CN1313706C - 用于工业燃气涡轮发动机的可冷却的转子叶片 - Google Patents

Abstract

公开了一种具有带二个蛇形通道的翼面的可冷却的转子叶片。开发了各种结构细节以为翼面的前缘区域和后缘区域提供冷却。在一个具体的实施例中，除了最接近翼面边缘区域的支管外，在通道的大多数支管中均具有设于通道中的在各支管上具有恒定高度和恒定间距的翼面湍流条。

Description

用于工业燃气涡轮发动机的可冷却的转子叶片

技术领域

本发明涉及一种用于工业燃气涡轮发动机的可冷却的翼面结构，更具体地涉及可为翼面的关键部位提供冷却流体如空气的结构。

背景技术

用于飞行器的燃气涡轮发动机具有通常应被冷却以降低热应力的转子叶片。应力的降低为转子叶片提供了令人满意的结构完整性和疲劳寿命。已经开发了用于叶片内部的非常复杂的冷却设计，其采用蛇形通道来为冷却流体如空气提供流动路径。

在这种应用中通常使用传热特征件如湍流条(trip strip)来形成湍流流动。湍流条的设计较为复杂，其在湍流条高度、连续性以及通向此通道的冷却流的角度方面具有多种变化。虽然这些设计已大体上被证明可应用于整个翼面，然而它们集中在提高翼面的一个很小区域内的传热的微观水平。在授予Lee的题为“用于燃气涡轮发动机的翼面的冷却通道的湍流器结构”的美国专利5738493、授予Kercher的题为“具有可变结构的湍流器的涡轮叶片”的美国专利5695321以及授予Lee的题为“倾斜的湍流促进器”的美国专利4514144中公开了这种设计的一些例子。

这些传热特征件提高了翼面结构将热量传递给在翼面中流过的冷却流体的能力。一个量度是结构的传热效率，它是在给定流量和温度下通道的一部分穿过限制了支管的壁之间的基准温度差而将热量传递给在支管中流动的冷却流体的能力。在给定操作条件下增大湍流条高度或者减小湍流条之间的间距可以提高传热效率，同时在流体经过特征件时驱动流体的压力的损耗增大。用于检测相关结果的一个方便的参数为正规化的湍流条高度-间距比，即湍流条高度除以间距并乘以100。

虽然已经开发出这些用于翼面内的较小区域的特定构件，然而问题在于如何以一种可促进传热同时又不会令人无法接受地增加制造成本的方式来使用它们。所关注的一个方面是用于工业燃气涡轮发动机的翼面，由于与飞行器的燃气涡轮发动机相比工业燃气涡轮发动机的操作条件没有那么恶劣，因此它没有如传统那样采用复杂的设计。

US5435215公开用于工业燃气涡轮发动机的转子叶片，具有一些蛇形通道，具有位于在通道的侧壁上的湍流条。也教导传热系数可以由改变湍流条的高度-间距比来改善。

另外，EP093196A2公开一个单一蛇形通道具有两个入口以及一个共有的出口，其中一个所述入口位于叶片的前缘区域，而另一个所述入口位于叶片的后缘区域。

因此，在本申请的受让人的指引下，科学家和工程师已在致力于开发出用于工业燃气涡轮发动机的翼面的整体冷却方案，其能够提供可令人接受的传热效率和制造成本。

发明内容

本发明部分地基于这样的认识，即工业燃气涡轮发动机的转子叶片在稳定状态的操作条件下承受最大的热负载，并具有与这些最大热负载相关的位置，这些位置在较长时期内在翼面上保持相对稳定。即使例如在管形或管环形燃烧室中流动路径的温度会产生周边差异，此位置也不会改变。因此，与飞行器的燃气涡轮发动机翼面相比，位置相对时间和温度来说保持相对固定。在飞行器的燃气涡轮发动机中，最大热负载通常发生在海平面起飞的情况下的过渡期中，其大小在稳定状态的航行情况下减小。这些情况下的最大热负载的大小和位置会因这些情况之间的不同冷却气流和由流动路径中的不同温度和气流速度引起的在翼面上的具有不同流动路径的热负载而在翼面上发生变化。这就使得能对工业燃气涡轮发动机的内部冷却通道进行更多的改进，并在设计中提供了一些灵活性，允许形成一种与飞行器的燃气涡轮发动机翼面相比更容易制出的叶片。与必须适应操作条件之间最大热负载的位置会发生变化的飞行器发动机翼面相比，这种改进可以通过例如减小湍流条阵列设计的差异来在工业发动机的翼面中实现。另外，本发明部分地基于这样的认识，对于一个已知应用的工业燃气涡轮翼面来说，最大热负载发生在前缘区域和后缘区域处，这种燃气涡轮具有包括两个蛇形通道的翼面，各通道具有三个顺序相连的沿翼展方向的支管，用于使冷却空气从中间区域流动到前缘区域。冷却空气流到各蛇形通道中与翼面的相关边缘区域最接近的第三支管中，并经第三支管从蛇形通道中排出。在此已知的结构中，在蛇形冷却空气通道和前缘之间设置了前缘冷却空气通道。

根据本发明，用于工业燃气涡轮发动机的可冷却的转子叶片具有包括两个蛇形通道的翼面，各通道具有三个串联的沿翼展方向的支管，用于使冷却空气从中间区域流动到翼面的相关边缘区域，其中各蛇形通道的各个支管在此支管的至少一部分上具有大于前一支管的湍流条高度-间距比，从而在各蛇形通道内的冷却空气移动到更接近翼面的相关边缘区域时使各下游支管的传热效率增大到比上游支管的传热效率更大，而且各蛇形通道的各个支管的湍流条阵列具有恒定间距(除了沿着通道排出冷却空气的最后的支管外)，从而可促进制造和检查的容易性，同时使边缘区域的散热强于中间区域的散热。

