CN1629449B - 涡轮叶片的经频率调节的销组 - Google Patents

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Abstract

一种燃气涡轮发动机的涡轮叶片(10)，包括有空心翼型(12)，其从叶根(14)径向地延伸到径向外侧的翼尖(28)。翼型(12)包括翼型外壁(15)，其具有横向间隔开的压力面壁(16)和吸力面壁(18)，这些壁(16，18)沿着翼型(12)的弦向间隔开的前缘(20)和后缘(22)相交。位于翼型(12)内的径向延伸的冷却空气供应通道(58)包括销(68)的组(70)，其在压力面壁(16)和吸力面壁(18)之间横向地延伸并与之形成一体。销(68)的组(70)被调节成使得与叶片(10)的发动机强制驱动模式相关的叶片(10)的固有频率充分地远离发动机的稳态工作频率，以便在发动机的稳态工作期间基本上避免叶片(10)的固有频率共振。销(68)的组(70)通过销(68)在冷却空气供应通道(58)中的位置来调节。

Description

涡轮叶片的经频率调节的销组
技术领域
本发明涉及一种可冷却的空心的燃气涡轮发动机的涡轮叶片，更具体地涉及一种在叶片的压力面的壁与吸力面的壁之间延伸的销。
背景技术
燃气涡轮发动机通常采用一排固定在转子轮盘外周上的可冷却的空心涡轮叶片，以及具有多个设于其上游的静叶的固定涡轮喷嘴。燃气在静叶之间以及在涡轮叶片之间流动，以便抽取能量来使转子轮盘旋转。燃气涡轮内的温度可超过2500华氏度，因此涡轮叶片的冷却对叶片寿命而言是非常重要的。不进行冷却的话，涡轮叶片的性能将迅速下降。对涡轮叶片进行冷却是非常必要的，并且叶片冷却领域的技术人员已付出了巨大努力来设计涡轮叶片中的内腔的几何形状，以便改善冷却。由于燃气很热，因此涡轮的静叶和叶片通常由为此目的而从压缩机中排出的一部分压缩空气来冷却。从供燃烧室使用的压缩空气中转移任何一部分压缩空气都一定会降低发动机的总体效率。希望用尽可能少的压缩机排气来冷却静叶和叶片。
典型的涡轮静叶和叶片包括燃气在其上流过的翼型。翼型通常包括一个或多个笔直的流通通道和蛇形的冷却通路，来自压缩机排气的冷却空气通过它们而被引导用于冷却翼型。翼型可包括位于其中以增强冷却效果的各种湍流结构，并且冷却空气通过设置在翼型外表面周围的多个薄膜冷却孔而从通路中排出。为了达到更高的冷却效果，现代的叶片已经采用了多通道的冷却回路。
还已经知道，可以使冷却空气通过叶片内部的蛇形冷却空气回路和其它通路，这些回路和通路会在冷却空气冲击在叶片前缘上之前穿过通路而运动时加热冷却空气。前缘上的温差比用于冲击的经过通过叶根的直接冷却空气的温差更小，从而导致了在叶片前缘中具有较低的热应力，并且提高了叶片的寿命。这便可以有效地利用冷却气流，这是因为气流能在流出径向前缘冷却孔以从外部对叶片翼型进行薄膜冷却之前在叶片中部翼展的大部分上从内部对叶片进行冷却。
已知的涡轮翼型冷却技术包括采用形成了蛇形冷却回路的内腔。特别是，可以利用蛇形通路、前缘冲击桥、湍流促进器和湍流结构、薄膜孔、销以及后缘孔或压力面排气槽来进行叶片冷却。
空心涡轮叶片容易在叶片的固有频率下产生共振，已经知道可对叶片及其设计进行改进，以便在发动机工作过程中的瞬变期间以外的其它时间内避免在叶片的固有频率下工作。希望用尽可能少的冷却空气来冷却涡轮叶片，这便基本上避免了在发动机工作过程中的瞬变期间以外的其它时间内在叶片的固有频率下工作。
发明内容
