导引向径向外侧流动的冷却剂冲击到平台的径向外表面的内侧上。

附图说明

借助于附图更详细地示出了本发明。附图示出了优选构型，并且不限制本发明的范围。

图1A是从压力侧看向吸力侧的涡轮机转子叶片的纵向剖视图，其图示了根据本发明的一个实施例的集成式翼型部和平台冷却系统；

图1B是图1A中的部分1B的放大描绘；

图2是沿着图1A的截面II-II径向向内看的涡轮机转子叶片的截面图；

图3是沿着图1A的截面III-III弦向地从后向前看的涡轮机转子叶片的截面图；以及

图4是沿着图1A的截面IV-IV弦向地从后向前看的涡轮机转子叶片的截面图。

具体实施方式

在优选实施例的以下详细描述中，参考了形成本文一部分的附图，并且在附图中通过图示的方式而非通过限制示出了其中可实践本发明的具体实施例。要理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可利用其他实施例，并且可作出改变。

在本公开中，方向A表示平行于旋转轴线8的轴向方向，而方向R和C分别表示关于旋转轴线8的径向方向和周向方向。

图1A图示了根据本发明的示例实施例的涡轮机转子叶片10。叶片10能够绕燃气涡轮发动机的涡轮机部段的纵向转子轴线8旋转。叶片10包括翼型部12，该翼型部从平台50展向地径向向外延伸到热工作流体的流动路径中。如图2中最佳地图示的，翼型部12可包括大致凹入的压力侧14和大致凸出的吸力侧16，所述压力侧和吸力侧在前缘18处和在后缘20处联结。翼型部12是大致中空的，并且包括多个展向地延伸的内腔26。腔26可用作内部冷却通道，它们通过展向地延伸的分隔肋部28分离。返回参考图1A，平台50包括暴露于热工作流体的径向外表面52以及与径向外表面52相对的径向内表面54。叶片10还包括从平台50的径向内表面54径向向内延伸的根部24。根部24通常是枞树形的，并且被构造成配合到转子盘（未示出）中的相应地成形的槽中。多个此类叶片10可以以周向阵列的方式安装在转子盘上，以形成一排涡轮机转子叶片。

叶片10设置有冷却系统30，该冷却系统可利用冷却剂（诸如，从涡轮发动机的压缩机部段转移的空气）以冷却在发动机操作期间暴露于热工作流体的叶片部件。为了提高发动机效率，期望使总冷却剂流需求最小化。在所图示的实施例中，冷却系统30通过以如下方式将翼型部冷却与平台冷却集成来提供高效的冷却机制，所述方式为利用在翼型部12中循环的冷却剂流来冷却平台50。由此，可避免使用附加的冷却剂来单独冷却平台。特别地，本发明的实施例提供了一种用于利用在翼型部蛇形冷却回路中循环的冷却剂在平台50的径向外表面52的内侧60（见图3和图4）上产生冲击冷却的机制。

在所图示的示例中，冷却系统30包括前冷却回路和后冷却回路。前冷却回路包括第一蛇形通道32，该第一蛇形通道沿从后到前的方向弦向地延伸。因此，第一蛇形通道32从叶片10的中弦部分朝向翼型部12的前缘18弦向地延伸。后冷却回路包括第二蛇形通道42，该第二蛇形通道沿从前到后的方向弦向地延伸。因此，第二蛇形通道42从叶片10的中弦部分朝向翼型部12的后缘20弦向地延伸。

在该示例中，如图1A中所示，第一蛇形通道32形成了3通道式（3-pass）蛇形回路，其包括展向地延伸的冷却支腿32a、32b和32c。支腿32a、32b、32c至少部分地形成在翼型部12内，所述支腿由通过分隔肋部28（见图2）分离的相邻内腔26限定。支腿32a、32b、32c以串行的方式流体地连接，并且沿交替的径向方向引导冷却剂K。支腿32a连接到位于根部24处的冷却剂入口38，该冷却剂入口例如从涡轮发动机的压缩机部段接收冷却空气供应。支腿32a沿径向外侧方向引导冷却剂K，并且经由流转向部34连接到支腿32b。然后，支腿32b沿径向内侧方向引导冷却剂K，并且经由流转向部36连接到支腿32c，支腿32c然后沿径向外侧方向引导冷却剂K。限定支腿32a、32b、32c的腔26可设置有内壁特征，诸如用于增强与冷却剂K的热传递的湍流器70。如图2中所示，从支腿32c，冷却剂K可经由形成在介入中间的分隔肋部28上的横跨孔83进入前缘腔LEC。从前缘腔LEC，冷却剂经由前缘18处的喷淋式开口85和/或翼型部12的侧壁14、16中的一者或两者上的膜（film）冷却孔87从翼型部12排出。