根据一个实施例，前蛇形通道和后蛇形通道的第三支管在此第三支管的至少一部分上具有比其它支管更大的湍流条高度。

根据本发明，前蛇形通道和后蛇形通道的第三支管在此第三支管的至少一部分上具有比第二支管更大的湍流条高度和正规化的高度-间距比，这样，在冷却空气流沿下游方向前进时可使第三支管和第二支管之间的传热效率的增加大于第二支管和第一支管之间的传热效率的增加。

根据一个实施例，两个蛇形通道的第三支管均具有可接收来自第二支管的冷却空气的第一部分和位于第一部分外侧的第二部分，第二部分具有比第一部分更大的湍流条高度和湍流条高度-间距比，第二支管的湍流条高度或者湍流条高度-间距比较第一支管更大，从而连续地增大了下游方向的第二和第三支管的传热效率。

根据一个实施例，具有湍流条阵列的各蛇形通道的第一和第二支管的湍流条高度和湍流条高度-间距比在整个第一支管或整个第二支管上并未增大。

根据一个实施例，转子叶片具有设置于前缘和最前方蛇形通道的第三支管之间的第三通道，第三通道具有与叶根相邻的第一部分和与叶尖相邻的第二部分，第二部分具有比第一部分更大的湍流条高度和湍流条高度-间距比。

本发明的一个主要特征是具有前蛇形通道和后蛇形通道的可冷却的翼面，并在中间区域中设有入口支管，中间区域在前蛇形通道中带有湍流条但在后蛇形通道中并未带有湍流条。另一特征是各通道的支管内的湍流条高度，对多数支管来说此高度在支管长度上是不变的。另一特征是各通道的支管内的湍流条间距，对多数支管来说此间距在支管长度上是不变的。还有的一个特征是在各支管间湍流条的高度存在差异，以及支管的传热效率沿下游方向连续地增大。还有的一个特征是湍流条的角度方位，其与限制了各蛇形通道的相邻结构形成锐角。在一个实施例中的另一特征是第三通道内的湍流条的角度方位，其在湍流条的上游侧与前蛇形通道的肋形成锐角。

本发明的一个主要优点在于翼面的成本，它是由在翼面冷却通道的多数支管上具有高度和间距相对稳定的湍流条的可冷却翼面的检查和制造的容易性所带来的。另一优点在于在操作条件下的翼面的耐用性，它是由在一些冷却负载从中间区域移动到前蛇形通道时可对翼面的前缘区域和后缘区域进行可接受的冷却以及用前缘通道来加强对前蛇形通道所冷却的区域的冷却所带来的。

根据本发明的下述详细介绍和附图，可以更加清楚本发明的上述特征和优点。

附图说明

图1是显示了处于安装状态下的工业燃气涡轮发动机的部分剖开的示意性透视图；

图2是用于图1所示工业燃气涡轮发动机的转子组件的透视图，其中转子组件被部分地剖开以显示转子轮盘和可冷却的转子叶片的一部分；

图3是图2所示转子叶片的侧剖视图，转子叶片被剖开以显示其内部；

图4是在翼面的约40％跨度处沿图3中线4-4的剖视图，其中显示了前蛇形通道、后蛇形通道和第三前缘通道，并显示了在翼弦方向延伸的平面内测量的通道的最小高度；

图5是一部分蛇形通道的示意性剖视图，显示了位于翼面上所选跨度位置处的与通道的各支管相邻的湍流条阵列，为简化起见略去了翼面的其余部分；

图6是图5所示通道的一部分的示意性剖视图，概略地显示了湍流条的相对高度与通道的最小高度；

图7是前蛇形通道和后蛇形通道的顺序相连的支管的以密耳为单位的湍流条高度和已乘了100的无量纲的湍流条高度-间距比的图形表示；

图8A和图8B是与图7的图形表示相似的前蛇形通道和后蛇形通道的图形表示，显示了相邻各通道的三个支管，并且形象地显示了以密耳为单位的湍流条高度和已乘了100的无量纲的高度-间距比；

图9是相对于冷却空气的流动路径向下游看去的一个通道的一部分的示意性局部透视图，显示了湍流条与相邻翼面结构以及与冷却空气流动路径的关系。

具体实施方式

图1是部分剖开的示意性透视图，显示了工业燃气涡轮发动机12的一个装配体10。装配体包括由箱体14表示的外壳，其具有使空气进入到箱体中的入口16和用于将用过的工作介质气体排出箱体的出口18。

工业燃气涡轮发动机12具有压缩段22、燃烧段24以及包括了自由涡轮(未示出)的涡轮段26。工业燃气涡轮发动机具有转子组件，其具有绕轴线A设置的轴(未示出)。轴将能量传递给压缩段，并将气体排到自由涡轮中以驱动此自由涡轮。自由涡轮通过第二轴28与机器如发电机32相连，从而将旋转的机械能量传递给发电机。

工作介质气体的流动路径34延伸穿过压缩段22、燃烧段24和涡轮段26。空气形式的工作介质气体流入到压缩段中，在此气体被压缩。大部分被压缩的工作介质气体(空气)流入到燃烧室中。空气在燃烧室中与燃料混合并燃烧，从而使气体的能量增加。热的高压工作介质气体通过涡轮段而发生膨胀，以驱动转子组件在压缩段内压缩气体，并且气体被排出以驱动自由涡轮。已压缩的工作介质气体(空气)的一小部分从压缩段流到涡轮段，用于冷却涡轮段中的关键部件。

图2是用于图1所示工业燃气涡轮发动机12的转子组件36的一部分的透视图。转子组件包括转子轮盘38以及与转子轮盘相接合的转子叶片42。转子叶片具有外部44和内部46。可冷却的转子叶片具有翼展方向Ds和翼弦方向Dc。在操作条件下可冷却的转子叶片延伸到热的工作介质流动路径34中。

