CN1654783A - 涡轮叶片的紊流孔结构 - Google Patents

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Abstract

冷却改善的一个涡轮叶片具有带有一个根部末端和一个顶部末端，和在翼面中的至少一个冷却通道的一个翼面。每一个冷却通道从该根部末端延伸至该顶部末端，并具有圆形的横截面。在每一个冷却通道中设置多个紊流激励装置。每一个紊流激励装置为弧形形状，并外接一个小于180°的圆弧。

Description

涡轮叶片的紊流孔结构
发明背景
本发明总的涉及燃气涡轮发动机，尤其涉及在叶片内具有冷却通道，以便与叶片进行有效的热交换和冷却叶片的涡轮叶片，更详细地说，涉及该冷却通道的紊流孔结构。
背景技术
通常，在涡轮发动机中，要在涡轮叶片中设置内部冷却通道。根据涡轮转子级的具体位置，在发动机内各个涡轮转子级要求或多或少的冷却。第一级涡轮叶片由于位于第一轮叶后面，立即暴露在从燃烧室流出的热的燃烧气体中，因此通常要求最高的冷却程度。另外，在横跨每一个涡轮叶片的跨度上的温度分布是沿着该叶片的中间部分温度最高，与邻近该叶片的根部和顶部处的温度比沿着该中间部分的温度低些。
在一些情况下，在涡轮叶片内设置从该叶片的根部延伸至其顶部的多个冷却通道。通常，从压缩机多个级的一个级出来的冷却空气送至这些通道，以冷却该叶片。在这些通道的全部长度上使用紊流激励器，以增强通过该通道的冷却空气的传热。热能从涡轮叶片的外部压力和负压表面流至内部区域，并通过内部冷却提取热。在具有隔开的肋的通道中，传热性能主要取决于该通道的直径，该肋的形状和流动的雷诺数。进行了许多基础研究来了解由该肋造成的流动分离引起的传热增强现象。一个边界层将该肋的上游和下游隔开。这些流动分离使该边界层重新附着在传热表面上，这样增加传热导数。该隔开的边界层增加紊流混合，因此，由靠近表面的流体产生的热可以更有效地分散至主流动中，从而增加传热系数。
在这些通道中所用的紊流激励器有许多形式。例如，这些激励器可以为与通道侧壁连接的百页板，这些百页板与通过通道的冷却空气流成一个角度。
Chiu等人提出的美国专利5413463号说明了在燃气涡轮叶片中的紊流冷却通道，其中，紊流激励器根据对沿着该叶片的局部冷却要求设在沿着从根部至顶部的翼面长度的优选区域上。该紊流激励器位于该涡轮叶片优选的中间区域上，而通过该叶片根部和顶部的通道保持基本上为滑膛的。
尽管存在具有紊流冷却通道的这些涡轮叶片，仍需要有改善冷却的叶片。
发明概述
本发明的目的是要提供具有带激励冷却的紊流激励装置的冷却通道的涡轮叶片。
上述目的可通过本发明的涡轮叶片达到。
根据本发明，提供了一种冷却改善的涡轮叶片。该涡轮叶片具有带有一个根部末端和一个顶部末端，和在翼面中的至少一个冷却通道的翼面。每一个冷却通道从该根部末端延伸至该顶部末端，并且具有圆形的横截面。在每一个冷却通道中设置多个紊流激励装置。每一个紊流激励装置为弧形形状，并外接一个小于180°的圆弧。
本发明的涡轮叶片的紊流孔结构的其他详细情况，以及所附带的其他目的和优点在下列的详细说明和附图中提出。图中相同的符号表示相同的零件。
附图的简要说明
图1表示在具有多个内部冷却通道的燃气涡轮发动机中使用的一个涡轮叶片；
图2为根据本发明的紊流冷却通道的截面图；
图3为沿着图2中的3-3线所取的截面图；
图4为根据本发明的紊流冷却通道的另一个实施例的截面图；
图5为根据本发明的紊流冷却通道的又一个实施例的截面图；
图6为具有偏移的紊流激励装置的根据本发明的紊流冷却通道的另一个实施例的截面图；和
图7为具有偏移的紊流激励装置的紊流冷却通道的再一个实施例的截面图。
优选实施例详细说明
图1表示安装在一个基座12上的一个燃气涡轮叶片10，它具有带有多个内部冷却通道14的一个翼面13。这些冷却通道穿过，包括从该翼面13的根部末端16至该翼面13的顶部末端18的该叶片的全长。一般，该涡轮叶片10具有许多冷却通道14。每一个冷却通道14的出口在该顶部末端18。另外，每一个冷却通道14使从入口进入的冷却流体(例如空气)与一个空气源(例如压缩机的放气)，通过其全长连通，以便冷却该涡轮叶片10的材料(例如金属)。该涡轮叶片10可由技术上已知的任何适当的金属制造(例如镍基超耐热合金)。如后面将要说明的那样，为了改善该涡轮叶片10的冷却特性，每一个冷却通道14具有多个紊流激励装置。