返回参考图1A，在所图示的示例中，第二蛇形通道42还形成了包括展向地延伸的冷却支腿42a、42b和42c的3通道式蛇形回路。支腿42a、42b、42c至少部分地形成在翼型部12内，所述支腿由通过分隔肋部28（见图2）分离的相邻内腔26限定。支腿42a、42b、42c以串行的方式流体地连接，并且沿交替的径向方向引导冷却剂K。支腿42a连接到位于根部24处的冷却剂入口48，该冷却剂入口例如从涡轮发动机的压缩机部段接收冷却空气供应。支腿42a沿径向外侧方向引导冷却剂K，并且经由流转向部44连接到支腿42b。然后，支腿42b沿径向内侧方向引导冷却剂K，并且经由流转向部46连接到支腿42c，支腿42c然后沿径向外侧方向引导冷却剂。限定支腿42a、42b、42c的腔26可设置有内壁特征，诸如用于增强与冷却剂K的热传递的湍流器70。如图2中所示，支腿42c可连接到后缘冷却特征74（诸如，扰流柱），所述后缘冷却特征通向位于后缘20处的出口槽89，冷却剂通过所述出口槽从翼型部12排出。

在本说明书中，将流转向部34、44中的每一者称为“尖端转向部”，每个所述流转向部34、44使冷却剂流大致从径向外侧方向转向到径向内侧方向。另一方面，将流转向部36、46中的每一者称为“根部转向部”，每个所述流转向部36、46使冷却剂流大致从径向内侧方向转向到径向外侧方向。根据所图示的实施例，冷却系统30的根部转向部36、46中的至少一者（但优选地，每一者）位于平台50的径向内侧处，以便使冷却剂转向径向外侧以冲击平台50的径向外表面52的内侧60。

现在参考图1A、图1B和图3，图示了本示例的前蛇形通道32的根部转向部36的布置结构。如所示，根部转向部36位于平台50的径向内侧处。在根部转向部36下游的冷却支腿32c的进入部处，蛇形通道32包括流动通路92，该流动通路向径向外侧延伸，并且还侧向地延伸到平台50中且延伸翼型部12的由压力侧14、吸力侧16、前缘18和后缘20限定的轮廓之外的一段距离。根部转向部36下游的流动通路92的径向外侧和侧向延伸部导引向径向外侧流动的冷却剂K冲击到平台50的径向外表面52的内侧60上。冷却剂K对内侧60的冲击提供了对平台50的径向外表面52的改善的背面冷却，该径向外表面暴露于热工作流体。在优选实施例中，为了增强平台50的冲击冷却，平台50的径向外表面52的内侧60可在冲击区域中设置有湍流器70，该冲击区域被限定在流动通路92的进入平台50中的侧向延伸部内。如图3中所示，在本实施例的前冷却回路中，冲击后冷却剂K完全地流动到蛇形通道32的延伸到翼型部12中的支腿32c中。

现在参考图1A、图1B和图4，图示了本示例的后蛇形通道42的根部转向部46的布置结构。如所示，根部转向部46位于平台50的径向内侧处。在根部转向部46下游的冷却支腿42c的进入部处，蛇形通道42包括流动通路102，该流动通路向径向外侧延伸，并且还侧向地延伸到平台50中且延伸翼型部12的由压力侧14、吸力侧16、前缘18和后缘20限定的轮廓之外的一段距离。根部转向部46下游的流动通路102的径向外侧和侧向延伸部导引向径向外侧流动的冷却剂K冲击到平台50的径向外表面52的内侧60上。冷却剂K对侧部60的冲击提供了对平台50的径向外表面52的改善的背面冷却，该径向外表面暴露于热工作流体。在优选实施例中，为了增强平台50的冲击冷却，平台50的径向外表面52的内侧60在冲击区域中包括湍流器70，该冲击区域被限定在流动通路102的进入平台50中的侧向延伸部内。此外，为了更好地利用后冷却回路的后蛇形冷却空气，在平台的后部分上设置了膜冷却孔82。膜冷却孔82形成在平台50的径向外表面52上，其中每个膜冷却孔82将平台50的径向外表面52流体地连接到后蛇形通道42的流动通路102的进入平台50中的侧向延伸部。因此，后蛇形通道42的冲击后冷却剂K的一部分通过膜冷却孔82排出，而其余的冷却剂K流动到延伸到翼型部12中的冷却支腿42c中。尽管未在附图中示出，但是膜冷却孔可以连接到平台中的侧向地延伸的流动通路的任何位置。例如，补充或代替附图中所示的是，可在平台50的前部分上设置膜冷却孔，所述膜冷却孔将平台50的径向外表面52流体地连接到前蛇形通道32的流动通路92的进入平台50中的侧向延伸部中。

