CN111255524A - 包括尖端导轨冷却插入件的涡轮叶片尖端冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明题为“包括尖端导轨冷却插入件的涡轮叶片尖端冷却系统”。提供一种涡轮叶片尖端冷却系统(200)，该涡轮叶片尖端冷却系统包括涡轮叶片(115)，该涡轮叶片具有尖端腔体(155)、围绕尖端腔体(155)的至少一部分的尖端导轨(150)和至少一个内部冷却腔体。尖端导轨(150)具有内导轨表面(157)、外导轨表面(159)、端面(160，288)和至少一个尖端导轨口袋(270)，该至少一个尖端导轨口袋在端面(160，288)处打开并且流体地连接到承载冷却剂的至少一个内部冷却腔体。尖端导轨冷却插入件(280)附接到至少一个尖端导轨口袋(270)，并且具有一个或多个插入件冷却通道(180)和冷却剂收集充气室(284,384)，该冷却剂收集充气室用于将冷却剂从至少一个内部冷却腔体导向到一个或多个插入件冷却通道(180)。

Description

包括尖端导轨冷却插入件的涡轮叶片尖端冷却系统

技术领域

本公开整体涉及涡轮部件，并且更具体地涉及涡轮叶片尖端冷却系统，该涡轮叶片尖端冷却系统包括尖端导轨冷却插入件。

背景技术

在气体涡轮系统中，众所周知空气在压缩机中被加压并用于燃烧燃烧器中燃料以产生热燃烧气体的流动，从而此类气体向下游流过一个或多个涡轮机，以便能够从其中提取能量。根据这种涡轮，一般来讲，成排的环向间隔开的涡轮叶片从支撑转子轮盘径向向外延伸。每个叶片通常包括允许叶片在转子轮盘中的相应燕尾槽中的装配和拆卸的燕尾榫，以及从燕尾榫径向向外延伸的翼型件。

翼型件具有径向地延伸在对应的前缘和后缘之间以及径向地延伸在根部和尖端之间的大体凹形压力侧壁和大体凸形吸力侧壁。应当理解，叶片尖端与径向外部涡轮护罩间隔紧密，以使在涡轮叶片之间下游流动的燃烧气体的两者之间的渗漏最小化。通过使尖端间隙或空隙最小化以便防止渗漏来获得系统的最大效率，但该策略在一定程度上受到涡轮叶片和涡轮护罩之间的不同的热和机械膨胀和收缩速率以及避免在操作期间对护罩具有过度的尖端摩擦的不期望情形的动机的限制。

此外，由于涡轮叶片沐浴在热燃烧气体中，因此需要有效的冷却以确保有益的部件寿命。通常，叶片翼型件为中空的并且设置成与压缩机流体连通，使得从其中排出的经加压空气的一部分作为冷却剂被接收用于冷却翼型件。翼型件冷却是相当复杂的，并且可使用各种形式的内部冷却通道和特征结构，以及穿过翼型件的外导轨表面的冷却孔以用于排放冷却剂。然而，翼型件尖端尤其难以冷却，因为它们位于直接邻近涡轮护罩的位置，并且被流经尖端间隙的热燃烧气体加热。因此，输送到叶片的翼型件内部的空气的一部分通常通过尖端排出以便其冷却。

应当理解，常规的叶片尖端包括旨在防止渗漏并提高冷却效果的若干不同的几何形状和构型。然而，常规的叶片尖端均具有某些缺点，包括一般未能充分地减少渗漏和/或允许高效的尖端冷却，这使抢夺效率的压缩机旁通空气的使用降至最低。一种方法被称为“凹槽状尖端”布置方式，其提供可对尖端护罩摩擦的径向延伸的导轨。导轨减少了泄漏并因此提高涡轮发动机的效率。

然而，凹槽状尖端的导轨经受高热负荷并且难以有效地冷却，它常常是叶片中最热的区域之一。尖端导轨冲击冷却通过导轨顶部输送冷却剂，并且已被证明是轨道冷却的有效方法。然而，存在许多与通过导轨顶部排出冷却剂相关联的挑战。例如，利用这种布置方式（尤其是在压力侧壁上，其中存在连接到分别为导轨的顶部和压力侧壁的低压力区域和高压区域的孔）难以满足回流压力差要求。因此，在尖端通道中创建损失以反压冷却剂流动，同时充分冷却导轨是一个挑战，因为损失减少了该区域中使用的冷却剂的量。此外，出口孔必须表现出摩擦耐受性，而同时为导轨提供足够的冷却。例如，出口孔必须耐受尖端摩擦，但也必须足够大以使得灰尘无法将其堵塞。还期望在尖端磨损之后保持冷却，例如通过使暴露于补充的冷却通道。

理想的是，导轨冷却通道也能够使用增材制造来形成，这就带来了进一步的挑战。增材制造(AM)包括通过材料的连续层叠而不是材料的移除来生产部件的多种多样的过程。因此，增材制造可形成复杂的几何形状，而无需使用任何种类的工具、模具或夹具，并且很少浪费或不浪费材料。并非由实心材料坯体（其中许多被切削掉并被抛弃）加工部件，增材制造中使用的仅有材料是使部件成形所需的材料。关于尖端导轨冷却通道，导轨内的常规圆形冷却孔很难利用增材制造来构建（垂直于标称构建方向），并且在制造期间可能严重变形或塌缩。

尖端冷却的另一个挑战是适应在尖端导轨的不同区域中观测到的不同温度。例如，压力侧壁和吸力侧壁的尾部区域中的导轨通常比其他区域热。另一个挑战是在最初不包括尖端冷却通道的使用过的涡轮叶片中提供冷却。