冷却空气从压缩段22流到由冷却空气供应区48所表示的用于可冷却的转子叶片42的冷却空气源中。内部46适于接受冷却空气以为转子叶片提供冷却，从而将转子叶片的工作温度保持在形成转子叶片的材料的容许限值内。

可冷却的转子叶片具有内端52和外端54。转子叶片在其外端处具有叶尖区域56。转子叶片内端处的叶根58可使转子叶片与转子轮盘相接合。转子叶片包括平台62和沿平台向外延伸的翼面64。翼面具有正交于发动机轴线A的径向堆积线(未示出)。翼面由绕堆积线设置的多个沿翼弦方向延伸的翼面部分形成。

翼面64具有前缘66以及从前缘向后延伸的前缘区域68。翼面64还具有后缘72以及从后缘向前延伸的后缘区域74。后缘区域与前缘区域在翼弦方向上间隔开。翼面包括吸气侧壁76和压力侧壁78，它们均从前缘区域延伸到后缘区域。翼面具有中间区域82，其在前缘区域和后缘区域之间在翼弦方向和翼展方向上延伸。

图3是图2所示转子叶片42的侧视图，其被剖开以显示转子叶片的内部46。压力侧壁78在前缘区域68处与吸气侧壁76相连，形成了由前缘壁84所表示的沿翼展方向延伸的翼面结构。压力侧壁在后缘区域处与吸气侧壁相连，形成了沿翼展方向延伸的翼面结构，例如后缘壁86。压力侧壁在翼弦平面上与吸气侧壁相隔开，在它们中间留下了用于接受来自供给区的冷却空气的凹腔88。

转子叶片42具有用于冷却空气的前流动路径92和用于冷却空气的后流动路径94。叶根58具有沿翼弦方向延伸的叶根壁96，这些流动路径穿过此叶根壁而延伸。叶尖区域56具有叶尖壁98。由开口102，104，106表示的叶尖壁中的多个开口使转子叶片内部的冷却空气凹腔88与翼面64的外部44流体相通。后缘壁还具有多个冷却孔108，其沿大致翼弦方向延伸而穿过后缘壁，从而使凹腔与翼面的外部流体相通。

如图3所示，叶根具有第一冷却空气管道112，其可使叶片经供给区48与压缩段22流体相通。第一冷却空气管道具有第一腔室114，第一腔室的上游具有第一截面流动面积，第一腔室具有比第一截面流动面积更大的第二截面流动面积。叶根还具有具有第二冷却空气管道116，其还可使转子叶片与冷却空气源流体相通。第二冷却空气管道具有第二腔室118，第二腔室的上游具有第一截面流动面积，第二腔室具有比第一截面流动面积更大的第二截面流动面积。供给区以相同的压力为二个流动路径提供冷却空气。在一个备选实施例中，供给区可具有相互间隔开的前部和后部，并以不同的压力从压缩段中提供冷却空气。

图4是在翼面跨度S的约40％处(L1＝0.38S)沿图3中线4-4的剖面图。如图3和图4所示，转子叶片具有前蛇形通道122、后蛇形通道124和第三前缘通道126。图4显示了在不同的翼弦位置处(由1-7标出)测量的通道的最小高度Hm。最小高度在翼弦延伸平面内并在蛇形通道和第三前缘通道的不同位置处测量。最小高度Hm以正交于吸气侧壁76的方式并从吸气侧壁到压力侧壁78来进行测量。通道具有湍流条T，为便于说明，湍流条T的高度被放大。

翼面具有下文中将提到的肋，其沿翼展方向从吸气侧壁76延伸到压力侧壁78，形成了与蛇形通道相邻的翼展方向上的翼面结构。这些肋在翼弦方向上限制了蛇形通道。另外，前缘通道126附近的前缘壁84和后蛇形通道124附近的后缘壁86也是相邻的翼面结构，其在翼弦方向上限制了相关通道。各蛇形通道具有三个支管(即第一蛇形通道的122a，122b，122c以及第二蛇形通道的124a，124b，124c)。各支管沿翼展方向延伸，并由下面将介绍的肋所限制。

第一肋132在中间区域82中沿翼展方向延伸到叶尖壁98上，从而将凹腔88分隔成前部88a和后部88b。前部具有从叶根壁96延伸到叶尖壁98的第二肋134，其与前缘66隔开，从而在它们中间形成了第三前缘通道126。第三前缘通道具有与第一冷却空气管道112流体相通的单个支管。

第三肋136从叶根壁96上延伸出。第三肋在翼弦方向上与第一肋132隔开，从而在它们中间形成了前蛇形通道122的第一支管122a。第三肋限制了第二支管122b。第三肋在翼展方向上与叶尖壁98隔开，在其中形成了可将第一支管和第二支管相连的第一转向区域138。

第四肋142从叶尖壁上沿翼展方向延伸出。第四肋在翼弦方向上与第三肋136隔开以限制第二支管122b。第四肋在翼弦方向上与第二肋134隔开，在其中形成了第三支管122c。第四肋在翼展方向上与叶根壁隔开，在其中形成了前蛇形通道122的第二转向区域144。

凹腔的后部88b具有从叶根壁96上延伸出的第五肋146。第五肋在翼弦方向上与第一肋隔开，从而在它们中间形成了后蛇形通道124的第一支管124a。第五肋限制了第二支管124b。第五肋在翼展方向上与叶尖壁98隔开，在其中形成了可将后蛇形通道的第一支管和第二支管相连的第一转向区域148。

后部具有从叶尖壁98上沿翼展方向延伸出的第六肋152。第六肋在翼弦方向上与第五肋隔开以限制第二支管124b。第六肋在翼弦方向上与后缘壁86隔开，在其中形成了第三支管124c。第六肋还在翼展方向上与叶根壁96隔开，在其中形成了后蛇形通道的第二转向区域154。

