CN113153442A - 通过增材方式制造的具有一体式冲击套筒的涡轮转子叶片 - Google Patents

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扎卡里·约翰·斯奈德
布拉德·威尔逊·万塔塞尔
杰弗里·克拉伦斯·琼斯
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General Electric Co PLC
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Abstract

本发明题为通过增材方式制造的具有一体式冲击套筒的涡轮转子叶片。本发明公开了一种涡轮转子叶片(120)，该涡轮转子叶片由增材方式制造并包括翼状主体(122)，该翼状主体具有用于接收冷却剂流(136)的径向延伸室(134)、在该翼状主体(122)的径向外端(142)处的顶端(140)以及在该翼状主体(122)的径向内端(152)处的柄(148,148A)。径向延伸室(134)至少部分地延伸到柄(148,148A)中以限定柄内表面(154)。一体式冲击冷却结构(160)位于径向延伸室(134)内。尽管室(134)具有曲率，该一体式冲击冷却结构(160)允许其中空主体(162)的外部表面(170)与翼状内表面(132)均匀地间隔开。涡轮转子叶片(120)在整个叶片(120)上具有冲击冷却部(160)。

Description

通过增材方式制造的具有一体式冲击套筒的涡轮转子叶片
背景技术
本公开一体式涉及涡轮机，并且更具体地涉及具有多个通过增材方式制造的一体式特征结构(诸如一体式冲击套筒、平台中的非线性冷却通道、具有冷却剂传送通道的天使翼(angel wing)以及具有一体式格栅支撑结构的中空燕尾榫)的涡轮机转子叶片。
涡轮机包括联接到转子的多个涡轮转子叶片。将工作流体(诸如蒸汽或燃烧的燃料)推到叶片上以迫使叶片转动转子。涡轮转子叶片在极热条件下运行并且需要冷却。可以多种方式提供冷却特征结构。
一种提供冷却的机构为冲击插入件。冲击插入件或套筒包括中空主体，该中空主体在其壁中具有冷却通道，该冷却通道允许通过冷却通道递送冷却剂以撞击或冲击待冷却表面上。冲击插入件用于(例如)诸如涡轮转子叶片的涡轮机械中的各种热气体(HGP)部件以增加其中的冷却回路的冷却性能。冲击插入件的一个挑战在于以足够接近的方式将冲击插入件定位在HGP部件中的锥形或弯曲腔体内以获得高冷却性能，但不是太过接近以至于冷却无效。冲击插入件的冷却性能的一个指标是Z/D参数，该Z/D参数为插入件和HGP部件的内部表面之间的间隔距离Z与冲击插入件中的冷却通道(孔)的直径D的比率。插入件的Z/D参数值通常被设计成在导致更好冷却性能的期望范围内。
在不能产生必要的间隔距离的情况下，通常不由插入件提供冲击冷却。例如，如果HGP组件中的腔体弯曲太过显著以至于冲击插入件不能被制造得足够薄或足够弯曲到遵守必要的间隔距离，则不能提供冲击冷却件。一种解决这个挑战的方法包括将冲击插入件设置在多个柔性纵向部分中以使得更容易地将它们插入HGP部件中。然而，必须按顺序将多个插入件部分定位和联接在一起或将它们联接到HGP部件增加了制造的复杂性、时间和成本。柔性冲击插入件部分也不提供围绕其周边(即，横向(截面))的邻接元件，这可减损其不连续之处的冷却性能。
以有限的方式将冲击冷却应用于涡轮机中的旋转涡轮转子叶片，例如用于其前缘。然而，由于旋转叶片所经受的离心力使得冷却剂在叶片旋转时到达叶片的径向外顶端，因此冲击冷却一直没有更广泛地施加在涡轮转子叶片的整个内表面上，使得冲击冷却不太有效。
另一个冷却特征包括通过涡轮转子叶片的待冷却部分的冷却通道。例如，涡轮转子叶片包括平台，该平台横向延伸以与相邻的涡轮转子叶片的平台协作地形成通过涡轮机的工作流体路径的一部分。由于工作流体的高温，平台通常在其中包括冷却回路，该冷却回路向穿过平台的斜面离开的多个冷却通道进料。一些平台包括在斜面中的阻尼销座，该阻尼销座在其中接纳轴向延伸的销，该轴向延伸的销与相邻平台中的相邻的阻尼销座配合以密封工作流体路径。通常将冷却通道钻入到斜面中以将该通道流体联接到冷却回路。因此，冷却通道具有可能无法充分冷却所有平台的线性构型。例如，冷却通道可穿过形成阻尼销座的延伸部，但不充分地冷却斜面的其他部分。
冷却特征也可与天使翼一起使用。就这一点而言，另一个冷却特征结构包括将冷却剂递送到天使翼中或径向地围绕天使翼的冷却通道。用于涡轮转子叶片的安装架还可在其中包括冷却特征。
发明内容
本公开的第一方面提供了一种涡轮转子叶片，包括：翼状主体，该翼状主体包括沿着前缘和后缘连接的凹形压力侧外壁和凸形抽吸侧外壁，外壁具有翼状内表面，该翼状内表面限定用于接收冷却剂流的径向延伸腔室；顶端，该顶端位于翼状主体的径向外端处；柄，该柄在翼状主体的径向内端处，径向延伸室至少部分地延伸到柄中以限定柄内表面；和冲击冷却结构，该冲击冷却结构在径向延伸室内，冲击冷却结构包括：中空主体，该中空主体包括第一端部、第二端部、内部表面和外部表面；多个冷却通道，该多个冷却通道穿过中空主体并与径向延伸室流体连通，以允许冷却剂流从中空主体的内部表面通过以至少冲击到翼状内表面上，其中中空主体的第一端部与柄内表面一体形成，并且其中中空主体的外部表面在所述中空主体的第一端部与第二端部之间与翼状内表面均匀地间隔开。
本公开的第二方面提供了一种通过增材方式制造的涡轮转子叶片，包括：翼状主体，该翼状主体包括沿着前缘和后缘连接的凹形压力侧外壁和凸形抽吸侧外壁，外壁具有翼状内表面，翼状内表面限定用于接收冷却剂流的径向延伸腔室；和一体式冲击冷却结构，该一体式冲击冷却结构在径向延伸室内，该一体式冲击冷却结构包括：中空主体，该中空主体包括第一端部、第二端部、内部表面和外部表面；和多个冷却通道，该多个冷却通道穿过中空主体并与径向延伸室流体连通，以允许冷却剂流从中空主体的内部表面通过以至少冲击到翼状内表面上，其中中空主体的外部表面在中空主体的第一端部与第二端部之间与翼状内表面均匀地间隔开。
本公开的第三方面提供了一种方法，该方法包括：顺序地产生材料层并且施加热源以烧结材料层，以形成：翼状主体，该翼状主体包括沿着前缘和后缘连接的凹形压力侧外壁和凸形抽吸侧外壁，外壁具有翼状内表面，翼状内表面限定用于接收冷却剂流的径向延伸腔室；和冲击冷却结构，该冲击冷却结构在径向延伸室内，一体式冲击冷却结构包括：中空主体，该中空主体包括第一端部、第二端部、内部表面和外部表面；和多个冷却通道，该多个冷却通道穿过中空主体并与径向延伸室流体连通，以允许冷却剂流从中空主体的内部表面通过以至少冲击到翼状内表面上，其中中空主体的外部表面在中空主体的第一端部与第二端部之间与翼状内表面均匀地间隔开。
本公开的第四方面提供了一种涡轮转子叶片，包括：翼状主体，该翼状主体包括沿着前缘和后缘连接的凹形压力侧外壁和凸形抽吸侧外壁，外壁限定用于接收冷却剂流的径向延伸腔室；平台，该平台相对于所述翼状主体横向向外延伸并且终止于至少一个斜面；冷却回路，该冷却回路被限定在平台内并且与冷却剂流的源流体连通；以及至少一个冷却通道，该至少一个冷却通道被限定在平台中并且与冷却回路流体连通，至少一个冷却通道以非线性构型从冷却回路延伸以穿过平台的至少一个斜面离开。
本公开的第五方面提供了一种通过增材方式制造的涡轮转子叶片，包括：翼状主体，该翼状主体包括沿着前缘和后缘连接的凹形压力侧外壁和凸形抽吸侧外壁，外壁限定用于接收冷却剂流的径向延伸腔室；平台，所述平台相对于所述翼状主体横向向外延伸并且终止于至少一个斜面；冷却回路，该冷却回路被限定在平台内并且与冷却剂流的源流体连通；以及至少一个冷却通道，该至少一个冷却通道被限定在平台中并且与冷却回路流体连通，至少一个冷却通道以非线性构型从冷却回路延伸以通过平台的至少一个斜面离开。