如图3和图4中所示，平台50可被认为包括：压力侧平台部分56，其邻近于翼型部12的压力侧14；以及吸力侧平台部分58，其邻近于翼型部12的吸力侧16。在所图示的示例中，两个蛇形通道32、42的流动通路92、102的侧向延伸部被设置到压力侧平台部分56中。附加地或替代地，蛇形通道32、42中的一者或两者的流动通路92、102的侧向延伸部可设置在吸力侧平台部分58上。此外，如图3和图4中所示，在示例实施例中，后蛇形通道42的流动通路102的进入平台50中的侧向延伸部可大于前蛇形通道32的流动通路92的进入平台50中的侧向延伸部。

此外，代替或补充上文所图示的实施例的是，也可以在蛇形通道32、42中的一者或两者的冷却支腿32a、42a的进入部处设置平台冲击。为此，冷却支腿32a、42a的进入部可包括流动通路（未示出），该流动通路可向径向外侧延伸并侧向地延伸到平台50中，以便在将向径向外侧流动的冷却剂K引入冷却支腿32a、42a中之前从入口38、48导引冷却剂K冲击在平台50的径向外表面52的内侧60上。

所图示的实施例呈现了许多益处。首先，通过将翼型部和平台冷却集成，可确立对冷却剂的有效使用，这在降低高效涡轮发动机中的冷却剂流要求方面是有益的。此外，通过在平台下方提供翼型部蛇形冷却回路的根部转向部，实现了平台的附加冲击冷却。将根部转向部放置在平台水平面之下（即，在相对冷的位置处）还可减少局部应力。

尽管已详细描述了具体实施例，但是本领域普通技术人员将了解，鉴于本公开的整体教导，可发展出对那些细节的各种修改和替代。因此，所公开的特定布置结构仅意图是说明性的，而不是关于本发明的范围是限制性的，本发明的范围将由所附权利要求及其任何和所有等同物的全部范围给出。

Claims (11)

1.一种涡轮机转子叶片（10），包括：

平台（50），

翼型部（12），其从所述平台（50）展向地径向向外延伸，并且包括压力侧（14）和吸力侧（16），所述压力侧和吸力侧在前缘（18）处和在后缘（20）处联结，所述翼型部（12）是中空的，包括位于其内的多个内腔（26），

根部（24），其从所述平台（50）径向向内延伸以用于将所述涡轮机转子叶片（10）安装到盘，以及

集成式翼型部和平台冷却系统（30），包括：

至少一个蛇形通道（32、42），其包括至少第一支腿（32b、42b）和第二支腿（32c、42c），所述第一支腿和第二支腿由流转向部（36、46）流体地连接，

其中，所述第一支腿（32b、42b）沿径向内侧方向引导冷却剂（K），并且所述第二支腿（32c、42c）沿径向外侧方向引导冷却剂（K），所述第一支腿（32b、42b）由所述多个内腔（26）中的第一者至少部分地限定在所述翼型部（12）内，并且所述第二支腿（32c、42c）由所述多个内腔（26）中的第二者至少部分地限定在所述翼型部（12）内，

其中，所述流转向部（36、46）位于所述平台（50）的径向内侧处，并且

其中，在所述流转向部（36、46）的下游，所述蛇形通道（32、42）包括向径向外侧延伸并侧向地延伸到所述平台（50）中的流动通路（92、102），以便导引向径向外侧流动的冷却剂（K）冲击到所述平台（50）的径向外表面（52）的内侧（60）上，