前蛇形通道122、后蛇形通道124和第三前缘通道126均具有一个通道端，它们分别由通道端158，162，156来表示。各通道端与相关排气开口104，106，102流体相通，排气开口穿过翼面64的叶尖区域56而延伸到翼面的外部44。排气开口使得相关通道的端部与翼面外部流体相通。

前蛇形通道122、后蛇形通道124和第三前缘通道126均具有至少一个位于吸气侧壁上的湍流条阵列Ts和至少一个位于压力侧壁上的湍流条阵列Tp，从而为各通道形成了至少两个湍流条阵列。在所示实施例中，前蛇形通道在各支管的吸气侧壁和压力侧壁上均具有一个湍流条阵列。阵列在支管的基本上整个长度(超过90％)上延伸，但也可以更短一些并能实现本发明的一些优点。因此，第一支管122a具有一个压力侧壁的湍流条阵列T4p和一个吸气侧壁的湍流条阵列T4s。第二支管122b具有一个压力侧壁的湍流条阵列T3p和一个吸气侧壁的湍流条阵列T3s。第三支管122c具有一个压力侧壁的湍流条阵列T2p和一个吸气侧壁的湍流条阵列T2s。第三支管具有湍流条阵列的内侧部分122ca和外侧部分122cb，其中外侧部分的阵列在一些特征方面与内侧部分的阵列有所不同。

后蛇形通道的第一支管不具有湍流条阵列。第二支管和第三支管均具有湍流条阵列。因此，第二支管具有一个压力侧壁的湍流条阵列T6p和一个吸气侧壁的湍流条阵列T6s。第三支管具有一个压力侧壁的湍流条阵列T7p和一个吸气侧壁的湍流条阵列T7s。第三支管具有湍流条阵列的内侧部分和外侧部分，其中外侧部分的阵列在一些特征方面与内侧部分的阵列有所不同。

各侧壁76，78的湍流条T在翼展方向上以一定间距相互间隔开，并与另一侧壁上的湍流条在翼展方向上间隔开。各湍流条相对于相关的冷却空气流动路径和其从中延伸出的侧壁来说具有上游端和下游端。例如，通道122b的湍流条具有位于吸气侧壁上的湍流条(T3s)，其具有上游端(T3su)和下游端(T3sd)。各阵列的湍流条相互平行，并平行于相对侧壁的湍流条。各湍流条具有从侧壁上的相邻部分起测量并通常表示为“e”的高度H，以及湍流条的高度-间距比(e/p)。高度-间距比可通过将高度-间距比乘以100来进行正规化。各湍流条在其上游端与限制了蛇形通道的相邻的翼展方向上的翼面结构形成了约45度的锐角。

可在阵列的一定位置处去除各阵列的湍流条，从而对所制造的部件进行壁厚测量。这样就可进行翼面检查以用于质量控制。这些区域由位置Q标出。出于此目的而去除湍流条的一部分或整个湍流条不应被视为改变了湍流条阵列的间距。一般来说，为质量控制目的而去除湍流条的全部或一部分可在各支管的各侧壁上的三个位置处进行。

下表提供了本发明一个实施例的各湍流条阵列径向内部和径向外部的湍流条高度(密耳)、湍流条间距和乘了100后的湍流条高度与湍流条间距的正规化比之间的关系。下表还提供了吸气侧壁和压力侧壁之间的最小高度Hm，它相对于轴向并在约40％跨度位置(Ls＝0.38S)处测量。

叶根				叶尖
								翼弦位置	T高度密耳	T间距密耳	e/p×100	e/p	T高度密耳	T间距密耳	Hm密耳
1	10	100	10	20	20	100	264
								2	15	150	10	20	30	150	382
3	10	100	10	10	10	100	472
								4	10	200	5	5	10	200	527
5	0	0	-	-	0	0	601
								6	10	200	5	5	10	200	411
7	10	100	10	20	15	75	151

图5是一部分蛇形通道的示意性剖视图，显示了位于翼面上所选跨度位置处的与通道的各支管相邻的湍流条阵列，为简化起见略去了翼面的其余部分。一个部分是沿图3中线5-5的剖视图，对于翼弦位置1，3，4和5来说叶片部分在翼面的约40％跨度处(S＝0.38)剖开，对于翼弦位置2来说在约30％跨度处(S＝0.29)剖开，对于翼弦位置7来说在约50％跨度处(S＝0.47)剖开。

如图5所示，各湍流条具有半径等于湍流条高度的一半(Rvx＝H/2＝e/2)的凸起的圆柱形顶部，以及下凹的上游端T3su和下游端T3sd，它们形成了到侧壁的圆柱形过渡部分，其半径等于湍流条高度的一半(Rav＝H/2＝e/2)。在第一、第二和第三通道中的湍流条的高度H(e)处于约10密耳到约30密耳的范围内(10＜＝高度，e，H＜＝30)。

图6是图5所示通道的一部分的示意性剖视图，示意性地显示了湍流条的相对高度、通道的最小高度和湍流条的间距。

图7是前蛇形通道的顺序相连的支管122a，122b，122c和后蛇形通道的顺序相连的支管124a，124b，124c的以密耳为单位的湍流条高度和已乘了100而正规化的无量纲的湍流条高度-间距比(e/p)的图形表示。

图8A和图8B是与图7的图形表示相似的前蛇形通道和后蛇形通道的图形表示，显示了相邻各通道的三个支管，并且形象地显示了以密耳为单位的湍流条高度和已乘了100的无量纲的高度-间距比。

图9是一个通道的一部分的示意性局部透视图，显示了湍流条与相邻翼面结构以及与冷却空气流动路径的关系。如图9所示，湍流条在上游端与最接近边缘区域的肋形成锐角，从而驱使一部分冷却空气向此肋流动，并以逆时钟运动而流到通道中。这就增强了通道中的湍流，并促进了最接近于翼面边缘区域的肋的传热。