第六方面包括一种涡轮转子叶片，包括：翼状主体，该翼状主体包括沿着前缘和后缘连接的凹形压力侧外壁和凸形抽吸侧外壁；柄，该柄位于翼状主体的径向内端处；至少一个天使翼，该至少一个天使翼从柄的至少一侧横向延伸；以及通过至少一个天使翼限定的冷却剂传送通道，该冷却剂传送通道与第一叶轮空间部分和第二叶轮空间部分流体联接，第一叶轮空间部分被限定在柄与第一相邻涡轮转子叶片的第一相邻柄之间，第二叶轮空间部分被限定在柄与第二相邻涡轮转子叶片的第二相邻柄之间。
本公开的第七方面涉及一种通过增材方式制造的涡轮转子叶片，包括：翼状主体，该翼状主体包括沿着前缘和后缘连接的凹形压力侧外壁和凸形抽吸侧外壁；在所述翼状主体的径向内端处的柄；至少一个天使翼，该至少一个天使翼从柄的至少一侧横向延伸；以及通过至少一个天使翼限定的冷却剂传送通道，该冷却剂传送通道与第一叶轮空间部分和第二叶轮空间部分流体联接，第一叶轮空间部分被限定在柄与第一相邻涡轮转子叶片的第一相邻柄之间，第二叶轮空间部分被限定在柄与第二相邻涡轮转子叶片的第二相邻柄之间。
第八方面涉及一组涡轮转子叶片，包括：第一涡轮转子叶片、第二涡轮转子叶片和第三涡轮转子叶片，第一涡轮转子叶片定位在第二涡轮转子叶片与第三涡轮转子叶片之间，每个涡轮转子叶片包括：翼状主体，该翼状主体包括沿着前缘和后缘连接的凹形压力侧外壁和凸形抽吸侧外壁，在所述翼状主体的径向内端处的柄，至少一个天使翼，该至少一个天使翼从柄的至少一侧横向延伸，并且其中第一涡轮转子叶片和第二涡轮转子叶片的柄在柄之间限定第一叶轮空间部分，并且第一涡轮转子叶片和第三涡轮转子叶片的柄在柄之间限定第二叶轮空间部分；和冷却剂传送通道，该冷却剂传送通道通过第一涡轮转子叶片中的至少一个天使翼限定，冷却剂传送通道与第一叶轮空间部分和第二叶轮空间部分流体联接。
第九方面涉及涡轮转子叶片根部，该涡轮转子叶片根部包括：柄，该柄具有限定在其中的径向延伸室；叶片安装架，该叶片安装架位于柄的径向内端处，叶片安装架具有限定于其中的中空内部，中空内部与径向延伸室流体连通；和格栅支撑结构，该格栅支撑结构设置在叶片安装架的中空内部中。
第十方面包括涡轮转子叶片根部，该涡轮转子叶片根部包括：柄，该柄具有限定在其中的径向延伸室；叶片安装架，该叶片安装架位于柄的径向内端处，叶片安装架具有限定于其中的中空内部，中空内部与径向延伸室流体连通；格栅支撑结构，该格栅支撑结构设置在叶片安装架的中空内部中；至少一个天使翼，该至少一个天使翼从柄的至少一侧横向延伸；以及通过至少一个天使翼限定的冷却剂传送通道，该冷却剂传送通道与第一叶轮空间部分和第二叶轮空间部分流体联接，第一叶轮空间部分被限定在柄与第一相邻涡轮转子叶片根部的第一相邻柄之间，第二叶轮空间部分被限定在柄与第二相邻涡轮转子叶片根部的第二相邻柄之间。
第十一方面涉及涡轮转子叶片根部，该涡轮转子叶片根部包括：柄，该柄具有限定在其中的径向延伸室；叶片安装架，该叶片安装架位于柄的径向内端处，叶片安装架具有限定于其中的中空内部，中空内部与径向延伸室流体连通；格栅支撑结构，该格栅支撑结构设置在叶片安装架的中空内部中；至少一个天使翼，该至少一个天使翼从柄的至少一侧横向延伸；以及通过至少一个天使翼限定的冷却剂传送通道，该冷却剂传送通道与第一叶轮空间部分和第二叶轮空间部分流体联接，第一叶轮空间部分被限定在柄与第一相邻涡轮转子叶片根部的第一相邻柄之间，第二叶轮空间部分被限定在柄与第二相邻涡轮转子叶片根部的第二相邻柄之间。
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示出了示例性气体涡轮(GT)系统的示意图。
图2示出了可以与图1中的GT系统一起使用的例示性气体涡轮组件的剖视图。
图3示出了可以采用本公开的实施方案的类型的涡轮转子轮叶的透视图。
图4示出了根据本公开的一个实施方案的包括一体式冲击套筒的涡轮转子叶片的轴向剖视图。
图5示出了根据本公开的一个实施方案的包括一体式冲击套筒的涡轮转子叶片的径向周向剖视图。
图6示出了根据本公开的另一个实施方案的涡轮转子叶片的冲击冷却结构与柄的汇合位置的放大剖视图。
图7示出了根据本公开的另一个实施方案的具有可变壁厚的冲击冷却结构的放大剖视图。
图8示出了根据本公开的实施方案的冲击冷却结构的放大剖视图，该冲击冷却结构具有围绕其冷却通道的加强构件。
图9示出了根据本公开的另选的实施方案的冲击冷却结构的平面剖视图。
图10示出了根据本公开的一个实施方案的包括一体式冲击套筒的涡轮转子叶片的第一局部轴向剖视图。
图11示出了根据本公开的一个实施方案的包括一体式冲击套筒的涡轮转子叶片的第二局部轴向剖视图。
图12示出了根据本公开的实施方案的涡轮转子叶片的平台中冷却通道的透视图。
图13示出了根据本公开的实施方案的涡轮转子叶片的平台的一侧中冷却通道的透明平面图。
图14示出了根据本公开的实施方案的涡轮转子叶片的平台中冷却通道的放大剖视图。
图15示出了根据本公开的实施方案的涡轮转子叶片的平台中冷却通道的放大剖视图。
图16示出了根据本公开的实施方案的涡轮转子叶片的平台中冷却通道的放大剖视图。
图17示出了根据本公开的实施方案的涡轮转子叶片的平台中冷却通道的放大剖视图。
图18示出了根据本公开的实施方案的涡轮转子叶片的平台中冷却通道的放大剖视图。
图19示出了根据本公开的实施方案的包括天使翼的涡轮转子叶片的剖视图。
图20示出了根据本公开的实施方案的包括天使翼的涡轮转子叶片的透明透视图。
图21示出了根据本公开的实施方案的一组包括天使翼的涡轮转子叶片的示意性轴向视图。
图22示出了根据本公开的实施方案的包括天使翼的涡轮转子叶片的平面图。
图23示出了根据本公开的实施方案的包括天使翼的涡轮转子叶片的侧视图。
图24示出了根据本公开的实施方案的包括天使翼的涡轮转子叶片的侧视图。
图25示出了根据本公开的实施方案的涡轮转子叶片的中空叶片安装座的剖视图，该涡轮转子叶片包括格栅支撑结构。
图26示出了根据本公开的实施方案的包括格栅支撑结构的涡轮转子叶片的根部的透视剖视图。
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，当引用和描述例如涡轮机内的相关机器部件时，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”是指示相对于流体流动的方向的术语，诸如通过涡轮机的工作流体，或者例如通过燃烧器的空气流或通过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。在没有任何另外的特殊性的情况下，术语“前”和“后”是指方向，其中“前”是指涡轮机的前端(压缩机端)或其部件的前段，并且“后”是指涡轮机的后端(涡轮机端)或其部件的后端。在附图中，向前和向后通常由X方向表示。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”是指垂直于例如涡轮机转子轴线的移动或位置。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”。在附图中，径向方向通常由Z方向表示。术语“轴向”是指平行于轴线(即，涡轮机转子轴线)的移动或位置。最后，术语“圆周”是指围绕轴线的移动或位置。虽然在附图中的图例中未示出周向方向为弯曲的，但其在附图中通常由Y方向表示。应当理解，此类术语可以相对于涡轮机的转子轴线应用。
此外，在本文中可以有规律地使用若干描述性术语，如下所述。术语“第一”、“第二”和“第三”可以可互换地使用，以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示单独部件的位置或重要性。