其中，所述平台（50）的径向外表面（52）的内侧（60）在冲击区域中包括湍流器（70），所述冲击区域被限定在所述流动通路（92、102）的进入所述平台（50）中的侧向延伸部内。

2.根据权利要求1所述的涡轮机转子叶片（10），其中，冲击后，所述冷却剂（K）完全地流动到所述蛇形通道（32）的延伸到所述翼型部（12）中的所述第二支腿（32c）中。

3.根据权利要求1所述的涡轮机转子叶片（10），还包括形成在所述平台（50）的径向外表面（52）上的多个膜冷却孔（82），所述膜冷却孔（82）将所述平台（50）的径向外表面（52）流体地连接到所述流动通路（102）的进入所述平台（50）中的侧向延伸部。

4.根据权利要求1所述的涡轮机转子叶片（10），其中，所述流动通路（92、102）的侧向延伸部仅被设置到压力侧平台部分（56）中。

5.根据权利要求1所述的涡轮机转子叶片（10），其中，所述至少一个蛇形通道（32）沿从后到前的方向从所述叶片（10）的中弦部分到所述翼型部（12）的前缘（18）弦向地延伸。

6.根据权利要求1所述的涡轮机转子叶片（10），其中，所述至少一个蛇形通道（42）沿从前到后的方向从所述叶片（10）的中弦部分到所述翼型部（12）的后缘（20）弦向地延伸。

7.一种涡轮机转子叶片（10），包括：

平台（50），

翼型部（12），其从所述平台（50）展向地径向向外延伸，并且包括压力侧（14）和吸力侧（16），所述压力侧和吸力侧在前缘（18）处和在后缘（20）处联结，

根部（24），其从所述平台（50）径向向内延伸以用于将所述涡轮机转子叶片（10）安装到盘，以及

集成式翼型部和平台冷却系统（30），包括：

第一蛇形通道（32），其沿从后到前的方向朝向所述翼型部（12）的前缘（18）弦向地延伸，

第二蛇形通道（42），其沿从前到后的方向朝向所述翼型部（12）的后缘（20）弦向地延伸，

其中，所述第一蛇形通道（32）和第二蛇形通道（42）中的每一者包括多个支腿（32a、32b、32c、42a、42b、42c），所述多个支腿至少部分地位于所述翼型部（12）内，其中，每个蛇形通道（32、42）的串行地相邻的支腿沿交替的径向方向引导冷却剂，并且通过由尖端转向部（34、44）或根部转向部（36、46）限定的相应的流转向部流体地连接，

其中，所述第一蛇形通道（32）和所述第二蛇形通道（42）的每个根部转向部（36、46）位于所述平台（50）的径向内侧处，并且

其中，在每个根部转向部（36、46）的下游，相应的蛇形通道（32、42）包括向径向外侧延伸并侧向地延伸到所述平台（50）中的相应的流动通路（92、102），以便导引向径向外侧流动的冷却剂（K）冲击到所述平台（50）的径向外表面（52）的内侧（60）上，

其中，所述平台（50）的径向外表面（52）的内侧（60）在冲击区域中包括湍流器（70），所述冲击区域被限定在所述流动通路（92、102）中的一者或两者的进入所述平台（50）中的侧向延伸部内。

8.根据权利要求7所述的涡轮机转子叶片（10），还包括形成在所述平台（50）的径向外表面（52）上的多个膜冷却孔（82），每个膜冷却孔（82）将所述平台（50）的径向外表面（52）流体地连接到流动通路（102）的进入所述平台（50）中的侧向延伸部。

9.根据权利要求8所述的涡轮机转子叶片（10），其中，所述膜冷却孔（82）仅设置在所述平台（50）的后部分处，所述膜冷却孔将所述平台（50）的径向外表面（52）连接到所述第二蛇形通道（42）的流动通路（102）的进入所述平台（50）中的侧向延伸部。

10.根据权利要求7所述的涡轮机转子叶片（10），其中，每个流动通路（92、102）的侧向延伸部仅被设置到压力侧平台部分（56）中。

11.根据权利要求7所述的涡轮机转子叶片（10），其中，所述第二蛇形通道（42）的流动通路（102）的进入所述平台（50）中的侧向延伸部大于所述第一蛇形通道（32）的流动通路（92）的进入所述平台（50）中的侧向延伸部。

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