图2和图3表示具有圆形横截面的冷却通道14的第一实施例。该冷却通道14沿着其轴线，从根部末端16延伸至顶部末端18，并具有壁32。该壁32形成直径为D的冷却流体的一个通道。
多个紊流激励装置34包括在该通道14中。该紊流激励装置可以包括高度为e，外接一个小于180°圆弧的弧形断开板条36。e/D的比最好在0.05～0.30范围内。在图2和图3所示的结构中，该紊流激励装置34包括在该壁32上作出的多对断开板条36。该断开板条36具有隔开一个间隙g的末端部分38和40、该间隙g可以在1e～4e的范围内。在一个优选实施例中，该间隙g可以在0.015～0.050英寸范围内。该断开板条36还具有与轴线孔以及通过该通道14的冷却流体的流动垂直的表面42。该间隙g最好在偏离最大热负荷的方向上。
又如图2所示，沿着轴线30，放置多对断开板条36。多对断开板条隔开一个栅距P。该栅距P为从第一断开板条36的中点至第二断开板条36的中点的距离。在本发明的一个优选实施例中，P/e比在5～30范围内。
最好，多对断开板条36对准，使一对断开板条36的间隙g与相邻的多对断开板条36的间隙g对准。从在该通道14中形成流动的紊流和减少流动的压力降的观点来看，这种结构是非常理想的。
参见图4可看出，该紊流激励装置34可以不是在该壁32上形成的断开板条，而是在该壁32中切出的缺口50。如以前那样，每一个缺口50可以为弧形形状，并可以外接一个小于180°的圆弧。另外，该缺口的e/D比可以在0.05～0.30范围内，并且可以有一个与轴线30和通过该通道14的冷却流体的流动垂直的表面52。如以前那样，P/e比在5～30范围内。
图5表示具有紊流激励装置60的冷却通道14的另一个实施例。该紊流激励装置具有与轴线30和通过该通道14的冷却流体的流动成一个角度α的表面62。角度α在30～70°范围内(例如45°)。该紊流激励装置可以为壁32上的断开板条，成为在该壁32中的缺口。如以前那样，该紊流激励装置60最好为弧形形状，并外接一个小于180°的圆弧。该紊流激励装置60可以与端部隔开一个间隙的多对装置60对准。每一对紊流激励装置可以沿着轴线30偏移。这样作的好处是，对于一个等价的传热水平，可减小压力降。P/e比也可以在5～30范围内。
图6表示冷却通道14的另一个实施例。在这个实施例中，该紊流激励装置包括第一组断开板条70和第二级断开板条72。该第一组断开板条70与第二组断开板条72偏移。该断开板条70和72都是弧形形状，并外接一个小于180°的圆弧。如以前一样，该断开板条70和72的e/D比在0.05～0.30范围内。每一组断开板条的P/e比最好在5～30范围内。
图7表示具有偏移的紊流激励装置80的冷却通道14的又一个实施例。该偏移的紊流激励装置80为第一组缺口82和第二组偏移的缺口84形式。每一个缺口82和84都为弧形形状，并外接一个小于180°的圆弧。每一个缺口82和84的e/D比在0.05～0.30范围内。在这个实施例中，如在其他实施例中一样，每一组缺口的P/e比在5～30范围内。
图2～7所示的冷却通过可以用技术上已知的任何适当的方法制造。在本发明的一个优选实施例中，带有各种紊流激励装置的该冷却通道利用STEM钻削方法制造。
具有图2～7所示的紊流孔结构的冷却通道14，在从该通道的入口至该通道的出口的压力降减小的情况下，冷却得到改善。
参见图3可看出，虽然图中只表示了二个断开板条36，但应当了解，该通道14可以具有多于2个的对准的断开板条，每一个断开板条与相邻的断开板条36隔开一个间隙g。例如，该通道14可以有4个或8个对准的断开板条36。在具有4个对准的断开板条36的情况下，每一个断开板条可以外接一个小于90°的圆弧。在具有8个对准的断开板条的情况下，每一个断开板条可以外接一个大于45°的圆弧。
显然，根据本发明已经提供了可完全满足上述目的、措施和优点的涡轮叶片的紊流孔结构。虽然从具体实施例的角度已说明了本发明，但业内人士在阅读上述详细说明后知道，可以作其他的替换，改进和变化。因此要将这些替换，改进和变化都包含在所附权利要求书的宽广范围内。