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。
在元件或层被称为“在…上”、“接合到”、“连接到”或“联接到”另一个元件或层的情况下，它可直接在另一个元件或层上、接合到、连接到或联接到另一个元件或层，或者可存在居间元件或层。相比之下，当元件被称为“一体化”、“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，本公开提供了一种涡轮转子叶片或涡轮转子叶片根部，该涡轮转子叶片或涡轮转子叶片根部包括可通过叶片和/或根部的增材制造而制成的多个一体式特征部。增材制造允许形成在先前不允许的情况下提供冷却的结构，与常规系统相比，可改善冷却、提供附加的结构强度和/或降低叶片的重量。
A.简介
图1示出了根据本公开的各种实施方案的可包括涡轮转子叶片的例示性涡轮机90的示意图，该涡轮转子叶片包括一体式特征部。在所示的示例中，涡轮机90包括气体涡轮(GT)系统100，该GT系统包括压缩机102和燃烧器104。燃烧器104包括燃烧区域105和燃料喷嘴组件106。GT系统100还包括涡轮108和普通压缩机/涡轮轴(有时称为转子)110。在一个实施方案中，GT系统100是7HA或9HA GT系统，其可商购自南卡罗来纳州格林维尔的通用电气公司(General Electric Company,Greenville,S.C)。本公开不限于任一种特定的GT系统，并且可以与其他发动机(包括例如，通用电气公司(General Electric Company)的其他HA、F、B、LM、GT、TM和E级发动机型号以及其他公司的发动机型号)一起使用。此外，如本文所述，涡轮转子叶片可应用于其他形式的涡轮机，例如蒸汽涡轮机、喷气式发动机、压缩机等。
在操作中，空气流动通过压缩机102并且压缩空气被供应到燃烧器104。具体地，压缩空气被供应到燃料喷嘴组件106，该燃料喷嘴组件与燃烧器104成一整体。组件106与燃烧区域105流体连通。燃料喷嘴组件106还与燃料源(图1中未示出)流体连通，并且将燃料和空气引导到燃烧区域105。点燃燃烧器104并且燃烧燃料。燃烧器104与涡轮108流体连通，以便气体流热能被转换成机械旋转能量。涡轮108可旋转地联接到转子110并且驱动该转子。压缩机102也可旋转地联接到转子110。在例示性实施方案中，存在多个燃烧器104和燃料喷嘴组件106。
图2示出了可与图1中的GT系统100一起使用的具有三级的示例性涡轮108的剖视图。每个级均包括静止叶片或静止喷嘴112和涡轮转子叶片120的组。静止喷嘴112可通过径向外平台114和径向内平台116保持在涡轮108中。静止喷嘴112可包括一个或多个周向间隔的翼状件118(图4)。涡轮转子叶片120联接到转子110并且在静止喷嘴112的行之间延伸。燃烧气体由静止喷嘴112引导到涡轮转子叶片120上以使转子110转动(图1)。
图3示出了GT系统100的示例性涡轮转子叶片120的透视图，其中可采用根据本公开各种实施方案的一体式特征部。图4示出了根据本公开的各种实施方案的涡轮转子叶片120的轴向剖视图，该涡轮转子叶片包括一体式冲击冷却结构160形式的一体式特征部。涡轮转子叶片120包括翼状主体122，该翼状主体包括沿着前缘128和后缘130连接的凹形压力侧外壁124和凸形抽吸侧外壁126。如图4所示，外壁124、126具有翼状内表面132，该翼状内表面限定用于接收冷却剂流136的径向延伸室134。再次参考图3，涡轮转子叶片120还可包括在翼状主体122的径向外端142处的顶端140。涡轮转子叶片120还可包括涡轮转子叶片根部144(下文称为“根部144”)，涡轮转子叶片120通过该根部(例如通过转子轮147(图21))附接到转子110(图1)。出于本公开的目的，根部144可包括涡轮转子叶片120的任何部分，包括平台150，以及位于该平台的径向内侧的部分。根部144可包括叶片安装架146，该叶片安装架被构造为安装在转子轮147(图21)的周边中的对应槽中。叶片安装座146可具有用于安装到转子盘147(图21)的任何现在已知或以后开发的外部构型，诸如但不限于燕尾形或杉树形布置。涡轮转子叶片120，即其根部144，还可包括在叶片安装座146与平台150之间延伸的柄148。平台150设置在翼状主体122与柄148的接合处，并且限定通过涡轮108的流动路径的内侧边界的一部分(图1至图2)。因此，柄148位于翼状主体122的径向内端152处，而叶片安装座146位于柄148的径向内侧。平台150相对于柄148横向向外延伸。如本文将进一步描述的，径向延伸室134可至少部分地延伸到柄148中以限定柄内表面154(图5)。翼状主体122的外壁124和126在径向(Z)方向上从平台150延伸到顶端140。应当理解，翼状主体122是涡轮转子叶片120的活动部件，其拦截工作流体的流动并引起转子旋转。
B.一体式冲击冷却结构
在某些实施方案中，涡轮转子叶片120可以(尤其)包括翼状主体122以及其中的一体式冲击冷却结构160形式的一体式特征部。冲击冷却结构不是插入件，而是通过例如增材制造方式与叶片的其余部分一体地制造。如本文所述，翼状主体122可包括沿着前缘128和后缘130连接的凹形压力侧外壁124和凸形抽吸侧外壁126。外壁124、126具有翼状内表面132，该翼状内表面限定用于接收冷却剂流136的径向延伸室134。涡轮转子叶片120还可以包括在翼状主体122的径向外端142处的顶端140，以及在翼状主体122的径向内端152处的柄148。径向延伸室134可至少部分地延伸到柄148中以限定柄内表面154。一体式冲击冷却结构160在径向延伸室134内，并且可包括中空主体162，该中空主体包括第一端部164、第二端部166、内部表面168和外部表面170。多个冷却通道172延伸穿过中空主体162并且与径向延伸室134流体连通，以允许冷却剂流从中空主体162的内部表面168通过，以冲击到至少翼状主体122的内表面上。与常规冲击插入件相比，中空主体162的第一端部164一体形成到柄内表面154，即，经由增材方式制造。因此，不论翼状内表面132的曲率如何，中空主体162的外部表面170可被制成在中空主体162的第一端部164与第二端部166之间与翼状内表面132均匀地间隔开。在另一个实施方案中，为了提供不同的冲击冷却、吸热和/或重复使用，可采用不均匀但定制的间隔距离。例如，在需要较多冲击冷却的情况下可采用较近的间隔距离，而在需要较少冲击冷却的情况下可使用较宽的间隔距离。另外，中空主体162可具有围绕其整个周边和径向跨度的冷却通道，以在整个叶片上而不仅仅是在其前缘处提供冲击冷却。因此，一体式冲击冷却结构允许在做出通常与冲击插入件相关联的有限牺牲的情况下实现最大冲击覆盖率，并且可具有多个可变冷却特征。例如，涡轮转子叶片可具有：冲击冷却结构或其销组(pin bank)后面的可变弦向宽度，针对不同冷却负载定制的冲击冷却结构壁厚，以及不同支撑件，以应对翼状主体与冲击冷却结构之间不同的热膨胀系数(CTE)。
如图4所示，并且如图5的径向周向剖视图所示，涡轮转子叶片120可包括径向延伸室134内的冲击冷却结构160。冲击冷却通常由一个或多个冲击插入件提供，该一个或多个冲击插入件插入径向延伸室134中并且例如通过紧固件或焊接联接到翼状主体122。冲击插入件通常为线性的，但可包括一些曲率。在径向延伸室134具有如图5所示的弯曲翼状内表面132的情况下，不可能具有沿叶片的整个径向跨度与内表面均匀地间隔开的冲击插入件。为了解决该挑战，根据本公开的实施方案的冲击冷却结构160通过增材制造与涡轮转子叶片120的其余部分一体形成。