发明内容

本公开的第一方面提供了一种涡轮叶片尖端冷却系统，该涡轮叶片尖端冷却系统包括涡轮叶片，该涡轮叶片具有尖端腔体、围绕尖端腔体的至少一部分的尖端导轨和至少一个内部冷却腔体；尖端导轨具有内导轨表面、外导轨表面、端面和至少一个尖端导轨口袋，该至少一个尖端导轨口袋在端面处打开并且流体地连接到承载冷却剂的至少一个内部冷却腔体；以及尖端导轨冷却插入件，该尖端导轨冷却插入件附接到至少一个尖端导轨口袋，该尖端导轨冷却插入件具有在其中的至少一个插入件冷却通道和冷却剂收集充气室，该冷却剂收集充气室用于将冷却剂从至少一个内部冷却腔体导向到至少一个插入件冷却通道。

本公开的第二方面提供一种冷却涡轮叶片尖端的方法，该方法包括：提供涡轮叶片，该涡轮叶片具有尖端腔体、围绕该尖端腔体的至少一部分的尖端导轨和被配置为递送冷却剂的至少一个内部冷却腔体，该尖端导轨具有内导轨表面、外导轨表面和端面；在尖端导轨的端面中形成尖端导轨口袋，该尖端导轨口袋包括尖端口袋冷却剂开口，该尖端口袋冷却剂开口与至少一个内部冷却腔体流体连通；形成尖端导轨冷却插入件，该尖端导轨冷却插入件具有被配置用于与尖端口袋冷却剂开口流体连通的冷却剂收集充气室和与该冷却剂收集充气室流体连通的至少一个插入件冷却通道，该尖端导轨冷却插入件的尺寸和形状被设定成接合在所述尖端导轨口袋中；以及将尖端导轨冷却插入件附接到尖端导轨口袋以将冷却剂收集充气室流体地连接到内部冷却腔体。

本公开的第三方面提供了一种具有旋转叶片的气体涡轮，该气体涡轮包括涡轮叶片，该涡轮叶片具有尖端腔体、围绕尖端腔体的至少一部分的尖端导轨和至少一个内部冷却腔体；尖端导轨，该尖端导轨具有内导轨表面、外导轨表面、端面和在该端面处打开的至少一个尖端导轨口袋，该至少一个尖端导轨口袋流体地连接到至少一个内部冷却腔体；以及尖端导轨冷却插入件，该尖端导轨冷却插入件附接到至少一个尖端导轨口袋，该尖端导轨冷却插入件具有在其中的至少一个插入件冷却通道和用于将冷却剂从至少一个内部冷却腔体导向到至少一个插入件冷却通道的冷却剂收集充气室。

本公开的示例性方面被设计成解决本文描述的问题和/或未讨论的其他问题。

附图说明

从结合描绘本公开的各种实施方案的附图的对本公开的各个方面的以下详细描述，将更容易理解本公开的这些和其他特征，其中：

图1为涡轮机系统的一个实施方案的示意图。

图2为涡轮叶片组件形式的示例性涡轮部件的透视图，该涡轮叶片组件包括转子轮盘、涡轮叶片和固定式护罩。

图3为涡轮叶片形式的涡轮部件的尖端的特写立体透视图，可以在其中采用本公开的实施方案。

图4为根据本公开的实施方案的包括尖端导轨冷却插入件的涡轮叶片形式的涡轮部件的尖端的特写透视图。

图5为根据本公开的实施方案的尖端导轨中的尖端口袋的放大透视图。

图6为根据本公开的实施方案的尖端导轨中的尖端口袋的平面图。

图7为根据本公开的实施方案的尖端导轨冷却插入件的透视图。

图8为根据本公开的实施方案的尖端导轨冷却插入件的透视图。

图9为根据本公开的实施方案的尖端导轨中的尖端导轨冷却插入件的透视图。

图10为根据本公开的实施方案的沿尖端导轨冷却插入件的图9中的线10-10的剖视图。

图11为根据本公开的实施方案的尖端导轨冷却插入件的透视图。

图12为图11的尖端导轨冷却插入件的分解透视图。

图13为根据本公开的实施方案的尖端口袋和尖端导轨冷却插入件的分解透视图。

图14为图13的尖端口袋中的尖端导轨冷却插入件的透视图。

图15为根据本公开的实施方案的尖端导轨冷却插入件的透视图。

图16为根据本公开的实施方案的尖端导轨中的尖端导轨冷却插入件的透视图。

图17为根据本公开的实施方案的尖端导轨冷却插入件的透视图。

图18为根据本公开的实施方案的尖端导轨冷却插入件的内层的透视图。

图19为根据本公开的实施方案的尖端导轨冷却插入件的内层的透视图。

图20为根据本公开的实施方案的包括侧出口孔径的尖端导轨冷却插入件的透视图。

应当注意，本公开的附图未必按比例绘制。附图旨在仅描绘本公开的典型方面，并且因此不应当被视为限制本公开的范围。在附图中，类似的编号表示附图之间的类似的元件。

具体实施方式

作为初始事项，为了清楚地描述当前公开，当引用和描述涡轮机系统内并且相对于涡轮叶片的相关机器部件时，将有必要选择某些术语。在这样做时，如果可能的话，通用的行业术语将以与其接受含义一致的方式进行使用和采用。除非另有说明，否则应当对此类术语给出与本申请的上下文和所附权利要求书的范围一致的广义解释。本领域的普通技术人员将了解，通常可以使用若干不同或重叠术语来引用特定部件。在本文中可描述为单个零件的物体可以包括多个部件并且在另一个上下文中被引用为由多个部件组成。另选地，本文中可描述为包括多个部件的物体可在别处称为单个零件。