燃气涡轮发动机的涡轮叶片包括空心的翼型，其包括具有横向间隔开的压力面壁和吸力面壁的翼型外壁，压力面壁和吸力面壁沿着翼型的弦向地隔开的前缘和后缘而相交。翼型内的径向延伸的后缘冷却空气通道包括一组销，其在压力面壁和吸力面壁之间横向地延伸并与它们形成一体。这些销可以是传热的销。该销组被调节成使得与叶片的发动机强制驱动模式相关的叶片固有频率充分地远离发动机的稳态工作频率，从而在发动机的稳态工作期间基本上避免叶片的固有频率共振。还可对销的数量、尺寸和位置进行优化，以便减轻重量、减少压力损失以及对叶片进行频率调节。
叶片的一个示例性实施例包括这样一组销，它们的与发动机驱动模式相关的预测或预定频率被调节成例如为如节线所示的第二扭振模式。在迭代过程中，用于不同构造的组的预定固有频率例如可通过使用ANSYS分析计算机代码来分析式地确定。可采用迭代过程来确定销组的最终构造。
本文所示的2T节线沿弦向穿过后缘冷却空气通道，并且销不均匀地径向分布在节线的周围。例如可通过使销在节线的上方和下方具有非均匀的数量来使销非均匀地径向分布在节线的周围。这种示例包括具有总共9个销的销组，其中4个销处于节线之上，而5个销处于节线之下。
附图说明
下面将结合附图在下述介绍中说明本发明的上述方面和其它特征，在附图中：
图1是显示了具有一组经频率调节的销的燃气涡轮发动机的涡轮叶片的透视图。
图2是图1所示叶片的局部剖开的透视图。
图3是通过图1所示翼型中的线2-2的翼型中部翼展截面的示意性剖视图。
图4是图1所示的示例性涡轮翼型的示意性剖视图，该图沿着图3所示的穿过其中的冷却回路的分离线而被展开成平面。
图中各标号的含义如下：1第一肋；2第二肋；3第三肋；4第四肋；5第五肋；6第六肋；7第七肋；10叶片；11中心线；12空心翼型；14叶根；15外壁；16压力面壁；18吸力面壁；20前缘；22后缘；24径向方向；26内侧基部；28外侧翼尖；29声响指示壁；30叶根缘板；31外翼尖壁；32燃气；33腔；34横向肋；35冷却流；36冷却回路；37入口；38蛇形通道；39冷却空气源；41冷却空气供应通道；42第一通道；43终端；44最后一条冷却通道；45向前的弦向流动方向；46冷却回路分离线；47横向侧；49底面；50第一转向通道；56前缘冷却空气供应通道；58后缘冷却空气供应通道；59翼尖冷却孔；60节线；61喷头薄膜冷却孔；62后缘冷却室；63压力面壁薄膜冷却孔；64倾斜的湍流结构；65吸力面壁薄膜冷却孔；68销；70组；72冷却室；74排气口；76后缘冷却槽；80第一径向相邻对；82第二径向相邻对；84第一径向间隔；86第二径向间隔；90第一轴向相邻对；92第二轴向相邻对；94第一轴向间隔；96第二轴向间隔；F  轴流的下游方向；S  翼展。
具体实施方式
图1显示了用于燃气涡轮发动机的一个示例性涡轮叶片10，其设计用于在沿着轴流的下游方向F流动的热气流中工作。叶片10包括从叶根14中径向向外地延伸出来的空心翼型12。叶根14用于将叶片10固定到被限制在发动机中心线11的周围的发动机转子轮盘(未示出)上。如在图2所示的翼型12的截面中进一步所示，翼型12包括外壁15，其包括在宽度方向上或横向上间隔开的压力面壁16和吸力面壁18，它们沿着上游前缘20和与前缘在弦向上间隔开的下游后缘22而相交。翼型12在径向24上远离发动机中心线11而径向地延伸，并在翼型12的翼展方向上沿着翼型的翼展S从径向内侧的基部26延伸到径向外侧的翼尖28。翼尖28显示为声响指示型翼尖(squealer tip)，其具有源于外壁15的向外延伸部分或声响指示壁29，其在周向上围绕着外翼尖壁31并从中径向向外地延伸，从而在其中形成了一个声响指示型翼尖空腔33。采用翼尖冷却孔59来冷却该翼尖空腔，该孔59从空心翼型12中延伸穿过外翼尖壁31而到达声响指示型翼尖空腔33。径向内侧的基部26被限定在传统的叶根缘板30处，该叶根缘板30形成了叶片10的内流动边界，叶根14在叶根缘板30的下方延伸。