Claims (16)

1.一种涡轮叶片，它包括：
具有一个根部末端和一个顶部末端的一个翼面；
在所述翼面内的至少一条冷却通道，所述至少一个冷却通道从该根部末端延伸至该顶部末端，并且具有圆形的横截面；
在所述至少一条冷却通道内的多个紊流激励装置；和
每一个所述的紊流激励装置都为弧形形状，并外接一个小于180°的圆弧。
2.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征为，所述多个紊流激励装置包括一对对准的紊流激励装置，所述一对对准的紊流激励装置的第一的末端部分跟所述一对对准的紊流激励装置的第二的末端部分隔开。
3.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征为，所述多个紊流激励装置包括至少二个对准的紊流激励装置；并且所述对准的紊流激励装置中的一个的末端部分，跟所述对准的紊流激励装置中的另一个的末端部分隔开。
4.如权利要求2所述的涡轮叶片，其特征为，所述两末端部分隔开1e～4e范围的间隙，其中e为紊流激励装置的高度；其中，每一个所述通道的直径为D，每一个紊流激励装置的高度为e，其中e/D比在0.05～0.30范围内。
5.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征为，所述紊流激励装置包括一些弧形的断开板条。
6.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征为，所述多个紊流激励装置包括沿着从所述根部末端延伸至所述顶部末端的轴线对准的多个紊流激励装置，其中，所述多个紊流激励装置隔开一栅距P，每一个所述的紊流激励装置的高度为e，P/e比处在5～30范围内。
7.如权利要求6所述的涡轮叶片，其特征为，所述对准的紊流激励装置包括多对对准的紊流发生器，每一对紊流发生器具有隔开的末端部分，其中，第一对紊流发生器的所述隔开的末端部分沿轴向与相邻的多对紊流发生器的隔开的末端部分对准。
8.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征为，所述紊流激励装置包括多个在所述至少一条切入冷却通道的壁内的缺口。
9.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征为，所述紊流激励装置包括第一组紊流发生器和与所述第一组紊流发生器偏移的第二组紊流发生器。
10.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征为，每一个所述的紊流激励装置具有一个与从所述顶部末端延伸至所述根部末端的轴线垂直的表面。
11.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征为，每一个所述的紊流激励装置具有一个与从所述顶部末端延伸至所述根部末端的轴线成30～70°范围的角度的表面。
12.如权利要求10所述的涡轮叶片，其特征为，所述紊流激励装置包括第一组紊流发生器，和偏离所述第一组紊流发生器的第二组紊流发生器。
13.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征为，它还包括从所述根部末端延伸至所述顶部末端的多条冷却通道，且每一个所述的冷却通道具有多个所述的紊流激励装置。
14.如权利要求13所述的涡轮叶片，其特征为，每一条所述的冷却通道内的所述多个紊流激励装置具有一个与流过所述冷却流体的流动垂直的表面。
15.如权利要求13所述的涡轮叶片，其特征为，每一条所述冷却通道内的所述多个紊流激励装置具有一个与流过所述冷却通道的冷却流体的流动成30～70°范围的角度的表面。
16.如权利要求13所述的涡轮叶片，其特征为，在每一条所述冷却通道内的所述多个紊流激励装置包括与第二组紊流激励装置偏移的第一组紊流激励装置。
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