此外，本文中可能会定期使用若干描述性术语，并且在本节开始时定义这些术语应当证明是有帮助的。除非另有说明，否则这些术语以及其定义如下。如本文所用，“下游”和“上游”是指示相对于工作流体流动的方向的术语，诸如通过涡轮引擎的燃烧气体，或者例如通过燃烧器的空气流或者通过或流经涡轮机的部件之一的冷却剂。术语“下游”对应于流体流动方向，并且术语“上游”是指与流动相反的方向。术语“向前”和“向后”在不具有任何进一步特殊说明的情况下是指方向，其中“向前”是指被引用的部件的上游部分，即，离压缩机最近，并且“向后”是指被引用的部件的下游部分，即，离压缩机最远。通常需要描述相对于中心轴线处于不同径向位置的零件。术语“径向”是指垂直于轴线的移动或位置。在诸如此类的情况下，如果第一部件比第二部件更靠近轴线驻留，则本文将说明第一部件是第二部件的“径向向内”或“内侧”。另一方面，如果第一部件比第二部件更远离轴线驻留，则本文可以说明第一部件是第二部件的“径向向外”或“外侧”。术语“轴向”是指平行于轴线的移动或位置。最后，术语“圆周”是指围绕轴线的移动或位置。应当理解，此类术语可以相对于涡轮的中心轴线应用。

在元件或层被称为“开启”、“接合”、“脱离”、“连接到”或“联接到”另一个元件或层的情况下，它可直接位于其上、接合到、连接到或联接到其他元件或层，或者可存在居间元件或层。相比之下，当元件被称为“直接位于其上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接联接到”另一个元件或层时，可不存在居间元件或层。用于描述元件之间关系的其他词语应以类似的方式解释（例如，“在…之间”与“直接在…之间”，“相邻”与“直接相邻”等）。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。

如上所述，本公开的实施方案提供了用于涡轮叶片的涡轮叶片尖端冷却系统，该涡轮叶片尖端冷却系统包括尖端导轨冷却插入件。涡轮叶片具有尖端腔体、围绕尖端腔体的至少一部分的尖端导轨和至少一个内部冷却腔体，即，承载设置在翼型件内的冷却剂的内部冷却腔体。尖端腔体可由尖端板和尖端导轨形成。尖端导轨具有内导轨表面、外导轨表面、端面和在端面处打开的至少一个尖端导轨口袋。即，尖端导轨可包括尖端腔体限定于其中的内导轨表面、外导轨表面和位于内导轨表面与外导轨表面之间的端面（例如，径向向外的导轨表面）。尖端导轨从尖端板径向延伸。尖端导轨口袋流体地连接到承载冷却剂的至少一个内部冷却腔体。尖端导轨冷却插入件附接到至少一个尖端导轨口袋，并且具有一个或多个插入件冷却通道和冷却剂收集充气室，该冷却剂收集充气室用于将冷却剂从至少一个内部冷却腔体导向到一个或多个插入件冷却通道。一个或多个插入件冷却通道可采用多种形式以提供多种期望的冷却。尖端导轨冷却插入件允许在用过的涡轮叶片或新的涡轮叶片中选择性地放置尖端导轨的冷却。即，尖端导轨冷却插入件可将冷却剂递送至尖端和/或尖端导轨的区域，例如与尖端的其他部分相比需要附加冷却的其后部的吸力侧。尖端导轨冷却插入件还可改善尖端导轨的冷却，并同时测量穿过其中的冷却剂。尖端导轨冷却插入件还可解决粉尘堵塞问题。

在其他制造工艺之中，尖端导轨冷却插入件的某些实施方案还允许增材制造，如本文所述。增材制造(AM)包括通过材料的连续层叠而不是材料的移除来生产部件的多种多样的过程。增材制造技术通常包括采用待形成的部件的三维计算机辅助设计(CAD)文件，以电子方式将该该部件切成层（例如，18微米-102微米厚）并且创建具有每个层的二维图像（包括向量、图像或坐标）的文件。然后，可将该文件下载到制备软件系统中，该制备软件系统解释该文件，使得该部件可通过不同类型的增材制造系统来构建。在增材制造的3D打印、快速成型(RP)和直接数字制造(DDM)形式中，对材料层进行选择性分配、烧结、形成、沉积等以形成该部件。在金属粉末增材制造技术诸如直接金属激光熔化(DMLM)（也称为选择性激光熔化(SLM)）中，将金属粉末层顺序地熔化在一起以形成该部件。更具体地讲，使用涂敷器均匀地分布于金属粉末床上之后，将细金属粉末层顺序地熔化。每个涂敷器包括由金属、塑料、陶瓷、碳纤维或橡胶制成的模唇、刷、刮刀或滚筒形式的涂敷器元件，该涂敷器元件将金属粉末均匀铺展在构建平台上方。金属粉末床可在竖直轴中移动。该过程在具有精确控制的气氛的处理室中发生。一旦形成每个层，就可通过选择性地熔化金属粉末来使部件几何形状的每个二维切片熔凝。该熔化可通过高功率的熔化束（诸如100瓦镱激光器）执行，以便完全焊接（熔化）金属粉末而形成固体金属。该熔化束使用扫描镜在X-Y方向上移动，并且其强度足以完全焊接（熔化）金属粉末以形成固体金属。可降低金属粉末床以用于每个后续二维层，并且该过程重复进行，直至完全形成该部件。