在燃气涡轮发动机的操作过程中，可冷却的转子叶片接受来自工作介质流动路径的热量。前缘区域和更小的后缘区域的热流量比中间区域的热流量大。冷却空气通过前蛇形通道122和后蛇形通道124流到中间区域。

前蛇形通道的第一支管122a具有湍流条，但后蛇形通道的第一支管124a却没有湍流条。与后蛇形通道相比，前蛇形通道可从中间区域中带走更多热量。结果，后蛇形通道和通道中的流动及压力之间的干扰更少，这样就可推动流体通过后蛇形通道的第三支管124c。这一点是很重要的，这是因为后蛇形通道的第三支管的流动面积比前蛇形通道的第三支管的流动面积更小。另外，由于在后蛇形通道的第一支管中未设置湍流条，因此冷却空气的加热程度不如前蛇形通道中的冷却空气那么大。结果，与在后蛇形通道的第一支管中设置湍流条时的更高温度的冷却空气相比，这种后蛇形通道中的冷却空气具有更高的从后缘区域中带走热量的能力。因此，此设计保证了从中间区域中带走热量，同时提高了用于冷却关键的后缘区域的冷却空气的压力性能和温度。

设于前蛇形通道和后蛇形通道的第一支管122a和第二支管122b，124b中的湍流条阵列对于相关支管来说在整个支管上其湍流条高度和湍流条-间距比均未增大。这种设计简化了在转子叶片的制造中所用模具的制备，并提高了翼面制造过程中进行检查的容易性。

前蛇形通道122和后蛇形通道124在各通道的第三支管122c，124c中具有湍流条，其在第三支管的至少一部分122cb，124cb上的湍流条高度和湍流条-间距比大于第二支管122b，124b中的情况。这样，在冷却空气流沿下游方向前进时可使第三支管和第二支管之间的传热效率增加大于第二和第一支管之间的传热效率增加。

另外，前蛇形通道和后蛇形通道的各个第三支管均具有用于第三支管的湍流条阵列，其设置于第二部分122cb，124cb中，第二部分122cb，124cb的湍流条高度和湍流条高度-间距比大于第一部分122ca，124ca的湍流条高度和湍流条高度-间距比，并且大于第二支管122b，124b中的相应阵列的湍流条高度和湍流条高度-间距比。第二支管的湍流条阵列具有一定的湍流条特征，其从包括湍流条高度或湍流条高度-间距比大于第一支管的相应湍流条特征的组中选出，从而连续地增大了下游方向的第二和第三支管的传热效率。因此，这种设计在需要从前缘区域中传递出更多热量和需要从中间区域中带走较少热量之间实现了平衡。

设于前缘66和前蛇形通道的第三支管122c之间的第三通道126具有与叶根58相邻的第一部分126a和与叶尖区域56相邻的第二部分126b。第三通道具有比第一部分更大的湍流条高度e和湍流条高度-间距比(e/p)。第三通道增强了从前缘区域68中的前蛇形通道内带走热量的能力。与第一支管中未设置湍流条的设计相比，由第一支管中的湍流条带来的这种传热能力增加了可从中间区域接受更多热量的前蛇形通道上的传热能力。因此，通过前蛇形通道和一定程度上通过第三通道可增大后蛇形通道的低温冷却空气的传热量。

如图9所示，前蛇形通道和后蛇形通道的支管中的湍流条阵列在湍流条的上游端与限制了最接近相关边缘区域的通道的翼展方向上的翼面结构形成锐角。这就在操作条件下驱使第一流动路径中的一部分冷却空气流游向最接近翼面的相关边缘的这种结构。同样，这使得传热能力偏向翼面的边缘区域。第三通道126设有湍流条，使得各湍流条在湍流条的上游端与第二肋形成锐角，从而在操作条件下驱使一部分冷却空气流流向限制了第一蛇形通道的最前面的肋。同样，第三通道的传热能力增强了前缘区域68中的第一蛇形通道的传热能力。

虽然已经参考具体的实施例来显示并介绍了本发明，然而本领域的技术人员应当理解，在不脱离由权利要求所限定的本发明的精神实质和范围的前提下，可以对本发明进行各种形式上和细节上的修改。

Claims (20)

1.一种用于工业燃气涡轮发动机的可冷却的转子叶片，其具有冷却空气的前流动路径、冷却空气的后流动路径，以及包括前缘区域、后缘区域和设置于所述前缘区域与后缘区域之间的中间区域的翼面，所述翼面具有吸气侧壁和压力侧壁，它们在所述前缘区域和所述后缘区域处相连，并且间隔开而在其中形成了凹腔，所述冷却空气的流动路径的至少一部分通过所述凹腔延伸，前蛇形通道和后蛇形通道在所述凹腔中延伸，其均具有上游方向和下游方向，所述上游方向和下游方向由所述吸气侧壁、所述压力侧壁以及位于所述这些侧壁之间并在翼展方向上延伸的相邻翼面结构所限制，各所述蛇形通道具有顺序相连的第一翼展方向上的支管、第二翼展方向上的支管和第三翼展方向上的支管，使得所述流动路径的相关部分通过所述支管延伸，用于在操作条件下使冷却空气流连续地流动，所述叶片包括：

至少一个位于所述吸气侧壁上的湍流条阵列和至少一个位于限制了所述前蛇形通道的所述压力侧壁上的湍流条阵列，

至少一个位于所述吸气侧壁上的湍流条阵列和至少一个位于限制了所述后蛇形通道的所述压力侧壁上的湍流条阵列，

所述湍流条阵列为各所述通道形成了至少两个湍流条阵列，各所述侧壁上的各所述湍流条阵列在翼展方向上以一定间距相互间隔开，并与另一侧壁上的相邻湍流条阵列在翼展方向上间隔开且基本上平行，各所述湍流条延伸到相关通道的支管中，并具有相对于此支管的从所述侧壁上相邻部分起测量的高度和湍流条高度-间距比，