如图5所示，冲击冷却结构160包括中空主体162，该中空主体包括第一端部164、第二端部166、内部表面168和外部表面170。冲击冷却结构160还包括穿过中空主体162并与径向延伸室134流体连通的多个冷却通道172，以允许冷却剂流136从中空主体的内部表面168通过，以至少冲击到翼状内表面132上，例如，可以(特别是)冲击到翼状主体122、顶端140、柄148和/或平台150中的内表面。与常规涡轮转子叶片相比，并且如图4以及特别是图5所示，中空主体162的外部表面170在中空主体162的第一端部164与第二端部166之间与翼状内表面132均匀地间隔开。即，使用增材制造而不是机械插入，冲击冷却结构160可(与例如翼状内表面132同时地)形成为具有相同的曲率、弯曲、扭曲和任何其他形状或尺寸，以匹配与其相邻的内表面的形状或尺寸。值得注意的是，冲击冷却结构160可沿其覆盖的整个径向跨度与翼状内表面132均匀地间隔开，从而确保在整个涡轮转子叶片120上的期望的Z/D参数。Z/D参数是涡轮转子叶片120的外部表面170与内表面(例如，翼状内表面132、柄内表面154等)之间的间隔距离Z与冲击冷却结构160中的冷却通道172(孔)的直径D的比率。在一个示例中，Z/D在约1至约10的范围内。在另一个示例中，Z/D可在约2至约6的范围内。间隔距离Z可小于铸件的常规可用距离，例如小于约1.27毫米(0.05英寸)。也可采用具有比常规铸件更小直径D的冷却通道172，例如，取决于碎屑的堵塞状况。有利的是，冷却通道172可围绕中空主体162的整个周边范围延伸，使得冷却剂流136沿所有方向离开中空主体162，以向翼状主体122的所有翼状内表面132提供冲击冷却。另选地，在不期望或不需要对内表面132、154的冲击冷却的区域中，可省略冷却通道172。冷却通道172可沿着中空主体162的任何所需径向范围延伸。
如图5所示，中空主体162的第一端部164一体地形成到柄内表面154。第一端部164在汇合位置174处与柄内表面154汇合，该汇合位置围绕第一端部164的整个周边延伸，即，在汇合位置处在第一端部164与柄内表面154之间不存在开口(可能除了冷却通道172之外)。在某些实施方案中，中空主体162的第一端部164沿平台150径向向内地一体形成到柄内表面154。然而，该特定汇合位置174并不是在所有情况下都是必需的，例如，在一些情况下，汇合位置174可在平台150的径向外侧。如图5所示，尽管并非在所有情况下都是必需的，但中空主体162的第二端部166也可与顶端140的内表面176一体地形成。冷却通道172可任选地提供对顶端140的冲击冷却，或将冷却剂传递到顶端140以用于其他形式的冷却。
图6示出了根据本公开的各种实施方案的涡轮转子叶片120的冲击冷却结构160与柄148的汇合位置174(图5)的放大剖视图。如图5和图6所示，中空主体162的第一端部164可相对于中空主体162的第一端部164与柄内表面154的汇合位置174基本上在径向方向(箭头Z)上延伸。如本文所用，“基本上在径向方向上”表示第一端部164以一定公差度(例如，+/-5°)远离转子110(图1)径向延伸。相比之下，柄内表面154的至少一部分相对于径向方向Z从中空主体162的第一端部164与柄148的汇合位置174以角度α延伸(图6)。在另一个实施方案中，柄内表面154基本上在径向方向上对准，并且中空主体的第一端部164朝向汇合位置174逐渐弯曲或过渡以保持角度α(例如)小于30°。在另一个实施方案中，柄内表面154和中空主体162的第一端部164均朝向汇合位置174逐渐弯曲或过渡。角度α可以是任何所需的并在增材制造的范围内的角度，例如，与垂直方向成小于45°的角度。为了保持结构完整性，希望角度α尽可能小，例如，小于10°、小于20°或小于30°。仅如图6所示，在某些实施方案中，支撑结构180可定位在中空主体162的第一端部164与柄内表面154之间，例如，在汇合位置174的径向外侧和平台150的径向内侧。在另外的实施方案中，支撑结构180可定位在中空主体162的外部表面170与翼状内表面132、柄内表面154等之间的任何位置处。在另外的实施方案中，支撑结构180的至少一部分包括中空支撑元件(例如，格栅)，以使得冷却流能够直接从室134到达翼状主体122的外壁124和/或126(图4)。例如，期望直接从径向延伸室134向翼状主体122的某些区域(诸如前缘128和/或后缘130)提供薄膜冷却。支撑结构180可包括能够相对于柄内表面154定位中空主体162的第一端部164的任何现在已知或以后开发的元件。支撑结构180可包括但不限于：格栅结构、直的或弧形的杆等。支撑结构180也可经由增材制造一体形成。
冲击冷却结构160还可包括多种任选的可供选择的一体式冷却特征。在一个示例中，冲击冷却结构160可任选地形成为具有变化的壁厚。变化的壁厚可有利于例如适应冲击冷却结构160与更热的翼状主体122、柄148和/或平台150之间的不同的CTE。如图5所示，翼状主体122、柄148和/或平台150可具有多种壁厚，并且可在其范围内具有变化的厚度。图7示出了与翼状主体122、平台150或柄148相邻的冲击冷却结构160的一部分的放大局部剖视图。如上所述，在某些实施方案中，如图7所示，中空主体162可包括在其内部表面(168)与其外部表面(170)之间具有第一壁厚W1的至少一个第一部分182，和在其内部表面(168)与其外部表面(170)之间具有第二壁厚W2的至少一个第二部分184。在所示的示例中，第一壁厚W1大于第二壁厚W2。可在冲击冷却结构160中提供任何数量的较厚部分182和/或较薄部分184。部分182、184的厚度可以是满足该位置的结构和/或热要求所需的任何尺寸。
在另一个示例性任选结构中，可能期望和/或需要附加支撑件以相对于内表面132、154对一体式冲击冷却结构160进行支撑。例如，在冲击冷却结构160的壁厚较薄的部分184(图7)处可能期望和/或需要附加支撑件。为此，如图7所示，涡轮转子叶片120还可在具有较薄壁厚W2的至少一个部分184中包括位于中空主体162的外部表面170上的支撑件186。支撑件186可与中空主体162(以及涡轮转子叶片120的其余部分)一体形成，以在中空主体162的第一端部164(图5)与第二端部166之间将中空主体162的外部表面170与例如翼状内表面132间隔开。可在较薄的壁部分184中提供任何数量的支撑件186。支撑件186可包括穿过其的通道188，该通道与多个冷却通道172中的一个冷却通道流体连通，即，以允许冷却剂流136穿过其中并冲击内表面132、154。在某些实施方案中，无论壁厚如何，涡轮转子叶片120可包括在中空主体162的外部表面170上的支撑件189。支撑件189可与中空主体162(以及涡轮转子叶片120的其余部分)一体形成，以在中空主体162的第一端部164(图5)与第二端部166之间将中空主体162的外部表面170与例如翼状内表面132间隔开。支撑件186、189可采用任何如下形式：该形式允许减小翼状主体122的较热的外壁124、126与较冷的冲击冷却结构160之间的应力，提供任何必要的热膨胀，提供结构支撑，和/或将中空主体162与内表面132、154以所需的方式间隔开。支撑件186、189可具有任何所需的尺寸和/或形状，诸如但不限于：管、杆等。
图8示出了另一个另选的实施方案的放大剖视图，该另选的实施方案包括加强构件190，该加强构件围绕冷却通道172中的至少一个冷却通道。加强构件190可包括任何结构加强构件，诸如较厚的壁等。如图4所示，某些实施方案还可包括一体形成到中空主体162的内部表面168的加强肋192。可提供任何数量的加强肋192，并且每个加强肋可延伸中空主体162所需的任何径向长度。支撑件186、189、加强构件190和/或加强肋192可经由增材制造与涡轮转子叶片120的其余部分一体形成。