图1为涡轮机系统诸如气体涡轮系统100的实施方案的示意图。系统100包括压缩机102、燃烧器104、涡轮106、轴108和燃料喷嘴110。在一个实施方案中，系统100可包括多个压缩机102、燃烧器104、涡轮106、轴108和燃料喷嘴110。压缩机102和涡轮106通过轴108联接。轴108可为单个轴或联接在一起以形成轴108的多个轴段。

在一个方面，燃烧器104使用液体和/或气体燃料，诸如天然气或富氢合成气体来运行发动机。例如，燃料喷嘴110与空气供应源和燃料供应源112流体连通。燃料喷嘴110产生空气燃料混合物，并且将空气燃料混合物排放到燃烧器104中，从而引起产生热加压废气的燃烧。燃烧器104引导热加压气体通过过渡件进入涡轮喷嘴（或“第一阶段喷嘴”），以及导致涡轮106旋转的其它阶段的铲斗和喷嘴。涡轮106的旋转致使轴108旋转，从而在空气流入压缩机102中时压缩空气。在一个实施方案中，包括但不限于护罩、隔膜、喷嘴、叶片和过渡件的热气路部件位于涡轮106中，其中热气体流经这些部件导致涡轮部件的蠕变、氧化、磨损和热疲劳。控制热气路部件的温度可减少部件的损伤模式。气体涡轮的效率随着涡轮系统100中的烧制温度的增加而提高。当烧制温度增加时，热气路部件需要适当冷却以满足使用寿命。本文详细讨论了具有用于冷却邻近热气路的区域的改进布置的部件以及用于制造此类部件的方法。虽然以下讨论主要集中在气体涡轮，但所讨论的概念不限于气体涡轮。

图2为示例性常规涡轮部件的透视图，涡轮叶片115定位在气体涡轮系统的涡轮中。应当理解，涡轮安装在燃烧器的下游，用以接收来自其中的热燃烧气体116。涡轮关于轴向中心线轴为轴对称的，其包括转子轮盘117和沿着径向轴从转子轮盘117径向向外延伸的多个环向间隔开的涡轮叶片（仅示出其中一个）。转子轮盘117联接到轴108（图1）。环形固定式涡轮护罩120适当地接合到固定式定子壳体（未示出）并且围绕涡轮叶片115，使得在它们之间保持限制燃烧气体在操作期间的泄漏的相对较小的间隙或空隙。

每个涡轮叶片115通常包括基部122（也称为根部或燕尾榫），其可具有任何常规形式，诸如轴向燕尾榫，该轴向燕尾榫被配置用于安装在转子轮盘117的周边中的对应燕尾槽中。中空翼型件124一体接合到基部122上并且从其径向或纵向地向外延伸。涡轮叶片115还包括一体式平台126，该一体式平台设置在翼型件124和基部122的接合处用以限定燃烧气体116的径向内流动路径的一部分。应当理解，涡轮叶片115可以任何常规方式形成，并且通常为一体式铸件、增材制造部件，或接合到铸造叶片基部部分的增材制造尖端。可以看出，翼型件124优选地包括大体凹形压力侧壁128和周向或侧向相对的大体凸形吸力侧壁130，这些侧壁分别在相对的前缘132与后缘134之间轴向延伸。侧壁128和130还沿径向从平台126延伸到径向外部叶片尖端或简单地说尖端137。

图3提供了本公开的实施方案可应用于其上的示例性涡轮叶片尖端137的特写透视图。一般来讲，涡轮叶片115具有尖端腔体155、围绕尖端腔体155的至少一部分的尖端导轨150和至少一个内部冷却腔体174。叶片尖端137设置在与基部122（图2）相对的位置并且包括尖端板148，该尖端板限定位于压力侧壁128和吸力侧壁130之间的面向外的尖端端部151。尖端板148通常限制设置在翼型件124内的内部冷却通道（本文中将简称为“内部冷却腔体”174（也称为“翼型件腔室”）），并且被限定在翼型件124的压力侧壁128和吸力侧壁130之间。内部冷却腔体174被构造成例如沿径向通过翼型件124提供冷却剂。即，冷却剂（诸如从压缩机排出的压缩空气）可在操作期间通过内部冷却腔体循环。内部冷却腔体可包括任何现在已知的或后来开发的冷却剂承载通道或线路，包括但不限于：冷却通道、冲击套管或元件、连接通道、腔体、基座等。尖端板148可与涡轮叶片115成一整体，或者其可在浇铸叶片之后被焊接/钎焊到适当位置。

由于某些性能优点，诸如减少的渗漏流量，叶片尖端137通常包括尖端导轨150。与压力侧壁128和吸力侧壁130相配合，尖端导轨150可被描述为分别包括压力侧壁导轨152和吸力侧壁导轨154。一般来讲，压力侧壁导轨152从尖端板148径向向外延伸，并且从翼型件124的前缘132延伸至后缘134。如图所示，压力侧壁导轨152的路径邻近或靠近压力侧壁128的外径向边缘（即，在尖端板148的周边处或附近，使其与压力侧壁128的外径向边缘对齐）。类似地，如图所示，吸力侧壁导轨154从尖端板148径向向外延伸，并且可从翼型件124的前缘132延伸至后缘134。吸力侧壁导轨154的路径邻近或靠近吸力侧壁130的外径向边缘（即，在所述尖端板148的周边处或附近，使其与吸力侧壁130的外径向边缘对齐）。压力侧壁导轨152和吸力侧壁导轨154两者可被描述为具有内导轨表面157、外导轨表面159，以及介于内导轨表面157和外导轨表面159之间的端面160，例如径向向外的导轨表面。应当理解，一个或多个导轨可能不一定遵循压力或吸力侧壁导轨。即，在可使用本公开的另选类型的尖端中，尖端导轨150可移动远离尖端板148的边缘并且可不延伸至后缘134。