在叶片10的工作期间，由燃烧室(未示出)产生了燃气32，其沿着轴向下游方向F在外壁15的翼型压力面壁16和翼型吸力面壁18上流动。本文所示的本发明的示例性实施例设计成可有效地冷却翼型12，以与由燃气32施加在翼型上的热负载分布更好地相匹配。图1-3所示的燃气涡轮叶片10是示例性的，本发明可同样适用于具有可被类似地冷却的类似翼型的涡轮静叶。
参见图2，图中以剖面的形式显示了空心翼型12，还显示了外壁15，以及在前缘20和后缘22之间周向地或横向地相互间隔开的压力面壁16和吸力面壁18。压力面壁16和吸力面壁18通过多个(在本文的示例图中显示了七个)径向延伸的内部横向肋34而整体地连接在一起，其中横向肋34被标示为在压力面壁16和吸力面壁18之间延伸的第一肋1到第七肋7。横向肋34的第三肋3到第七肋7形成了一个向前流动的五通道型蛇形冷却回路36，如图3和4所示。
图3是叶片10的局部剖开的透视图，而图4显示了沿着图2中的穿过向前流动的蛇形冷却回路36的冷却回路分离线46而展开成平面的翼型12。向前流动的蛇形冷却回路36构造成使得冷却回路36内的蛇形冷却流35在向前的弦向流动方向45上流动，在向前流动的蛇形冷却回路36内从后缘22向前流到前缘20处。向前流动的冷却回路36包括穿过叶根14的入口37，其与冷却空气源39形成冷却流连通。这里所示的冷却空气源39是轴向地延伸穿过叶根14的冷却空气供应通道41。或者，如众所周知的那样，可将冷却空气经由叶根14的底面49而供应到翼型中，并径向地到达入口37处。入口37位于向前流动的冷却回路的终端43的后部，从而使蛇形冷却流35在向前的弦向流动方向45上从后缘22向前流到前缘20。
向前流动的蛇形冷却回路36被称为五通道型回路，这是因为它具有五条径向延伸的蛇形通道38。蛇形冷却回路36被限定并设置在弦向隔开的肋34之间，并在其横向侧47(图2所示)上受到压力面壁16和吸力面壁18的限制。
向前流动的蛇形冷却回路36的第一通道42径向地延伸穿过翼型12的基部26，穿过叶片10的叶根14，并径向向上地延伸到径向外侧的第一转向通道50处。第一通道42始于翼型12的叶根14的底面49中的入口37处。向前流动的蛇形冷却回路36的最后一个冷却通道44终止于外翼尖壁31处，在这里可采用一个或多个翼尖冷却孔59来实现蛇形冷却回路的排气。翼型的声响指示型翼尖可由外翼尖壁31中的翼尖冷却孔59来冷却。
在本文所示的示例性实施例中，在外壁15的前缘20与第一肋1之间设有前缘冷却室72。在第一肋1中设有还用作冲击冷却孔的排气口74，其从前缘冷却空气供应通道56延伸穿过第一肋1而到达前缘冷却室72中。前缘冷却空气供应通道56包括另一穿过叶根14的入口37，其与冷却空气源39形成冷却流连通。或者，如众所周知的那样，可将冷却空气经由叶根14的底面49而供应到翼型中，并径向地到达入口37处。
排气口74将冷却空气从前缘冷却空气供应通道56供应到前缘冷却室72中，冷却空气从此处流经薄膜冷却孔。薄膜冷却孔包括下述中的一个或多个：喷头61、压力面壁薄膜冷却孔63和吸力面壁薄膜冷却孔65。
在本文所示的示例性实施例中，后缘冷却空气供应通道58包括一穿过叶根14的入口37，其与冷却空气源39形成冷却流连通。或者，如众所周知的那样，可将冷却空气经由叶根14的底面49而供应到翼型中，并径向地到达入口37处。后缘冷却空气供应通道58使冷却空气供应或流经形式为后缘冷却槽76的后缘开口，以便对流地冷却后缘22。