图9示出了涡轮转子叶片120的剖视图，该涡轮转子叶片包括一体式冲击冷却结构160和另外的任选的供选择的一体式冷却特征结构。在一个另选的实施方案中，冲击冷却结构160可任选地形成为与内表面132、154之间具有变化的间距Z。间距Z可被定制为在各个位置处提供所需的Z/D参数和所需的冷却。例如，涡轮转子叶片120可具有多个高热负荷区域195，即与叶片的其他区域相比经受更高温度并且需要更多冷却的区域。在所示的示例中，高热负荷区域195包括以下区域：靠近前缘128(195A)的区域、靠近后缘130(195B)的压力侧外壁124、以及前缘128(195C)下游的抽吸侧壁126。在高热负荷区域195处，可在一体式冲击冷却结构160与高热负荷区域195处的内表面132、154之间采用第一间距Z1，而在不具有此类高热负荷的其它位置处采用较大的第二间距Z2。这样，在必要时(即，在高热负荷区域195处)可使用第一间距Z1提供更多的冷却，其中冲击冷却结构160与内表面132、154之间的间距增大，至用于较低热负荷区域的较大的第二间距Z2。如图9所示，较大的第二间距Z2可允许冷却剂流136在其朝后缘130向下游移动时限制或减少吸热，从而允许冷却剂流136更冷并且对下游区域(例如，蛇形冷却通道200和/或销组206(本文所述))具有更大的吸热能力。间距Z1与Z2之间的过渡可以以任何所需的速率进行，例如在相对长的距离内逐渐进行，在特定位置处突然进行，或以两者间的任何速率进行。第二间距Z2可为从(例如)第一间距Z1的1.01倍至3.00倍之间的任何值。可为每个关注区域定制Z/D参数。如上所述，在一个示例中，Z/D在约1至约10的范围内。在另一个示例中，Z/D可在约2至约6的范围内。冷却通道172的直径D还可被构造为为不同区域定制Z/D参数。
图9还示出了包括位于内表面132上的一个或多个后冲击目标特征结构196的涡轮转子叶片120。后冲击目标特征结构196可包括内表面132上的任何现在已知或以后开发的结构以促进冷却。在所示的示例中，冲击目标特征结构192包括凸块，但它们可包括任何结构。在一种情形下，中空主体162可包括局部凸起198以匹配冲击目标特征结构196的轮廓，因而保持间距Z(即，如图所示的Z1)。虽然示出了两对目标特征结构196和突起198，但可采用任何数量。在一个实施方案中，后冲击目标特征结构196还可任选地包括另外的一体式冷却特征结构，诸如但不限于膜冷却孔199。膜冷却孔199引导冷却剂流136，利用后冲击目标特征结构196(即，其内表面132)进行后冲击，以在侧壁124、126上方形成冷却膜201。可在每个后冲击冷却特征结构196内施加任何数量的膜冷却孔199。
图10示出了沿图4中视线10-10的第一径向剖视图，而图11示出了沿图4中视线11-11的第二径向剖视图，后者位于与图10略微不同的平面中并且在相反的方向上。如图10所示，在某些实施方案中，中空主体162具有弦向宽度WC1，该弦向宽度在靠近顶端140处比在柄148处更小。大多数常规的冲击插入件具有相反的弦宽布置，以允许它们插入穿过翼状主体的开放末端。另外，中空主体162可在其径向跨度(图10和图11的页面上下方向)上具有交替的较宽和较窄的弦向宽度WC1。因此，中空主体162的轴向后端194可沿着中空主体162的径向跨度在弦向位置上变化。这样，冲击冷却结构160可具有在其径向跨度上方弯曲以与翼状内表面132和/或柄内表面154(图5)均匀间隔开的形状(弦向宽度WC1)，而这与后者的形状如何无关。常规的冲击插入件并不能提供此类特征结构。
如图4、图10和图11所示，翼状主体122还包括从中空主体162后方的翼状内表面132朝着后缘130延伸的至少一个弦向延伸的蛇形冷却通道200。如最佳地在图10和图11中所示，每个弦向延伸的蛇形冷却通道200可具有相同的弦向宽度WC2，例如，其短于中空主体162的弦向宽度WC1。翼状主体122还可包括延伸穿过后缘130(即，从蛇形冷却通道200延伸)的多个径向间隔开的后缘冷却通道202。该多个后缘冷却通道202中的每一个后缘冷却通道具有相同的弦向宽度WC3，即，沿着涡轮转子叶片120的径向跨度。如图10和图11所示，后缘冷却通道202与蛇形冷却通道200之间的间距204具有变化的弦向宽度WC4，即，沿着涡轮转子叶片120的径向跨度。涡轮转子叶片120还可以包括销组206，该销组位于多个后缘冷却通道202的前端(图10中的右侧，图11中的左侧)与弦向延伸的蛇形冷却通道200的后端(图10中的左侧，图11中的右侧)之间。因此，如图10至图11所示，销组206可沿其径向跨度具有变化的弦向宽度WC4。图10和图11示出了多种冷却特征，包括但不限于：经由开口208的膜冷却、经由冲击冷却结构160的主弦冲击冷却、经由蛇形冷却通道200的后缘130附近的冷却、以及经由销组206的后缘130销组冷却。
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(诸如本文所述的与涡轮转子叶片120相关的那些)，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物件成形所需的材料。增材制造技术通常包括采用待形成的部件(例如涡轮转子叶片120)的三维计算机辅助设计(CAD)文件，以电子方式将该部件切成层(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，使得可通过不同类型的增材制造系统来构建该部件。在增材制造的3D打印、快速原型(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。虽然也可采用诸如铸造的其他制造工艺，但是可有利地通过增材制造来制造涡轮转子叶片120。
在金属粉末增材制造技术诸如直接金属直接激光熔融(DMLM)(也称为选择性激光熔融(SLM))、直接金属激光烧结(DMLS)、选择性激光烧结(SLS)、电子束熔融(EBM)以及可能的其他形式的增材制造中，金属粉末层顺序地熔融在一起以形成部件。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。为了更快地形成某些更大的叶片，一些金属增材制造系统采用一起工作而形成叶片的一对高功率激光器。此处，制造涡轮转子叶片120的方法可包括顺序地产生材料层并施加热源以烧结该材料层，从而形成本文所述的结构。因此，增材制造产生包括多个一体式材料层的翼状主体122、顶端140、柄148和冲击冷却结构160。
涡轮转子叶片120可由金属制成，该金属可包括纯金属或合金，能够承受所应用的环境。在一个示例中，该金属可包括几乎任何非反应性金属粉末，即非爆炸或非导电粉末，诸如但不限于：钴铬钼(CoCrMo)合金、不锈钢、奥氏体镍-铬基合金诸如镍-铬-钼-铌合金(NiCrMoNb)(例如，Inconel 625或Inconel 718)、镍-铬-铁-钼合金(NiCrFeMo)(例如，可购自哈氏合金国际公司(Haynes International,Inc.)的
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X)或镍-铬-钴-钼合金(NiCrCoMo)(例如，可购自哈氏合金国际公司(Haynes International,Inc.)的Haynes282)等。在另一个示例中，该金属可包括几乎任何金属，诸如但不限于：工具钢(例如，H13)、钛合金(例如，Ti6Al4V)、不锈钢(例如，316L)、钴-铬合金(例如，CoCrMo)和铝合金(例如，AlSi10Mg)。