应当理解，以这种方式形成的尖端导轨150限定位于涡轮叶片115的尖端137处的尖端腔体155。如本领域的普通技术人员将理解的，以这种方式构造的尖端137，即具有这种类型的尖端腔体155的尖端通常被称之为“凹槽状尖端”或具有“凹槽状口袋或腔体”的尖端。压力侧壁导轨152和/或吸力侧壁导轨154的高度和宽度（从而尖端腔体155的深度）可根据总体涡轮组件的最佳性能和尺寸而变化。应当理解，尖端板148形成尖端腔体155的底板（即，腔体的内部径向边界），尖端导轨150形成尖端腔体155的侧壁，并且尖端腔体155通过外径向面保持开放，该外径向面一旦安装在涡轮发动机内就由与之略微径向偏移的环形固定式涡轮护罩120（参见图2）紧密地邻接。尖端导轨150的端面160（径向向外的导轨表面）可与环形固定式涡轮护罩120摩擦。

如本领域所理解，尖端导轨150可具有延伸穿过其中以冷却该尖端导轨的多种冷却通道（未示出）中的任一者。这些冷却通道的一些出口162例如在图3和图4中示出。根据本公开的叶片尖端冷却系统200可用于不包括此类冷却通道的尖端导轨150中。在这种情况下，叶片尖端冷却系统200可为所提供的唯一冷却系统。另选地，可将根据本公开的叶片尖端冷却系统200添加到已包括此类冷却通道但需要补充冷却的尖端导轨，例如在其特定区域中。

图4示出了根据本公开的实施方案的用于涡轮叶片尖端237的示例性涡轮叶片尖端冷却系统200（下文称为“系统200”）的特写透视图。如本领域所理解，尖端导轨250可具有延伸穿过其中以冷却该尖端导轨的多种冷却通道（未示出）中的任一者。这些冷却通道的一些出口162例如在图3和图4中示出。根据本公开的叶片尖端冷却系统200可用于不包括此类冷却通道的尖端导轨250中。在这种情况下，叶片尖端冷却系统200可为所提供的唯一冷却系统。另选地，可将根据本公开的叶片尖端冷却系统200添加到已包括此类冷却通道但需要补充冷却的尖端导轨，例如在其特定区域中。

继续参见图4，尖端237基本上类似于图3中的尖端137，不同的是一个或多个尖端冷却插入件200设置在尖端导轨250中。尖端导轨250具有内导轨表面157、外导轨表面159和端面160。与常规的尖端导轨相比，尖端导轨250还具有在端面160处打开的至少一个尖端导轨口袋270。图5示出了放大的透视图，并且图6示出了其中不具有尖端导轨冷却插入件280的示例性尖端导轨口袋270的平面图。每个尖端导轨口袋270通过例如一个或多个叶片冷却通道272流体地连接到承载冷却剂的至少一个内部冷却腔体174。

如图4所示，系统200还包括尖端导轨冷却插入件280，该尖端导轨冷却插入件附接到每个尖端导轨口袋270。图7和图8示出了示例性尖端导轨冷却插入件280的透视图。如图所示，每个尖端导轨冷却插入件280包括其中的至少一个插入件冷却通道282，以及冷却剂收集充气室284，该冷却剂收集充气室用于将冷却剂从一个或多个内部冷却腔体174导向到一个或多个插入件冷却通道282。如将更详细地描述，一个或多个插入件冷却通道282可采用多种路径穿过尖端导轨冷却插入件280（下文简称为“插入件280”）。一个或多个插入件冷却通道282可穿过相应插入件280的端面288中的至少一个冷却剂出口孔286。可将任何数量的尖端导轨口袋270和附接到多个尖端导轨口袋中的每一者的相应插入件280设置在尖端导轨250中。这样，如将描述的，可在必要时提供冷却。尖端导轨口袋270可以任何现在已知的或后来开发的方式制成。例如，对于新的叶片，尖端导轨口袋270可通过浇铸或增材制造形成。对于使用过的叶片，尖端导轨口袋270可例如通过电火花加工(EDM)，即通过切割尖端导轨250的一部分以形成口袋而形成于尖端导轨的端面160中。如果尚未提供，则一个或多个叶片冷却通道272可例如被钻孔以形成与至少一个内部冷却腔体174的流体连通。

图9示出了透视图，并且图10示出了相应的尖端导轨口袋270中的示例性插入件280的径向剖视图。每个插入件280的形状和尺寸被设定成与相应的尖端导轨口袋270互补，例如尺寸、曲率等。另外，尖端导轨口袋270和插入件280可被构造成使得插入件280的端面288与尖端导轨250的端面160为基本上平面的。多个尖端导轨口袋270中的至少两个可具有相同的几何形状和尺寸，从而允许具有特定形状和尺寸的插入件280用于多个尖端导轨口袋270。另选地，可针对尖端导轨上的位置定制每个插入件和口袋组合。如图9所示，插入件280中的冷却剂收集充气室284通过从一个或多个内部冷却腔体174延伸到尖端导轨口袋270中的至少一个尖端口袋冷却剂开口290（参见图5、图6和图10）的一个或多个叶片冷却通道272而流体地连接到一个或多个内部冷却腔体174。虽然尖端口袋冷却剂开口290被示出在尖端导轨口袋270的底部，但它们可处于允许与冷却剂收集充气室284流体连通的任何位置。在本文所示的许多实施方案中，冷却剂收集充气室284被示出延伸了插入件280的大部分长度。然而，应当认识到，这种定位可能并非在所有情况下必需的，并且充气室284可采取多种形式，例如参见图19。