薄膜冷却孔设置成穿过外壁15的压力面壁16和吸力面壁18。翼型12可具有任何其它的可提高其冷却效果的传统特征，例如倾斜的湍流结构64和销68的组70，这两者在用于冷却翼型的技术领域中都是众所周知的。销可以是传热销。也可采用在本技术领域中公知的隔热涂层TBC来改善翼型12的热特性。也被称为基座(pedestal)的销68通常具有圆形的截面，但也可具有其它的形状。
空心涡轮叶片10容易在叶片的固有频率下产生共振，因此应对销68进行调节，以便在发动机的稳态工作期间避免在叶片的固有频率下工作。发动机的稳态工作包括起飞和着陆，尤其是巡航状态或在发动机工作过程中的除瞬变期间以外的其它工作状态。还希望能优化或进一步调节销68的数量、尺寸和形状，以便用尽可能少的冷却空气来冷却涡轮叶片10，同时在发动机工作过程中的除瞬变期间以外的其它时间内基本上避免在叶片的固有频率下工作。
销68的组70被调节成使得与叶片10的发动机强制驱动模式相关的叶片10的固有频率充分地远离发动机的稳态工作频率，以便在发动机的稳态工作期间基本上避免叶片10的固有频率共振。销68的组70通过销68在冷却空气供应通道58内的位置来进行调节。还可通过销68的数量、尺寸和位置来对销68的组70进行进一步的调节。还可对销68的数量、尺寸和位置进行优化，以减轻重量、减少冷却空气供应通道58内的冷却压力损失，以及对叶片10进行频率调节。销68的经调节的组70可被调节成能够对现有的设计提供额外的固有频率裕量。
销68的经频率调节的组70在本文中显示为处于后缘冷却空气供应通道58中，但也可用在涡轮叶片的空心翼型中的包括不同通道在内的位置中。同样可针对频率响应来优化销68的数量、尺寸和位置，并减轻重量、减少冷却空气供应通道58内的冷却压力损失，以及对叶片10进行频率调节。
这里所示的叶片10的示例性实施例具有这样的销68的组70，其利用叶片10的预测或预定固有频率而被调节为例如如图3中的2T节线60所示的第二扭振模式。叶片10的预定固有频率和相关的发动机驱动模式通过分析来确定。具体地说，采用ANSYS分析计算机代码来分析式地确定该预定固有频率。采用迭代过程来确定销68的组70的最终构造。对各种不同构造的销68进行分析，以达到组70的最佳频率调节后的构造或设计。叶片10的预定固有频率也可利用经验技术以及经验技术和分析技术如ANSYS分析计算机代码的组合来确定。
销68的组70被设计成可避开与如图3中的2T节线60所示的第二扭振模式相关的固有频率。节线60弦向地穿过后缘冷却空气供应通道58，并且销68不均匀地径向分布在节线60的周围。这里所示的叶片10的示例性实施例被频率调节成避开了第二扭振模式，并且销68不均匀地径向分布在节线60的周围。经频率调节的组70的一个更特殊的实施例包括在节线60的上方和下方具有不均匀数量的销68。这显示在图3和图4中，其中组70总共具有9个销68，其中4个销68位于节线60之上，而5个销68位于节线60之下。
在本文所示的销68的经频率调节的组70的设计方法及其设计中，销68不均匀地径向分布。该实施例包括销68的第一径向相邻对80和第二径向相邻对82中的至少一组，它们分别具有不相等的第一径向间隔84和第二径向间隔86。本文所示的销68的经频率调节的组70的另一实施例具有不均匀地轴向分布的销68。该实施例包括销68的第一轴向相邻对90和第二轴向相邻对92中的至少一组，它们分别具有不相等的第一轴向间隔94和第二轴向间隔96。本文所示的销68的经频率调节的组70的另一实施例具有不均匀地轴向和径向分布的销68。
尽管在上文中已经介绍了本发明的被视为优选的和示例性的实施例，然而本领域的技术人员可以清楚，从本文的内容中可以得出本发明的其他修改。因此，所附权利要求中的所有这些修改都属于本发明的精神实质和范围内。