与常规冲击插入件相比，中空主体162的第一端部164一体形成到柄内表面154，即，经由增材方式制造。因此，中空主体162的外部表面170可被制成在中空主体162的第一端部164与第二端部166之间与内表面均匀地间隔开，而与(例如)翼状内表面132和/或柄内表面154的曲率无关。另外，中空主体162可具有围绕其整个周边和径向跨度的冷却通道172，以在整个叶片上而不仅仅是在其前缘处提供冲击冷却。因此，一体式冲击冷却结构160允许在没有做出通常与冷却插入件相关联的牺牲的情况下实现最大冲击覆盖率，并且可具有多个可变冷却特征。例如，涡轮转子叶片120可具有：冲击冷却结构160的可变弦向宽度(即，宽度WC1)或结构160后面的销轴组206的可变弦向宽度(即，WC4)、定制的冲击冷却结构160、用于不同冷却和/或结构负载的不同壁厚，以及不同的支撑件186、189，以解决翼状主体122与冲击冷却结构160之间不同的热膨胀系数(CTE)。还可围绕每个冷却通道172提供并定制另外的冷却特征结构，诸如湍流器(未示出)，以优化冲击冷却。如相对于图10至图11所描述的，涡轮转子叶片120还可包括通过后缘130的轴向排气。
C.具有非线性构造的冷却通道的平台
参见图12至图18，示出了根据本公开的实施方案的另一个一体式特征结构。类似于先前的实施方案，涡轮转子叶片120可包括翼状主体122，该翼状主体具有用于接收冷却剂流136的径向延伸室134。如最佳地在图3和图10至图13中所示，平台150相对于翼状主体122横向向外延伸并且终止于至少一个斜面230(例如，图11、图12)。图12示出平台150的压力侧232的透视透明视图，并且图13示出平台150的抽吸侧231的俯视透明视图。如图12和图13所示，冷却回路234位于平台150内并且与冷却剂源236流体连通。冷却剂源236可采取多种形式中的任一种。在一个示例中，涡轮转子叶片120包括径向延伸室134中的冲击冷却结构160，用于冷却回路234的冷却剂源236可在穿过冲击冷却结构160之后提供冷却剂，即该冷却剂是后冲击冷却剂。在另一个实施方案中，冷却剂源236可以是径向延伸室134。例如，在未设置冲击冷却结构160或该冲击冷却结构被设置在平台150的径向外侧的情况下，用于冷却回路234的冷却剂源236可直接从径向延伸室134提供冷却剂。也可使用冷却剂236的其他源，例如相邻涡轮转子叶片120的柄148之间的叶轮空间部分。冷却回路234可采用任何现在已知或以后开发的形式。在图13所示的示例中，冷却回路234包括穿过平台150的正弦路径。相比之下，在图12中，冷却回路234包括弯曲路径(elbow path)。冷却回路234可具有不太复杂的路径或更加复杂的路径，并且可在需要的地方延伸以冷却平台150。
涡轮转子叶片120还包括从冷却回路234穿过斜面230的表面242的冷却通道240，即冷却斜面230和其他结构。冷却通道240在平台150中并且与冷却回路234流体连通。与常规的线性冷却通道相比，冷却通道240以非线性构型从冷却回路234延伸，穿过平台150的至少一个斜面230离开，从而提供与线性冷却通道相比改善的冷却。例如，在图12中，冷却通道240具有(平缓的)弯曲形状。可采用任何数量的冷却通道240来提供所需的冷却。此外，它们可具有任何期望的均匀或不均匀的横截面形状，并且可均匀或不均匀地间隔开，以提供期望的冷却。通过(例如)增材制造使非线性构型成为可能。如上所述，翼状主体122和平台150(包括限定冷却通道240的部件)可包括多个一体式材料层。
图14示出了斜面230的放大剖视图。在一些实施方案中，如图14所示，斜面230可包括延伸构件244。延伸构件244可限定阻尼器销座246，该阻尼器销座被构造成接收阻尼器销248(以虚线显示)，该阻尼器销与相邻的涡轮转子叶片的阻尼器销座(未示出)密封。在提供冷却通道的情况下，冷却通道240可延伸穿过延伸构件244。就这一点而言，冷却通道240可具有非线性构型，该非线性构型从冷却回路234径向向外并围绕阻尼器销座246延伸到斜面230的外表面242，即，呈现比图12更尖锐或转向更多的弯曲形状。
冷却通道240可采用多种非线性构型中的任一种来提供所需的冷却。非线性构型(例如弯曲形状)可在平台150内的任何所需方向上延伸，例如径向(向内或向外)、轴向(向后或向前)或周向(顺时针或逆时针)或这些方向的组合。冷却通道240可全部具有相同的形状以在设置其的每个位置处提供相同的冷却特性，或者它们可在平台150内在变化形状从而为设置这些冷却通道的每个位置提供定制的冷却。除了图12和图13所示的弯曲形状之外，在图15所示的另一个实施方案中，冷却通道240可具有螺旋(螺旋件)形状，即，具有多个螺旋线圈250。可将任何数量的螺旋线圈250用于每个冷却通道240。如图13和图16所示，冷却通道240可具有沿第一方向FD的至少一个第一转弯252(图16)和沿相反的第二方向SD的至少一个第二转弯254(图16)，从而形成大致之字形的路径。可将任何数量的第一转弯252和第二转弯254(图16)用于每个冷却通道240。如图16的左侧所示，每个转弯252、254的幅度A可以是一致的，以便与相同幅度A的该至少一个第一转弯和第二转弯形成正弦形状。另选地，如图16的右侧所示，每个转弯252、254的幅度可以是不一致的，以便与转弯252、254形成更随机的之字形路径。同样如图16的右侧所示，每个冷却通道240的入口260和出口262不需要对准。在图17所示的另一个实施方案中，冷却通道240可具有多个分支264，例如像树一样。可采用任何分支构型。
图18示出了一个实施方案，其中冷却通道240具有弯曲形状，例如，与图12相比，在平台150内的该形状更平坦。图18还示出了冷却通道240的出口262可以以非90°的角度α与平台150的斜面230相交。在实施方案中，角度α小于15°。角度α是可定制的，以向平台150提供所需的冷却和/或向斜面230提供膜冷却。虽然是单独示出，但冷却通道的示例或其多个方面中的任一个可与其它示例组合。
冷却回路234和冷却通道240可单独设置在平台的压力侧232中(仅图13)，单独设置在平台150的抽吸侧231中(仅图12)，或者设置在平台150的两侧231、232中(图12至图13)。如果冷却回路和冷却通道仅设置在平台150的一侧上，则任何其他常规结构可设置在平台的另一侧上。在后一种情况下，如图12和图13共同所示，冷却回路234可包括在平台150的抽吸侧231中的第一部分234SS和在平台150的压力侧232上的第二部分234PS。部分234SS和部分234PS可以是分离的或流体联接的。就这一点而言，斜面230包括抽吸侧斜面230SS和压力侧斜面230PS。此处，平台150中的冷却通道240可包括：与冷却回路的第一部分234SS流体连通并离开抽吸侧斜面230SS的至少一个第一冷却通道240，以及与冷却回路234的第二部分234PS流体连通并离开压力侧斜面230PS的至少一个第二冷却通道240。
与常规钻孔的线性冷却剂通道相比，非线性冷却通道240允许在平台150中需要的地方引导冷却剂。冷却剂通道140的增材制造允许它们具有各种各样的非线性构型，这些非线性构型在必要时引导冷却并且通过其形状提供增强的冷却。
D.具有冷却剂传送通道的天使翼