在一个实施方案中，例如如图7和图8所示，插入件280为单片结构。在这种情况下，插入件280包括主体294，该主体具有形成于其中的一个或多个插入件冷却通道282和冷却剂收集充气室284。可通过在其中提供材料块、机加工通道282和充气室284来制造插入件280。另选地，插入件280可被增材制造。插入件280可包含超合金。如本文所用，“超合金”是指与常规合金相比具有许多优异物理特性的合金，诸如但不限于：高机械强度、高热蠕变耐变形性，如N400或N500、Rene 108、CM247、Haynes合金、Incalloy、MP98T、TMS合金、CMSX单晶合金。在一个实施方案中，本发明的教导可能特别有利的超合金是具有高γ' (γ’)值的超合金。“γ'” (γ’)是镍基合金的主要强化相。示例性的高γ’超合金包括但不限于：Rene108、N5、GTD 444、MarM 247和IN 738。

在另一个实施方案中，例如如图11的透视图和图12的相关局部分解透视图所示，尖端导轨冷却插入件280可包括层压的多个材料层300。即，插入件280通过层压多个材料层300而形成。例如，内层（主体）302可包括在其中限定一个或多个冷却通道282的开放式冷却剂路径区域308。内层302可夹置在一对外层304之间以形成一个或多个冷却通道282。即，形成插入件280包括在其中提供具有开放式冷却剂路径区域308的内层302，以及将内层302夹置在相邻外层304之间以从开放式冷却剂路径区域308形成一个或多个插入件冷却通道282。内层302可包括任何数量的部件，例如一个或多个。在必要或需要的情况下，也可使用一对端部覆盖层306来包封内层302的端部。内层302可包括例如超合金，并且一个或多个材料层300（例如，外层304、306）可包括预烧结的预制件(PSP)。

返回图9和图10，将插入件280附接到将冷却剂收集充气室284流体地连接到一个或多个内部冷却腔体174的尖端导轨口袋270，使得冷却剂可穿过充气室284流动到一个或多个冷却通道282以冷却尖端导轨250。冷却剂可通过一个或多个出口孔径286（图9）排出。在一个实施方案中，通过将插入件280钎焊到口袋来将尖端导轨冷却插入件280附接到尖端导轨口袋270。这里，冷却剂收集充气室284可充当用于过量钎焊的钎焊容器，从而防止对尖端导轨口袋270中的一个或多个尖端口袋冷却剂开口290的意外填充。在采用PSP的情况下，附接插入件280可包括加热一个或多个PSP材料层。以此方式，PSP可被软化，允许容易地安装，之后在冷却后牢固地粘附在口袋270中。在必要的情况下可附加地施加任何现在已知的或后来开发的制造技术以将插入件280联接到口袋270中，例如，热施加以便于插入等。

再次参见图6，另外参见图13的透视图，将描述尖端导轨口袋270和插入件280的示例性形状。一般来讲，尖端导轨口袋270可具有任何期望的形状以适应对应插入件280的形状和尺寸。在所描述的实施方案中，尖端导轨口袋270对端面160开放，使得插入件280，即其端面288，可填充尖端导轨250的端面160中的空隙。在一些实施方案中，尖端导轨口袋270和插入件270可沿它们的长度和/或高度和/或宽度互补地弯曲，但这并非在所有情况下都是必需的。尺寸将根据尖端导轨250的尺寸而变化。在一个示例中，插入件280和尖端导轨口袋270的长度可小至1厘米。在图5和图6的实施方案中，尖端导轨口袋270由一个开口端310并且五个表面312A-E形成。每个表面312A-E被构造成与插入件270的外侧匹配。然而，尖端导轨口袋270可具有多种其它形状。在一个实施方案中，如图13所示，尖端导轨口袋270可被形成为包括用于接合插入件280的至少四个表面312A-D。这里，将尖端导轨250的内壁，即提供内导轨表面157的内壁移除。表面312B和312D可相对于表面312A向内倾斜（参见角度α1和α2）。插入件280可被成形为与尖端导轨口袋270互补，即，相对于插入件280的底部316以角度α1和α2倾斜的侧壁314。如图14所示，插入件280可从尖端腔体155滑动到适当位置。这样，插入件280被倾斜表面312B、312D和壁部314径向地锁定在适当的位置，并且可被钎焊到适当位置以防止其移出口袋270。在该设置中，插入件280还提供内导轨表面157的缺失部分318，即，其使表面157完整。如本领域的技术人员将认识到的，尖端导轨口袋270和插入件280可形成为除本文所述之外的多种另选的互补形状，所有这些形状均被认为在本公开的范围内。