其特征在于，每个蛇形通道从所述中间区域延伸经所述第一支管到所述翼面的一个所述边缘区域内的所述第三支管，所述冷却空气流在操作条件下从所述第三支管中排出；

各所述蛇形通道的位于另一支管下游的各支管在所述支管的至少一部分上具有大于前一支管的湍流条高度-间距比，从而在各所述蛇形通道内的冷却空气在操作条件下移动到更接近所述翼面的相关边缘区域时使各所述下游支管的传热效率增大到比所述上游支管的传热效率更大，而且，除了所述后蛇形通道的第三支管外，各个具有湍流条的支管中的各湍流条阵列的间距是稳定的，从而可促进制造和检查的容易性，同时使所述边缘区域的散热强于所述中间区域的散热。

2.根据权利要求1所述的用于工业燃气涡轮发动机的可冷却的转子叶片，其特征在于，所述前蛇形通道的第一、第二和第三支管均具有湍流条阵列，而所述后蛇形通道的第二支管和第三支管均具有湍流条阵列。

3.根据权利要求1所述的用于工业燃气涡轮发动机的可冷却的转子叶片，其特征在于，所述翼面还具有前缘和后缘，各所述湍流条具有上游端，限制了各所述蛇形通道的翼展方向上的翼面结构具有最接近于所述翼面的相关边缘区域的部分，所述前蛇形通道和后蛇形通道的支管中的所述湍流条阵列在各所述湍流条的上游端与相邻翼面结构的所述部分形成锐角，可驱使一部分所述流动路径朝向所述结构，从而在操作条件下优先地冷却所述翼面的边缘区域。

4.根据权利要求1所述的用于工业燃气涡轮发动机的可冷却的转子叶片，其特征在于，所述冷却空气凹腔包括具有所述前蛇形通道的前部和具有所述后蛇形通道的后部，所述转子叶片具有叶根，所述叶根具有所述冷却空气的前流动路径从中穿过的第一冷却空气管道，其与所述冷却空气凹腔的前部流体相通，从而可将冷却空气供给所述前缘通道和所述前蛇形通道，所述叶根还具有所述冷却空气的后流动路径从中穿过的第二冷却空气管道，其与所述冷却空气凹腔的后部流体相通，从而可将冷却空气供给所述后蛇形通道，各所述管道具有在所述流动路径上的各位置处正交于相关流动路径来测量的平均截面面积，并具有与所述凹腔相邻的相关腔室，与所述腔室的上游的平均截面面积相比，所述腔室具有更大的平均截面面积，截面面积的增加使得在操作条件下降低了所述冷却空气的速度，增大了所述冷却空气在进入所述翼面之前的静压，并减小了所述管道中的流动损失。

5.根据权利要求1所述的用于工业燃气涡轮发动机的可冷却的转子叶片，其特征在于，所述翼面还具有前缘和后缘，第三前缘通道沿翼展方向延伸，并沿翼弦方向设置在所述前缘和所述前蛇形通道之间，所述冷却空气的前流动路径分成通向所述前蛇形通道的第一流动路径部分和通向所述第三前缘通道的第一流动路径部分，所述第三通道具有至少一个位于所述吸气侧壁上的湍流条阵列和至少一个位于述压力侧壁上的湍流条阵列，从而为所述第三通道形成了至少两个湍流条阵列，各所述侧壁的湍流条在翼展方向上以恒定的间距相互间隔开，并与另一侧壁上的湍流条在翼展方向上间隔开且相互平行。

6.根据权利要求5所述的用于工业燃气涡轮发动机的可冷却的转子叶片，其特征在于，所述叶片转子具有叶根和叶尖，所述第三通道的各湍流条具有从所述侧壁上的相邻部分起测量的高度和湍流条高度-间距比，所述第三通道具有与所述叶根相邻的第一部分和与所述叶尖相邻的第二部分，所述第二部分具有大于所述第一部分的湍流条高度和湍流条高度-间距比。

7.根据权利要求1所述的用于工业燃气涡轮发动机的可冷却的转子叶片，其特征在于，所述翼面还具有前缘和后缘，在所述前缘和所述前蛇形通道的第三支管之间设置了第三通道，各所述湍流条具有上游端，各所述湍流条在所述湍流条的上游端与限制了所述第三支管的相邻定子结构形成锐角，可驱使一部分冷却空气流向限制了最接近于相关边缘区域的蛇形通道的所述翼展方向上的翼面结构中的部分，从而可在操作条件下驱使一部分冷却空气流向所述结构。

8.根据权利要求7所述的用于工业燃气涡轮发动机的可冷却的转子叶片，其特征在于，所述前蛇形通道和后蛇形通道的支管中的湍流条阵列在所述湍流条的上游端与限制了最接近于相关边缘区域的所述通道的所述翼展方向上的翼面结构形成锐角，从而可在操作条件下驱使一部分冷却空气流向最接近于所述翼面的相关边缘区域的所述结构。

9.根据权利要求1所述的用于工业燃气涡轮发动机的可冷却的转子叶片，其特征在于，各所述湍流条具有上游端，所述前蛇形通道和后蛇形通道的支管中的湍流条阵列在所述湍流条的上游端与限制了最接近于相关边缘区域的所述通道的所述翼展方向上的翼面结构形成锐角，从而可在操作条件下驱使一部分冷却空气流向最接近于所述翼面的相关边缘的所述结构。

10.根据权利要求5所述的用于工业燃气涡轮发动机的可冷却的转子叶片，其特征在于，所述转子叶片具有内部和外部，所述翼面具有叶尖区域，所述前蛇形通道、后蛇形通道和第三前缘通道均具有位于所述叶尖区域的端部和排气开口，所述排气开口通过所述翼面的叶尖区域延伸到所述翼面的外部，从而使各所述通道的端部与所述翼面的外部流体相通，所述后缘区域具有多个冷却孔，其沿大致翼弦方向穿过所述后缘区域延伸，从而使所述后通道的第三支管与所述翼面的外部流体相通。