参见图2和图19至图22，根据本公开的实施方案的另一个一体式特征部包括具有冷却剂传送通道的天使翼280。图19示出了穿过包括天使翼280的涡轮转子叶片120的径向横截面，图20示出了包括天使翼280的涡轮转子叶片120的透明透视图，图21示出了包括天使翼280的一组涡轮转子叶片120A-C的轴向视图，并且图22示出了包括天使翼280的涡轮转子叶片120的俯视图。进一步参照图21，一组涡轮转子叶片包括：第一涡轮转子叶片120A、第二涡轮转子叶片120B和第三涡轮转子叶片120C(统称为或单独地称为涡轮转子叶片120)。第一涡轮转子叶片120A定位在第二涡轮转子叶片120B与第三涡轮转子叶片120C之间。在该实施方案中，如图19至图20所示，每个涡轮转子叶片120可包括翼状主体122，该翼状主体包括沿着前缘128和后缘130(图3)连接的凹形压力侧外壁124(图3)和凸形抽吸侧外壁126(图3)。涡轮转子叶片120还可包括在翼状主体122的径向内端152处的柄148。此外，涡轮转子叶片120包括从柄148的至少一个侧面282、284横向延伸的至少一个天使翼280。
如图2中的一个喷嘴-叶片界面所示，在相邻的喷嘴112与涡轮转子叶片120之间的界面处存在开口286，该开口可允许热加工流体离开热气体路径并进入涡轮108的叶轮空间300。为了限制这种热气体泄漏，涡轮转子叶片120通常包括轴向突出的天使翼密封件280，也可简称为“天使翼”。天使翼280与从喷嘴112延伸的突出段或“阻挡件(discourager)”288配合。天使翼280与阻挡件288重叠(或几乎重叠)，但彼此不接触，从而限制流体流动。
转到图19至图22，根据本公开的实施方案，涡轮转子叶片120还可包括通过至少一个天使翼280限定的冷却剂传送通道290。例如，对于第一涡轮转子叶片120A(图21)，冷却剂传送通道290与第一叶轮空间部分292和第二叶轮空间部分294流体联接，该第一叶轮空间部分被限定在柄148A(图21)与第一相邻涡轮转子叶片120B的第一相邻柄148B(图21)之间，该第二叶轮空间部分被限定在柄148A(图21)与第二相邻涡轮转子叶片120C的第二相邻柄148C(图21)之间。如通过观察图2、图21和图22最佳所示，每个叶轮空间部分292、294都是叶轮空间300的一部分。叶轮空间300被限定为：周向地限定于相邻的涡轮转子叶片120A-C的柄148A-C(图21)之间，轴向地限定于柄148与相邻喷嘴112之间，并且由平台150和转子盘147径向地限定。叶轮空间部分292、294是轴向地位于特定叶片的柄148旁边的叶轮空间300的部分。
如最佳地在图22中所示，冷却剂传送通道290包括与第一叶轮空间部分292流体连通的第一开口端310和与第二叶轮空间部分294流体连通的第二开口端312。因此，冷却剂传送通道290允许叶轮空间冷却剂316从柄148的周向相对侧上的叶轮空间部分292、294之间通过。第一开口端310和第二开口端312可相对于翼状主体122面向轴向-周向方向，或面向将允许叶轮空间冷却剂316从叶轮空间部分292、294之间通过的任何方向。叶轮空间冷却剂316可以是任何现在已知或以后开发的冷却剂，例如来自压缩机102(图1)的冷却剂。如前所述，翼状主体122的外壁124、126限定可延伸到柄148中的径向延伸室134。如图22所示，冷却剂传送通道290与径向延伸室134流体隔离，即，来自室134的冷却剂流136(图4)不与叶轮空间冷却剂316混合。
可采用任何数量的天使翼280。在一个示例中，如图19、图20和图22所示，第一天使翼280从柄148的第一侧282横向延伸，并且第二天使翼280从柄148的相反的第二侧284横向延伸。在另一个示例中，如图23所示，第一对径向间隔开的天使翼280可从柄148的第一侧282横向延伸，并且都不从柄148的侧284延伸。在另一个实施方案中，如图24所示，第一对径向间隔开的天使翼280可从柄148的第一侧282横向延伸，并且第二对径向间隔开的天使翼280可从柄148的相反的第二侧284横向延伸。在任何情况下，每个天使翼280可包括相应的冷却剂传送通道290。另选地，虽然示出的每个天使翼280都包括冷却剂传送通道290，但选择性天使翼可不包括冷却剂传送通道。
冷却剂传送通道290允许叶轮空间冷却剂316(图22)在叶轮空间部分292、294之间移动，允许冷却天使翼280，并且减少涡轮转子叶片120的重量。
E.具有格栅支撑结构的中空叶片安装架
参见图19、图20、图25和图26，根据本发明的实施方案的另一个一体式特征结构包括中空叶片安装座146。在该实施方案中，提供了根部144，其包括柄148，该柄具有限定在其中的径向延伸室134。叶片安装座146位于柄148的径向内端处。与许多常规叶片安装座相比，叶片安装座146具有(例如)由叶片安装座146的内壁表面344限定在该叶片安装座中的中空内部330。中空内部330与径向延伸室134流体连通。中空内部330可具有任何所需的内部形状，例如，如图25所示径向膨胀。叶片安装座146可具有被构造用于安装到与转子110(图2)联接的转子轮147(图21)的任何现在已知或以后开发的外部形状，例如燕尾形或杉树形。
涡轮转子叶片根部144还可包括设置在叶片安装件146的中空内部330内的格栅支撑结构340。格栅支撑结构340可采用多种中空支撑结构形式。在一个示例中，格栅支撑结构340可包括多个径向延伸的V形区段342。V形区段342可与叶片安装座146的内壁表面344一体形成。根部144(包括柄148和叶片安装架146，包括格栅支撑结构340)可通过增材制造制成。因此，柄148和叶片安装座146可包括多个一体式材料层。
如本文相对于图12至图18所述，根据该实施方案的根部144(即，具有格栅支撑结构340)也可包括平台150。如上所述，平台150定位在柄148的径向外侧并且相对于柄横向向外延伸，终止于至少一个斜面230。平台150可包括冷却回路234，该冷却回路被限定在平台内并且与冷却剂流的源(例如，径向延伸室134)流体连通。冷却通道240(图12至图18)可被限定在平台150中并且与冷却回路234流体连通。如上所述，冷却通道240从冷却回路234以非线性构型延伸，穿过平台的斜面230离开。斜面230可包括冷却通道240延伸穿过的延伸构件244。冷却通道240可具有：螺旋形状(图15)；沿第一方向的至少一个第一转弯和沿相反的第二方向的至少一个第二转弯(图16)；多个分支(图17)；或弯曲形状(例如，图12、图14、图18)。
如本文相对于图19至图24所述，根据该实施方案的根部144(即具有格栅支撑结构340的根部)还可包括从柄148的至少一侧横向延伸的天使翼280。如上所述，可通过天使翼280限定冷却剂传送通道290。如图21所示，冷却剂传送通道290与第一叶轮空间部分292和第二叶轮空间部分294流体联接，该第一叶轮空间部分被限定在柄148A与第一相邻涡轮转子叶片根部144B的第一相邻柄148B之间，该第二叶轮空间部分被限定在柄148A与第二相邻涡轮转子叶片根部144C的第二相邻柄148C之间。冷却剂传送通道290包括与第一叶轮空间部分292流体连通的第一开口端310和与第二叶轮空间部分294流体连通的第二开口端312。如图22所示，第一开口端310和第二开口端312可相对于柄148面向周向方向。冷却剂传送通道290可与柄148中的径向延伸室134流体隔离。
如本文所述，根据该实施方案的根部144(即具有格栅支撑结构340的根部)也可包括平台150和天使翼280两者。增材制造允许形成具有柄148、中空叶片安装架146、格栅支撑结构340和平台150和/或天使翼280的根部144，从而为所提供的任何特征结构产生多个一体式材料层。
包括位于叶片安装座146的中空内部330中的一体式格栅支撑结构340的根部144提供了较轻的涡轮转子叶片120以及对叶片安装座146的附加冷却。