参见图7-图9、图13和图15-图20，一个或多个插入件冷却通道282可采用通过插入件280的多种路径中的任一种。图7示出了包括以方形正弦图案延伸的一对通道320的一个或多个插入件冷却通道282，其中每个通道联接到充气室284并且各自具有其自身的出口孔径286。图8示出了从充气室284以交叉图案延伸以产生晶格构型322的一个或多个插入件冷却通道282。该布置结构具有大量的出口孔径286，并且可具有或不具有流体相交的通道282，即，它们沿各自的长度紧邻的位置。图13示出了简单地从充气室284径向延伸的一个或多个插入件冷却通道282。图15示出了以螺旋图案324从充气室284延伸的一个或多个插入件冷却通道282。图15中的每个通道282具有其自身的出口孔径286，但这并非在所有情况下都必需的。图15还示出了位于冷却剂收集充气室284和至少一个出口孔径286之间的中间插入件穿越通道330。中间插入件穿越通道330可将两个或更多个插入件冷却通道282互连。尽管仅在图15的实施方案中示出，但应认识到，中间插入件穿越通道330可用于本文所公开的任何实施方案中。图16示出了以圆形正弦图案326延伸的插入件冷却通道282（仅采用一个长通道）。图17示出了将在穿过内导轨表面157的尖端导轨口袋270开口中使用的类型的插入件280，即类似于图13-图14。这里，内部冷却通道282以一对U形图案移动到面向尖端腔体155（图4）的细长出口孔径286。如图17所示，插入件280不包括类似图13中所示的成角度的侧壁314，但应当理解，如果需要，可提供此类成角度的壁部。充气室284具有延伸穿过插入件的背侧的递送通道（未示出）。

图18和图19示出了用于层压材料层实施方案（图11-图12）的内层302的另选实施方案的透视图，该内层具有在其中限定一个或多个插入件冷却通道282的不同开放式冷却剂路径区域308。图18示出了具有一对螺线型图案路径350的两部分内层302，并且图19示出了具有一对螺线型图案路径352的一部分内层302。应当强调的是，多种另选的开放式冷却剂路径区域也是可能的。每个内层302可夹置在外层304（图12）之间以形成插入件280，如本文所述。

虽然每个不同的实施方案以特定图案示出了一个或多个插入件冷却通道282，但应当理解，可将来自不同实施方案的图案混合。例如，插入件280中的一个或多个插入件冷却通道282中的至少一者可具有螺线型图案、交叉图案和螺旋图案，并且至少一个其他插入件冷却通道可具有其它图案中的一种。本文所述的一些插入件280必须被增材制造；然而，其他插入件可使用浇铸或材料去除技术（可能利用电火花加工(EDM)、EDM线切割和/或激光切割以创建某些特征，例如通道282、充气室284等）来形成。尽管本文已示出了一个或多个插入件冷却通道282的具体实施例，但应当理解，其他特征也是可能的，并且被认为落在本公开的范围内。本文所述的或以其他方式可用的多种冷却通道布置结构中的任一种可包括自适应冷却通道，即，当一个冷却通道被破坏或堵塞时允许打开其他冷却通道的自适应冷却通道。这样，一个或多个插入件冷却通道282可形成再分配歧管，该再分配歧管使多种分支冷却回路中的任一者互连以用于在移除尖端导轨材料或堵塞无差别的上部通道和/或出口孔径286的摩擦期间继续冷却操作。

图20为根据本公开的实施方案的尖端导轨口袋270中的包括一个或多个侧出口孔径287的尖端导轨冷却插入件280的透视图。在该实施方案中，一个或多个插入件冷却通道282被示出为螺线型。然而，需要强调的是，它们可采用本文所述的任何形式。在该实施方案中，一个或多个插入件冷却通道282包括在相应尖端导轨冷却插入件280的侧表面中的至少一个冷却剂侧出口孔径287，而不是从端面288（例如，图7-8）排出。这里，来自一个或多个插入件冷却通道282的冷却剂可经由侧出口孔径287排出到尖端导轨冷却插入件280的一侧，即面向尖端导轨口袋270的表面，或进入尖端腔体155（如图13中所提供的）。侧出口孔径287可对尖端腔体155开放（例如，在图13的实施方案中使用时），或者可对尖端导轨口袋270的内表面（例如，图13中的312C）封闭以作为自适应冷却体制的一部分打开。另选地，外部冷却剂通道400可从尖端导轨250的外表面（例如，从凹形压力侧壁128或凸形吸力侧壁130）提供至侧出口孔径287，以允许在例如侧壁128、130上形成冷却膜。即，可将冷却膜从尖端导轨冷却插入件280提供至侧壁128、130。如果需要，外部冷却剂通道400也可穿过尖端导轨250的内导轨表面157以排出到尖端腔体155。侧出口孔径287可例如在其增材制造期间作为尖端导轨冷却插入件280的一部分形成。另选地，侧出口孔径287可利用外部冷却剂通道400来形成，例如通过从尖端导轨冷却插入件280的外表面钻孔到一个或多个插入件冷却通道180，或者从尖端导轨250的外表面诸如侧壁128或130钻孔穿过该侧壁并进入到一个或多个插入件冷却通道282（在图20中示出）和/或冷却剂收集充气室284。可提供任何数量的侧出口孔径287（具有或不具有外部冷却剂通道400）。这样，可在必要时提供冷却膜。

本公开的实施方案提供了经改进且可选择的叶片尖端冷却以降低冷却流动需求。一个或多个插入件冷却通道可采用多种形式以提供多种期望的冷却。尖端导轨冷却插入件允许在用过的涡轮叶片或新的涡轮叶片中选择性地放置尖端导轨的冷却。即，尖端导轨冷却插入件可将冷却剂递送至尖端和/或尖端导轨的区域，例如与尖端的其他部分相比需要附加冷却的其后部的吸力侧。尖端导轨冷却插入件还可改善尖端导轨的冷却，并同时测量穿过其中的冷却剂。尖端导轨冷却插入件还可解决粉尘堵塞问题。翼型件124、尖端137、237和插入件280可使用任何现在已知的或后来开发的工艺诸如浇铸和增材制造来制造。然而，应当指出的是，插入件280的许多实施方案尤其适用于增材制造。