11.根据权利要求1到10中任一项所述的用于工业燃气涡轮发动机的可冷却的转子叶片，其特征在于，所述前蛇形通道的第三支管和所述后蛇形通道的第三支管在所述第三支管的至少一部分上具有比相关通道的其它支管更大的湍流条高度。

12.根据权利要求11所述的用于工业燃气涡轮发动机的可冷却的转子叶片，其特征在于，所述前蛇形通道和后蛇形通道在各通道的第三支管上具有湍流条，其在所述第三支管的至少一部分上具有比所述第二支管更大的湍流条高度和湍流条高度-间距比，这样，在冷却空气流沿下游方向前进时可使所述第三支管和第二支管之间的传热效率的增加大于所述第二支管和第一支管之间的传热效率的增加。

13.根据权利要求12所述的用于工业燃气涡轮发动机的可冷却的转子叶片，其特征在于，所述前蛇形通道和后蛇形通道在各通道的第三支管上具有可接受来自所述第二支管的冷却空气的第一部分和位于所述第一部分径向外侧的第二部分，设于所述第二部分中的所述第三支管的湍流条阵列具有比所述第一部分中的相关阵列和相关的第二支管中的相应阵列更大的湍流条高度以及湍流条高度-间距比，所述第二支管中的湍流条阵列具有一定的湍流条特征，其从包括了湍流条高度或湍流条高度-间距比大于所述第一支管的相应湍流条特征的组中选择，从而可连续地增大下游方向的所述第二和第三支管的传热效率。

14.根据权利要求13所述的用于工业燃气涡轮发动机的可冷却的转子叶片，其特征在于，设置于所述前蛇形通道和后蛇形通道的第一和第二支管中的所述湍流条阵列的湍流条高度和湍流条高度-间距比对于此相关支管来说在所述支管的整个跨度上并未增大，这就提高了翼面生产过程中的检查和制造的容易性，并不会增加对从所述支管的一个部分流到下一部分的流动的干扰。

15.根据权利要求11所述的用于工业燃气涡轮发动机的可冷却的转子叶片，其特征在于，所述前蛇形通道和后蛇形通道在各通道的第三支管上具有可接受来自所述第二支管的冷却空气的第一部分和位于所述第一部分径向外侧的第二部分，设于所述第二部分中的所述第三支管的湍流条阵列具有比所述第一部分中的相关阵列和相关的第二支管中的相应阵列更大的湍流条高度以及湍流条高度-间距比，所述第二支管中的湍流条阵列具有一定的湍流条特征，其从包括了湍流条高度或湍流条高度-间距比大于所述第一支管的相应湍流条特征的组中选择，从而可连续地增大下游方向的所述第二和第三支管的传热效率。

16.根据权利要求15所述的用于工业燃气涡轮发动机的可冷却的转子叶片，其特征在于，设置于所述前蛇形通道和后蛇形通道的第一和第二支管中的所述湍流条阵列的湍流条高度和湍流条高度-间距比对于此相关支管来说在所述支管的整个跨度上并未增大，这就提高了翼面生产过程中的检查和制造的容易性，并不会增加对从所述支管的一个部分流到下一部分的流动的干扰。

17.根据权利要求11所述的用于工业燃气涡轮发动机的可冷却的转子叶片，其特征在于，设置于所述前蛇形通道和后蛇形通道的第一和第二支管中的所述湍流条阵列的湍流条高度和湍流条高度-间距比对于此相关支管来说在所述支管的整个跨度上并未增大，这就提高了翼面生产过程中的检查和制造的容易性，并不会增加对从所述支管的一个部分流到下一部分的流动的干扰。

18.根据权利要求1所述的用于工业燃气涡轮发动机的可冷却的转子叶片，其特征在于，各所述湍流条具有半径等于所述湍流条高度的一半的凸起的圆柱形顶部，以及下凹的上游端和下游端，它们形成了到所述侧壁的圆柱形过渡部分，其半径等于湍流条高度的一半。

19.根据权利要求1所述的用于工业燃气涡轮发动机的可冷却的转子叶片，其特征在于，在所述第一、第二和第三通道中的所述湍流条的高度e处于约10密耳到约30密耳(10＜＝高度＜＝30)的范围内。

20.一种用于具有转子组件的工业燃气涡轮发动机的可冷却的转子叶片，所述可冷却的转子叶片具有外部，其包括：

可使所述转子叶片与所述转子组件的一部分相接合的叶根，所述叶根具有

沿翼弦方向延伸的叶根壁，

可使所述叶片与冷却空气源流体相通的第一冷却空气管道，所述第一冷却空气管道具有第一腔室，所述第一腔室的上游具有第一截面流动面积，所述第一腔室具有比所述第一截面流动面积更大的第二截面流动面积，和

可使所述叶片与冷却空气源流体相通的第二冷却空气管道，所述第二冷却空气管道具有第二腔室，所述第二腔室的上游具有第一截面流动面积，所述第二腔室具有比所述第一截面流动面积更大的第二截面流动面积；

具有在翼展方向上的长度S的翼面，其具有前蛇形通道、后蛇形通道，并具有沿翼展方向从吸气侧壁延伸到压力侧壁的肋，从而形成了沿翼弦方向限制了所述通道的翼展方向上的翼面结构，各所述蛇形通道具有三条支管，其沿翼展方向延伸并由所述肋限制，所述翼面具有