Claims (11)

1.一种燃气涡轮发动机的涡轮叶片(10)，包括：
空心翼型(12)，其从叶根(14)径向地延伸到径向外侧的翼尖(28)，
所述翼型(12)包括翼型外壁(15)，其具有横向间隔开的压力面壁(16)和吸力面壁(18)，所述压力面壁(16)和吸力面壁(18)沿着所述翼型(12)的弦向间隔开的前缘(20)和后缘(22)相交，
位于所述翼型(12)内的径向延伸的冷却空气供应通道(58)，
一组(70)销(68)，所述的一组(70)销(68)被调节成使得与所述叶片(10)的发动机强制驱动模式相关的所述叶片(10)的固有频率充分地远离发动机的稳态工作频率，以便在发动机的稳态工作期间避免所述叶片(10)的固有频率共振，并且所述的一组(70)销(68)在所述径向延伸的冷却空气供应通道内在所述压力面壁(16)和吸力面壁(18)之间横向地延伸并与之形成一体。
2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述销(68)的数量、尺寸和位置被优化以减轻重量、减少压力损失，并对所述叶片(10)进行频率调节。
3.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，利用预定的固有频率来对所述的一组(70)销(68)进行调节。
4.根据权利要求3所述的叶片，其特征在于，通过分析来确定所述预定的固有频率。
5.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述叶片还包括所述销(68)的不均匀的径向分布，或者所述销(68)的不均匀的轴向分布，或者所述销(68)的不均匀的径向和轴向分布。
6.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述叶片(10)的发动机强制驱动模式是第二扭振模式。
7.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述叶片限定了与所述叶片(10)的发动机强制驱动模式相关的节线(60)，并且：
所述节线(60)弦向地穿过所述冷却空气供应通道(58)，和
所述销(68)不均匀地径向分布在所述节线(60)的周围。
8.根据权利要求7所述的叶片，其特征在于，所述叶片还包括在所述节线(60)的上方和下方为不均匀数量的所述销(68)，或者在所述节线(60)的上方和下方不均匀地径向间隔开的所述销(68)，或者在所述节线(60)的上方和下方为不均匀的数量并且在所述节线(60)的上方和下方不均匀地径向间隔开的所述销(68)。
9.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述叶片还包括作为后缘冷却空气供应通道(58)的冷却空气供应通道(58)以及源于所述冷却空气供应通道(58)并穿过所述后缘(22)的后缘孔(76)。
10.根据权利要求7所述的叶片，其特征在于，所述叶片还包括作为第二扭振模式的所述叶片(10)的发动机强制驱动模式，处于所述节线(60)的上方和下方的数量不均匀的所述销(68)，以及在所述节线(60)的上方和下方不均匀地径向间隔开的所述销(68)。
11.根据权利要求10所述的叶片，其特征在于，总共具有9个所述销(68)，其中4个所述销(68)位于所述节线(60)之上，而5个所述销(68)位于所述节线(60)之下。
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