本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的并且不旨在限制本公开。如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确地说明。将进一步理解，当在说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定存在陈述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。“任选的”或“任选地”意指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且该描述包括事件发生的实例和事件不发生的实例。

如在整个说明书和权利要求书中使用的，近似语言可以用于修改可以允许变化的任何定量表示，而不会导致与其相关的基本功能的变化。因此，由一个或多个术语（诸如“约”、“大约”和“基本上”）修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。在此和整个说明书和权利要求书中，范围限制可以组合和/或互换，此类范围被识别并且包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另有指示。应用于范围的特定值的“大约”适用于两个值，除非另外依赖于测量值的仪器的精度，否则可以指示一个或多个所述值的+/-10%。

以下权利要求书中的所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于结合具体要求保护的其他要求保护的元件执行功能的任何结构、材料或动作。已经出于说明和描述的目的给出了对本公开的描述，但其并不旨在穷举或将本公开限制于所公开的形式。在不脱离本公开的范围和实质的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是显而易见的。选择和描述了实施方案以便最好地解释本公开的原理和实际应用，并且使得本领域的其他技术人员能够理解具有适合于预期的特定用途的各种修改的本公开的各种实施方案。

Claims (10)

1.一种涡轮叶片尖端冷却系统(200)，包括：

涡轮叶片(115)，所述涡轮叶片具有尖端腔体(155)、围绕所述尖端腔体(155)的至少一部分的尖端导轨(150)和至少一个内部冷却腔体(174)；

所述尖端导轨(150)具有内导轨表面(157)、外导轨表面(159)、端面(160，288)和至少一个尖端导轨口袋(270)，所述至少一个尖端导轨口袋在所述端面(160，288)处打开并且流体地连接到承载冷却剂的所述至少一个内部冷却腔体(174)；和

尖端导轨冷却插入件(280)，所述尖端导轨冷却插入件附接到所述至少一个尖端导轨口袋(270)，所述尖端导轨冷却插入件(280)具有在其中的至少一个插入件冷却通道(180)和冷却剂收集充气室(284，384)，所述冷却剂收集充气室用于将冷却剂从所述至少一个内部冷却腔体(174)导向到所述至少一个插入件冷却通道(180)。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片尖端冷却系统(200)，其中所述冷却剂收集充气室(284，384)通过至少一个叶片冷却通道(282)流体连接到所述至少一个内部冷却腔体(174)，所述至少一个叶片冷却通道从所述至少一个内部冷却腔体(174)延伸到所述尖端导轨口袋(270)中的至少一个尖端口袋冷却剂开口(290)。

3.根据权利要求1所述的涡轮叶片尖端冷却系统(200)，其中所述至少一个尖端导轨口袋(270)包括用于接合所述尖端导轨冷却插入件(280)的至少四个表面(312A-E，312B)(312A-D)。

4.根据权利要求1所述的涡轮叶片尖端冷却系统(200)，还包括多个尖端导轨口袋(270)和附接到所述多个尖端导轨口袋(270)中的每一者的尖端导轨冷却插入件(280)。

5.根据权利要求4所述的涡轮叶片尖端冷却系统(200)，其中所述多个尖端导轨口袋(270)中的至少两者具有相同的几何形状和尺寸。

6.根据权利要求1所述的涡轮叶片尖端冷却系统(200)，其中所述尖端导轨冷却插入件(280)为单片结构。

7.根据权利要求1所述的涡轮叶片尖端冷却系统(200)，其中所述尖端导轨冷却插入件(280)由多个材料层(300)层压而成。

8.根据权利要求7所述的涡轮叶片尖端冷却系统(200)，其中所述材料层(300)中的至少一者为预烧结的预制件。

9.根据权利要求1所述的涡轮叶片尖端冷却系统(200)，其中所述至少一个插入件冷却通道(180)包括至少一个冷却剂出口孔径(286)，所述至少一个冷却剂出口孔径位于所述相应尖端导轨冷却插入件(280)的所述端面(160，288)中。

10.一种冷却涡轮叶片尖端(137，237)的方法，包括：

提供涡轮叶片，所述涡轮叶片具有尖端腔体(155)、围绕所述尖端腔体(155)的至少一部分的尖端导轨(150)和被配置为递送冷却剂的至少一个内部冷却腔体(174)，所述尖端导轨(150)具有内导轨表面(157)、外导轨表面(159)和端面(160，288)；

在所述尖端导轨(150)的所述端面(160，288)中形成尖端导轨口袋(270)，所述尖端导轨口袋(270)包括尖端口袋冷却剂开口(290)，所述尖端口袋冷却剂开口与所述至少一个内部冷却腔体(174)流体连通；

形成尖端导轨冷却插入件(280)，所述尖端导轨冷却插入件具有被配置用于与所述尖端口袋冷却剂开口(290)流体连通的冷却剂收集充气室(284，384)和与所述冷却剂收集充气室(284，384)流体连通的至少一个插入件冷却通道(180)，所述尖端导轨冷却插入件(280)的尺寸和形状被设定成接合在所述尖端导轨口袋(270)中；以及

将所述尖端导轨冷却插入件(280)附接到所述尖端导轨口袋(270)以将所述冷却剂收集充气室(284，384)流体地连接到所述内部冷却腔体(174)。

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