前缘、前缘区域、后缘，以及与所述前缘区域在翼展方向上间隔开的后缘区域，

在所述前缘区域和后缘区域之间沿翼弦方向和翼展方向延伸的中间区域，

吸气侧壁和压力侧壁，所述压力侧壁与所述吸气侧壁相连，形成了沿翼弦方向限制了一个相邻通道的翼展方向上的翼面结构，所述翼展方向上的翼面结构包括位于所述前缘区域中的前缘壁和位于所述后缘区域中的后缘壁，所述压力侧壁在所述前缘壁和后缘壁之间与所述吸气侧壁隔开，在它们之间形成了用于接受冷却空气的凹腔，

叶尖区域，其具有在所述吸气侧壁和压力侧壁之间沿翼弦方向延伸的叶尖壁，

第一肋，其在所述中间区域内沿翼展方向延伸到所述叶尖壁上，从而将所述凹腔分隔成前部和后部，

其特征在于：

所述前部具有

从所述叶根壁延伸到所述叶尖壁的第二肋，其与所述前缘隔开，从而在它们之间形成了第三前缘通道，其具有与第一冷却空气管道流体相通的单个支管，

从所述叶根壁上延伸出的第三肋，其在翼弦方向上与所述第一肋隔开，从而在它们之间形成了所述前蛇形通道的第一支管，所述第三肋限制了所述第二支管，所述第三肋在翼展方向上与所述叶尖壁隔开，在其中形成了可将所述第一支管和第二支管相连的第一转向区域，和

从所述叶尖壁上沿翼展方向延伸出第四肋，其在翼弦方向上与所述第三肋隔开以限制所述第二支管，所述第四肋在翼弦方向上与所述第二肋隔开，在其中形成了所述第三支管，所述第四肋在翼展方向上与所述叶根壁隔开，在其中形成了所述前蛇形通道的第二转向区域；

所述后部具有

从所述叶根壁上延伸出的第五肋，其在翼弦方向上与所述第一肋隔开，从而在它们之间形成了所述后蛇形通道的第一支管，所述第五肋限制了所述第二支管，并在翼展方向上与所述叶尖壁隔开，在其中形成了可将所述后蛇形通道的所述第一支管和第二支管相连的第一转向区域，和

从所述叶尖壁上沿翼展方向延伸出的第六肋，其在翼弦方向上与所述第五肋隔开以限制所述第二支管，所述第六肋在翼弦方向上与所述后缘壁隔开，在其中形成了所述第三支管，所述第六肋还在翼展方向上与所述叶根壁隔开，在其中形成了所述后蛇形通道的第二转向区域；

所述第一冷却空气管道与所述冷却空气凹腔的前部流体相通，可将冷却空气供给所述前缘通道和所述前蛇形通道，所述第二冷却空气管道与所述冷却空气凹腔的后部流体相通，可将冷却空气供给所述后蛇形通道，各所述冷却空气管道的相关腔室相邻于所述凹腔，并具有与腔室上游的第一平均截面面积相比更大的平均截面面积，这就在操作条件下降低了所述冷却空气的速度，增大了所述冷却空气的静压，并减小了所述管道中的流动损失；

所述前蛇形通道、后蛇形通道和第三前缘通道均具有排气开口，所述排气开口通过所述翼面的叶尖区域延伸到所述翼面的外部，从而使各所述通道的端部与所述翼面的外部流体相通，所述后缘壁具有多个冷却孔，其沿大致翼弦方向穿过所述后缘壁而延伸，从而使所述后通道的第三支管与所述翼面的外部流体相通；

所述前蛇形通道、后蛇形通道和第三前缘通道均具有至少一个位于所述吸气侧壁上的湍流条阵列和至少一个位于所述压力侧壁上的湍流条阵列，从而为各所述通道形成了至少两个湍流条阵列，各所述侧壁的各所述湍流条在翼展方向上以一定间距相互间隔开，并与另一侧壁上的湍流条在翼展方向上间隔开，各所述湍流条具有从所述侧壁上相邻部分起测量的高度和湍流条高度-间距比，各所述湍流条在上游端与限制了所述蛇形通道的所述翼展方向上的翼面结构形成锐角；

所述前缘和最前方的蛇形通道的第三支管之间的所述第三通道具有与所述叶根相邻的第一部分和与所述叶尖相邻的第二部分，所述第二部分具有比所述第一部分更大的湍流条高度和湍流条高度-间距比，各所述湍流条在所述湍流条的上游端与所述第一肋形成锐角，从而可在操作条件下驱使一部分冷却空气流向最前方的第一肋；

所述前蛇形通道和后蛇形通道的支管中的所述湍流条阵列在湍流条的上游端与限制了最接近相关边缘区域的通道的所述翼展方向上的翼面结构形成锐角，从而可在操作条件下驱使一部分冷却空气流向最接近所述翼面的相关边缘的所述结构；

设置于所述前蛇形通道和后蛇形通道的第一和第二支管中的所述湍流条阵列的湍流条高度和湍流条高度-间距比对于此相关支管来说在整个支管上并未增大，这就提高了翼面生产过程中的检查和制造的容易性；

所述前蛇形通道和后蛇形通道在各通道的第三支管上具有湍流条，其在所述第三支管的至少一部分上具有比所述第二支管更大的湍流条高度和湍流条高度-间距比，这样，在冷却空气流沿下游方向前进时可使所述第三支管和第二支管之间的传热效率的增加大于所述第二支管和第一支管之间的传热效率的增加；

所述前蛇形通道和后蛇形通道在各通道的第三支管上具有可接受来自所述第二支管的冷却空气的第一部分和位于所述第一部分径向外侧的第二部分，设于所述第二部分中的所述第三支管的湍流条阵列具有比所述第一部分中的相关阵列和相关的第二支管中的相应阵列更大的湍流条高度以及湍流条高度-间距比，所述第二支管中的湍流条阵列具有一定的湍流条特征，其从包括了湍流条高度或湍流条高度-间距比大于所述第一支管的相应湍流条特征的组中选择，从而可连续地增大下游方向的所述第二和第三支管的传热效率。

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