虽然本文已将各种实施方案描述并示出为一起使用，但应当理解，所述各种实施方案可单独使用或以组合方式使用。
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。这里以及整个说明书和权利要求书中，范围限制可以可以组合和/或互换。除非上下文或语言另有说明，否则这些范围被识别并包括其中包含的所有子范围。应用于范围的特定值的“大约”适用于两个终止值，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 (15)

1.一种涡轮转子叶片(120)，包括：
翼状主体(122)，所述翼状主体包括沿着前缘和后缘(128,130)连接的凹形压力侧外壁(124)和凸形抽吸侧外壁(126)，所述外壁(124,126)具有翼状内表面(132)，所述翼状内表面限定用于接收冷却剂(236)流的径向延伸室(134)；
顶端(140)，所述顶端在所述翼状主体(122)的径向外端(142)处；
柄(148,148A)，所述柄在所述翼状主体(122)的径向内端(152)处，所述径向延伸室(134)至少部分地延伸到所述柄(148,148A)中以限定柄内表面(154)；和
冲击冷却结构(160)，所述冲击冷却结构在所述径向延伸室(134)内，所述冲击冷却结构(160)包括：
中空主体(162)，所述中空主体包括第一端部(164)、第二端部(166)、内部表面(168)和外部表面(170)，
多个冷却通道(172)，所述多个冷却通道穿过所述中空主体(162)并且与所述径向延伸室(134)流体连通，以允许所述冷却剂(236)流从所述中空主体(162)的所述内部表面(168)通过以至少冲击到所述翼状内表面(132)上，
其中所述中空主体(162)的所述第一端部(164)与所述柄内表面(154)一体形成，并且
其中在所述中空主体(162)的所述第一端部(164)与所述第二端部(166)之间所述中空主体(162)的所述外部表面(170)与所述翼状内表面(132)均匀地间隔开。
2.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片(120)，其中所述中空主体(162)的所述第二端部(166)一体地形成到所述顶端(140)的内表面(176)。
3.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片(120)，其中所述中空主体(162)的所述第一端部(164)从所述中空主体(162)的所述第一端部(164)与所述柄内表面(154)的汇合位置(174)基本上沿径向方向延伸。
4.根据权利要求3所述的涡轮转子叶片(120)，其中所述柄内表面(154)的至少一部分从所述中空主体(162)的所述第一端部(164)与所述柄(148,148A)的所述汇合位置(174)相对于所述径向方向以一定角度延伸。
5.根据权利要求3所述的涡轮转子叶片(120)，还包括位于所述柄(148,148A)与所述翼状主体(122)的所述径向内端(152)之间的平台(150)，所述平台(150)相对于所述柄(148,148A)横向向外延伸，并且
还包括在所述中空主体(162)的所述第一端部(164)与所述柄内表面(154)之间的支撑结构(180)，所述支撑结构(180)在所述汇合位置(174)径向向外定位并且在平台(150)径向向内定位。
6.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片(120)，还包括位于所述柄(148,148A)与所述翼状主体(122)的所述径向内端(152)之间的平台(150)，所述平台(150)相对于所述柄(148,148A)横向向外延伸，并且
其中所述中空主体(162)的所述第一端部(164)沿所述平台(150)径向向内地一体形成到所述柄内表面(154)。
7.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片(120)，其中所述中空主体(162)包括至少一个第一部分(234SS)和至少一个第二部分(234PS)，所述至少一个第一部分在所述中空主体的所述内部表面(168)与所述外部表面(170)之间具有第一壁厚，所述至少一个第二部分在所述中空主体的所述内部表面(168)与所述外部表面(170)之间具有第二壁厚，所述第一壁厚大于所述第二壁厚。
8.根据权利要求7所述的涡轮转子叶片(120)，还包括在所述至少一个第二部分(234PS)中的所述中空主体(162)的所述外部表面(170)上的支撑件(186,189)，所述支撑件具有所述第二壁厚，所述支撑件(186,189)与所述中空主体(162)一体形成，以在所述中空主体(162)的所述第一端部(164)与所述第二端部(166)之间将所述中空主体(162)的所述外部表面(170)从所述翼状内表面(132)间隔开(204)，
其中所述支撑件(186,189)包括穿过其中的通道，所述通道与所述多个冷却通道(172,240)中的一个冷却通道流体连通。
9.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片(120)，还包括所述中空主体(162)的所述外部表面(170)上的支撑件(186,189)，所述支撑件(186,189)与所述中空主体(162)一体形成，以在所述中空主体(162)的所述第一端部(164)与所述第二端部(166)之间将所述中空主体(162)的所述外部表面(170)从所述翼状内表面(132)间隔开(204)。
10.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片(120)，还包括围绕所述多个冷却通道(172,240)中的至少一个冷却通道的加强构件(190)。
11.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片(120)，其中所述翼状主体(122)、所述顶端(140)、所述柄(148,148A)和所述冲击冷却结构(160)包括多个一体材料层。
12.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片(120)，其中所述中空主体(162)具有弦向宽度，所述弦向宽度在靠近所述顶端(140)处比在所述柄(148,148A)处更大。
13.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片(120)，还包括一体形成到所述中空主体(162)的所述内部表面(168)的加强肋(192)。
14.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片(120)，其中穿过所述中空主体(162)并与所述径向延伸室(134)流体连通的所述多个冷却通道(172,240)围绕所述中空主体(162)的整个周边范围延伸。
15.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片(120)，其中所述中空主体(162)的轴向后端(194)沿所述中空主体(162)的径向跨度在弦向位置上变化，并且
其中所述翼状主体(122)还包括从所述中空主体(162)后方的所述翼状内表面(132)朝所述后缘(130)延伸的至少一个弦向延伸的蛇形冷却通道(172,240)，其中每个弦向延伸的蛇形冷却通道(172,240)具有相同的弦向宽度。
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